航空仿生學：送貨無人機如何用“鳥腿”起飛？

　　無人機長期以來受制于一大基本設計問題：能夠長距離高速飛行并承載大重量貨物的無人機，與能夠在小范圍飛行及降落的無人機，存在顯著的差異——前者使用固定翼設計，后者則需要旋翼設計。

　　如何設計能夠短距起飛但航程較遠的無人機?業界常用的方法是組合固定翼和旋翼，然而這種設計顯然過于復雜——目前，我們已經看到能夠由垂直起飛過渡至水平飛行的尾翼型無人機;也看到包含可旋轉螺旋槳系統的無人機;甚至還有固定翼無人機添加四旋翼以實現垂直起飛與著陸能力的方案。這些設計或多或少起到一定作用，但也不可避免地增加了無人機的重量、成本與復雜性，意味著其在任務執行方面必然有所損失。

　　一家南非創業公司 Passerine 提出了更好的方法，模仿鳥兒的飛行思路：使用翅膀進行長時間飛行，同時依靠腿/腳結構進行起飛與降落。該公司設計了一款名叫“Sparrow”的無人機(如下圖所示)，為運貨設計，引擎安裝在機翼上部，其腿部有受載彈簧，提供了起飛所需的八成能量，到達目的地后，無人機會減速，腿部伸展開來，用作減震器。

　　Sparrow無人機渲染圖

　　大家肯定最先注意到腿部設計，后文會詳述。我們先從機身的固定翼設計說起，這些超翼型發動機能夠產生所謂的“吹翼效應”，發動機排氣將流過機翼頂部與機翼襟翼的一部分，如此一來，快速吹過機翼與襟翼的強制性調整空氣將產生大量升力(可達到傳統機翼升力的兩倍或三倍)，且由于空氣直接來自發動機，意味著即使飛機速度不快也能獲得可觀的上升力。這一點與多數傳統機翼與襟翼設計不同，后者的上升力很大程度取決于飛機的前進速度，而采用吹翼設計的飛機能夠在更短的距離內完成起飛與著陸，失速極限也得到巨大改善。

　　這里需要明確一點，吹翼設計并非 Passerine 公司的獨創，此類技術歷史悠久。烏克蘭 Antonov 公司的貨運飛機就采用了類似的翼上發動機，NASA(美國宇航局)甚至早在上世紀七十年代就測試過這種低噪短程研究型飛機(Quiet Short-Haul Research Aircraft，簡稱QSRA)，其能夠在無需彈射器或者制動裝置的情況下在航空母艦上輕松完成起飛與降落。

　　圖：NASA的低噪短程研究型飛機在艾姆斯空軍基地展出。圖片展示了這款飛機的吹翼設計，即發動機尾氣會流經機翼與襟翼部位。

　　但翼上發動機設計之所以一直未能真正流行，也是有理由的。首先，這類設計的維護難度更高且維護成本更貴，因為維修人員無法在地面上直接操作。另外，使用這種設計風險也很大，因為發動機本身會產生巨大的升力，相較于傳統的標準發動機布局，這類飛機在起飛或降落時很有可能出現機體傾翻等情況。當然，在大多數情況下，飛機之所以不使用吹翼設計，完全是因為沒有必要，畢竟通常跑道長度足夠，不值得為了獲得額外的升力而承受上述弊端。

　　但在無人機方面，這些問題的影響則小得多。由于機體更輕更小，所以無人機的翼上發動機實際更易于維護。雖然起飛或著陸時仍然存在一定的機體傾翻風險，但由于只是用于運輸貨物，所以該問題并不是特別無法接受。對于大多數無人機用例而言，我們往往很少或者根本沒有任何現成基礎設施可以借用，這意味著短距離起飛與著陸能力將成為決定其可行性的關鍵。

　　Sparrow 無人機上使用的吹翼設計無法獨力將飛機自身抬離地面，這時就需要配合一下腿部結構了。這種腿部結構，可以理解為一種專供無人機使用的、可反復起效的便攜式彈性系統，它們的動力由彈簧提供，能夠提供起飛所需要的大部分(80%)動量。

　　起飛之后，腿部結構將回縮至機身旁邊的整流罩內，以確保不會造成過大的阻力，接下來 Sparrow 就能像其它常見固定翼飛機一樣平穩飛行。而一旦到達目的地，腿部又反向起效：無人機會盡可能減速(使用吹翼設計保持上升力)，伸展腿部并將其作為減震器以實現平穩降落。

　　這套系統的存在，意味著 Sparrow 無人機支持固定翼無人機的所有優點(高承載能力、速度水平、航程與能源效率等)，外加旋翼飛機的精確著陸能力，而不必采用那種妥協式的混合設計。當然，Sparrow無法像旋翼機那樣在空中盤旋，因此其所能夠執行的任務類型也會受到一定影響。例如，它可能不適合拍攝類工作。但沒關系，因為 Passerine 公司目前主要關注送貨無人機，這類產品對于承載能力、航程以及速度水平都有著很高的要求，而無需跑道即可完成起飛與著陸的能力將為其開辟更多實際應用空間。

　　那么，究竟腿部結構與吹翼設計的組合如何讓 Sparrow 無人機順利飛向空中?Passerine公司創始人兼 CEO Matthew Whalley 接受采訪做出詳細介紹。

　　圖：Passerine公司創始人兼CEO Matthew Whalley

　　問: 您能否描述一下飛機到底是如何啟動升空的?

　　Matthew Whalley：在啟動時，飛機相當于是躍起至空中。整個起飛過程與鳥類的行為非常相似。當一只鳥從地面起飛時，它的翅膀并沒有產生任何升力，大多數初始飛躍來自跳躍的助力。許多小型飛鳥在開始扇動翅膀之前，會進行一次速度約為5g的跳躍以實現自我加速。我們的飛機基本上遵循同樣的原理。當它躍起時，目標并非為了抬升高度，而是為了向前推動無人機以獲得最低飛行速度。在此之后，它就能像傳統飛機一樣正常飛行了。總結一下 Sparrow 由起飛到實際飛行的基本過渡控制：無人機收回腿部結構并繼續加速，并以大約30度的角度向上爬升，然后襟翼升起并進入巡航模式。