未来仿生无人机横空出世!鸟类跳跃垂直起飞,仿蒲公英增加升力

未来仿生无人机横空出世!鸟类跳跃垂直起飞,仿蒲公英增加升力

作者:DAGGER X

仿生,是未来无人机发展的一个重要方向,最终目标就是优化无人机的设计外形、内在结构,提高飞行性能和飞行品质以及解决无人机的任务环境适应性问题。

目前,无人机在仿生方面主要是设计外形的功能性仿生,例如模仿鸟类,昆虫和蝙蝠的扑翼性飞行,这些都是应用碳纤维复合材料和高分子弹性膜材料来构成仿生型无人机的机翼和内在结构。扑翼式无人机的好处在于噪音小,相对于电机螺桨无人机功耗小,在军事战术应用方面具有一定的欺骗性,而且扑翼式无人机起降场地条件不受限制,但这一类无人机由于发动机功率和体积限制,其速度较慢、载重较轻(一般为1-2kg)。

那么如何实现小型无人机拥有大载重能力而不受场地限制起飞并具备较高的飞行速度则是无人机发展的另一个重点方向。目前,混合推进无人机确实可以做这一点,但操控程序仍较复杂,综合功耗大。这时,鸟类的跳跃起飞功能将会是小型无人机的一个仿生发展方向。目前,一家南非初创公司Passerine试图颠覆之前的设计,给固定翼无人机装上了腿。用翅膀实现有效飞行,用腿来实现起降。Passerine公司资料显示,这款名为“麻雀”(Sparrow)的无人机为货运无人机,主要采用吹气襟翼技术,将飞机引擎安装在机翼上部。

早在上世纪70年代,吹气襟翼已开始应用,通过向飞机襟翼上喷气,机翼在低空速时也能获得传统机翼2-3倍的升力,实现优秀的低速短距起降能力。但对于Sparrow来说,引擎带来的动力不足以推动飞机起飞,“腿”才是起飞的关键。Sparrow的腿部装有两个类似于弹射器的受载弹簧,可以提供起飞所需的80%的能量。

弹射起飞后,无人机会以大约30度的角度爬升,同时腿部像起落架一样收回到机身中,随后,襟翼升起,飞机进入巡航配置。到达目的地后,无人机会减速,腿部会再次伸展开来,用作减震器。这其中的原理就是仿生鸟类通过跳跃来提供较高的初始起飞速度实现无人机的垂直起飞功能。目前,Sparrow还只是小型版,巡航速度为120 km/h,能携带 2公斤的负荷,飞行时间约一小时。下一步,研究团队计划将翼展达到6米,有效载荷提升至100公斤。

在提高无人机气动飞行效能方面,植物的外形结构也是一个重要仿生方向。据英国《每日邮报》报道,英国科学家彻底解开了蒲公英种子仅凭风力可以远飞500英里(800公里)的谜团,将借鉴其飞行模式,用于隐形无人机的制造。研究人员将超长曝光与高速成像技术结合起来,发现当空气穿过蒲公英种子上的硬毛时,会有环形气泡形成,增加阻力,减缓每颗种子下降到地面的速度,这使得羽毛设计比翼状膜能更加有效地分散轻量级种子的重量。

研究人员认为蒲公英的多孔降落伞可能会促进小型无人机的研发,这种无人机几乎不耗电,可用于遥感或空气污染监测。因此,未来无人机的固定机翼或旋翼表面可通过应用高分子材料设计成蒲公英种子的刚毛结构增加翼面的气动升力效能,从而提高无人机的长时间滞空能力。可见,大自然这种巧妙的飞行模式可以最大限度地降低材料和能源成本,还可以应用于可持续发展技术工程。

可以说,仿生工程在未来无人机上的应用方兴未艾,潜力巨大。

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