無(wú)人機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)受制于一大基本設(shè)計(jì)問(wèn)題：能夠長(zhǎng)距離高速飛行并承載大重量貨物的無(wú)人機(jī)，與能夠在小范圍飛行及降落的無(wú)人機(jī)，存在顯著的差異——前者使用固定翼設(shè)計(jì)，后者則需要旋翼設(shè)計(jì)。
如何設(shè)計(jì)能夠短距起飛但航程較遠(yuǎn)的無(wú)人機(jī)？業(yè)界常用的方法是組合固定翼和旋翼，然而這種設(shè)計(jì)顯然過(guò)于復(fù)雜——目前，我們已經(jīng)看到能夠由垂直起飛過(guò)渡至水平飛行的尾翼型無(wú)人機(jī);也看到包含可旋轉(zhuǎn)螺旋槳系統(tǒng)的無(wú)人機(jī);甚至還有固定翼無(wú)人機(jī)添加四旋翼以實(shí)現(xiàn)垂直起飛與著陸能力的方案。這些設(shè)計(jì)或多或少起到一定作用，但也不可避免地增加了無(wú)人機(jī)的重量、成本與復(fù)雜性，意味著其在任務(wù)執(zhí)行方面必然有所損失。
一家南非創(chuàng)業(yè)公司 Passerine 提出了更好的方法，模仿鳥(niǎo)兒的飛行思路：使用翅膀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行，同時(shí)依靠腿/腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行起飛與降落。該公司設(shè)計(jì)了一款名叫“Sparrow”的無(wú)人機(jī)（如下圖所示），為運(yùn)貨設(shè)計(jì)，引擎安裝在機(jī)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(dá)目的地后，無(wú)人機(jī)會(huì)減速，腿部伸展開(kāi)來(lái)，用作減震器。
Sparrow無(wú)人機(jī)渲染圖
大家肯定最先注意到腿部設(shè)計(jì)，后文會(huì)詳述。我們先從機(jī)身的固定翼設(shè)計(jì)說(shuō)起，這些超翼型發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生所謂的“吹翼效應(yīng)”，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣將流過(guò)機(jī)翼頂部與機(jī)翼襟翼的一部分，如此一來(lái)，快速吹過(guò)機(jī)翼與襟翼的強(qiáng)制性調(diào)整空氣將產(chǎn)生大量升力（可達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)翼升力的兩倍或三倍），且由于空氣直接來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，意味著即使飛機(jī)速度不快也能獲得可觀的上升力。這一點(diǎn)與多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)翼與襟翼設(shè)計(jì)不同，后者的上升力很大程度取決于飛機(jī)的前進(jìn)速度，而采用吹翼設(shè)計(jì)的飛機(jī)能夠在更短的距離內(nèi)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(diǎn)，吹翼設(shè)計(jì)并非 Passerine 公司的獨(dú)創(chuàng)，此類技術(shù)歷史悠久。烏克蘭 Antonov 公司的貨運(yùn)飛機(jī)就采用了類似的翼上發(fā)動(dòng)機(jī)，NASA（美國(guó)宇航局）甚至早在上世紀(jì)七十年代就測(cè)試過(guò)這種低噪短程研究型飛機(jī)（Quiet Short-Haul Research Aircraft，簡(jiǎn)稱QSRA），其能夠在無(wú)需彈射器或者制動(dòng)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(jī)在艾姆斯空軍基地展出。圖片展示了這款飛機(jī)的吹翼設(shè)計(jì)，即發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣會(huì)流經(jīng)機(jī)翼與襟翼部位。
但翼上發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之所以一直未能真正流行，也是有理由的。首先，這類設(shè)計(jì)的維護(hù)難度更高且維護(hù)成本更貴，因?yàn)榫S修人員無(wú)法在地面上直接操作。另外，使用這種設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)也很大，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生巨大的升力，相較于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)布局，這類飛機(jī)在起飛或降落時(shí)很有可能出現(xiàn)機(jī)體傾翻等情況。當(dāng)然，在大多數(shù)情況下，飛機(jī)之所以不使用吹翼設(shè)計(jì)，完全是因?yàn)闆](méi)有必要，畢竟通常跑道長(zhǎng)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(wú)人機(jī)方面，這些問(wèn)題的影響則小得多。由于機(jī)體更輕更小，所以無(wú)人機(jī)的翼上發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際更易于維護(hù)。雖然起飛或著陸時(shí)仍然存在一定的機(jī)體傾翻風(fēng)險(xiǎn)，但由于只是用于運(yùn)輸貨物，所以該問(wèn)題并不是特別無(wú)法接受。對(duì)于大多數(shù)無(wú)人機(jī)用例而言，我們往往很少或者根本沒(méi)有任何現(xiàn)成基礎(chǔ)設(shè)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(guān)鍵。
Sparrow 無(wú)人機(jī)上使用的吹翼設(shè)計(jì)無(wú)法獨(dú)力將飛機(jī)自身抬離地面，這時(shí)就需要配合一下腿部結(jié)構(gòu)了。這種腿部結(jié)構(gòu)，可以理解為一種專供無(wú)人機(jī)使用的、可反復(fù)起效的便攜式彈性系統(tǒng)，它們的動(dòng)力由彈簧提供，能夠提供起飛所需要的大部分（80%）動(dòng)量。
起飛之后，腿部結(jié)構(gòu)將回縮至機(jī)身旁邊的整流罩內(nèi)，以確保不會(huì)造成過(guò)大的阻力，接下來(lái) Sparrow 就能像其它常見(jiàn)固定翼飛機(jī)一樣平穩(wěn)飛行。而一旦到達(dá)目的地，腿部又反向起效：無(wú)人機(jī)會(huì)盡可能減速（使用吹翼設(shè)計(jì)保持上升力），伸展腿部并將其作為減震器以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)降落。
這套系統(tǒng)的存在，意味著 Sparrow 無(wú)人機(jī)支持固定翼無(wú)人機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)（高承載能力、速度水平、航程與能源效率等），外加旋翼飛機(jī)的精確著陸能力，而不必采用那種妥協(xié)式的混合設(shè)計(jì)。當(dāng)然，Sparrow無(wú)法像旋翼機(jī)那樣在空中盤旋，因此其所能夠執(zhí)行的任務(wù)類型也會(huì)受到一定影響。例如，它可能不適合拍攝類工作。但沒(méi)關(guān)系，因?yàn)?Passerine 公司目前主要關(guān)注送貨無(wú)人機(jī)，這類產(chǎn)品對(duì)于承載能力、航程以及速度水平都有著很高的要求，而無(wú)需跑道即可完成起飛與著陸的能力將為其開(kāi)辟更多實(shí)際應(yīng)用空間。
那么，究竟腿部結(jié)構(gòu)與吹翼設(shè)計(jì)的組合如何讓 Sparrow 無(wú)人機(jī)順利飛向空中？Passerine公司創(chuàng)始人兼 CEO Matthew Whalley 接受采訪做出詳細(xì)介紹。
圖：Passerine公司創(chuàng)始人兼CEO Matthew Whalley
問(wèn)： 您能否描述一下飛機(jī)到底是如何啟動(dòng)升空的？
Matthew Whalley：在啟動(dòng)時(shí)，飛機(jī)相當(dāng)于是躍起至空中。整個(gè)起飛過(guò)程與鳥(niǎo)類的行為非常相似。當(dāng)一只鳥(niǎo)從地面起飛時(shí)，它的翅膀并沒(méi)有產(chǎn)生任何升力，大多數(shù)初始飛躍來(lái)自跳躍的助力。許多小型飛鳥(niǎo)在開(kāi)始扇動(dòng)翅膀之前，會(huì)進(jìn)行一次速度約為5g的跳躍以實(shí)現(xiàn)自我加速。我們的飛機(jī)基本上遵循同樣的原理。當(dāng)它躍起時(shí)，目標(biāo)并非為了抬升高度，而是為了向前推動(dòng)無(wú)人機(jī)以獲得最低飛行速度。在此之后，它就能像傳統(tǒng)飛機(jī)一樣正常飛行了。總結(jié)一下 Sparrow 由起飛到實(shí)際飛行的基本過(guò)渡控制：無(wú)人機(jī)收回腿部結(jié)構(gòu)并繼續(xù)加速，并以大約30度的角度向上爬升，然后襟翼升起并進(jìn)入巡航模式。
問(wèn)：這樣的設(shè)計(jì)靈感源自哪里？
Matthew Whalley：我讀大學(xué)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間思考一個(gè)問(wèn)題：非洲在基礎(chǔ)設(shè)施層面與很多國(guó)家存在巨大差距，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)出能夠遠(yuǎn)程飛行并攜帶大重量貨品的無(wú)人機(jī)以彌合這種差距。有趣的是，多年后，南非成為非洲首個(gè)使用送貨無(wú)人機(jī)的國(guó)家——那大約是在15年前，當(dāng)時(shí)我們還在努力借此實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源交付。這就是這款無(wú)人機(jī)的靈感來(lái)源，我很清楚我們需要無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)怎樣的能力。
此外，在發(fā)展中國(guó)家，特別是非洲，無(wú)人機(jī)確實(shí)能夠?yàn)槿藗兊纳顜?lái)巨大便利。但由于基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重缺少，傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)或者無(wú)人機(jī)的覆蓋范圍往往非常有限。因此，我們需要一些能夠在低水平基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境下起效的解決方案。我們?cè)O(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)的腿部結(jié)構(gòu)能夠以更高效的方式將遠(yuǎn)航程飛機(jī)送到空中，而無(wú)需在上面綁定一套四軸飛行器。
問(wèn)：這款無(wú)人機(jī)的腿部結(jié)構(gòu)與真實(shí)的鳥(niǎo)腿之間有多么相似？
Matthew Whalley：這里面有個(gè)有趣的故事。我們最開(kāi)始的設(shè)計(jì)看起來(lái)其實(shí)一點(diǎn)也不像鳥(niǎo)腿，但我們很清楚，需要借此實(shí)現(xiàn)一定的加速能力以達(dá)到最低飛行速度，而在進(jìn)行效率提升的每一次迭代中，這套結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得越來(lái)越像鳥(niǎo)腿。到現(xiàn)在，最新設(shè)計(jì)已經(jīng)與真實(shí)鳥(niǎo)腿非常接近了，但這實(shí)際是迭代設(shè)計(jì)的結(jié)果，我們起初并不打算直接模擬鳥(niǎo)腿，只是事實(shí)證明這是一種非常有效的設(shè)計(jì)方向。
問(wèn)：相對(duì)于混合無(wú)人機(jī)、尾部穩(wěn)定器以及其它垂直起降設(shè)計(jì)方案，Passerine的無(wú)人機(jī)擁有哪些優(yōu)勢(shì)？
Matthew Whalley：這些無(wú)人機(jī)之間存在幾種重要的差別。首先，懸停動(dòng)作的能源效率最低，然而我們認(rèn)真觀察了無(wú)人機(jī)執(zhí)行的大部分任務(wù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上往往都不需要懸停功能——真正重要的是在不對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施提出任何要求的情況下實(shí)現(xiàn)起飛與著陸。因此，通過(guò)避免懸停動(dòng)作，我們回避了這種能源效率最低的場(chǎng)景，意味著我們的無(wú)人機(jī)不需要攜帶那么多電池，不需要那么強(qiáng)大的電機(jī)。最終得出的設(shè)計(jì)方案更輕量化，也就能夠飛得更遠(yuǎn)，或者承載更大的貨品質(zhì)量。
問(wèn)：那么與其它系統(tǒng)相比，您的設(shè)計(jì)方案又有哪些優(yōu)勢(shì)？
Matthew Whalley：不能一概而論，取決于特定任務(wù)與系統(tǒng)場(chǎng)景。但總的來(lái)說(shuō)，我們的無(wú)人機(jī)的效能比混合無(wú)人機(jī)高出10%。當(dāng)然，這同樣取決于實(shí)際任務(wù)：如果只是進(jìn)行低速測(cè)量任務(wù)，那么我們的效能優(yōu)勢(shì)將在10%以內(nèi)。我們的無(wú)人機(jī)真正出彩的地方在于遠(yuǎn)程送貨或者高速先進(jìn)類任務(wù)，因?yàn)樗軌蛞?50%于傳統(tǒng)固定翼無(wú)人機(jī)的速度巡航，且能耗水平與后者基本持平。這意味著能夠更快完成送貨行動(dòng)，更快響應(yīng)緊急情況，這正是我們相較于混合無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的核心優(yōu)勢(shì)。
問(wèn)：為什么您的無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的巡航速度？
Matthew Whalley：與大多數(shù)固定翼無(wú)人機(jī)相比，我們的巨大優(yōu)勢(shì)來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)布局。我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種最適合高速飛行的無(wú)人機(jī)，加上它本身就能配合吹翼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超低速飛行，因此其仍然可以實(shí)現(xiàn)低速進(jìn)場(chǎng)，并利用自動(dòng)駕駛儀輕松完成降落。這是我們的主要優(yōu)勢(shì)之一——能夠在高速先進(jìn)時(shí)保持最佳狀態(tài)，同時(shí)憑借著機(jī)翼與發(fā)動(dòng)機(jī)布局實(shí)現(xiàn)低速機(jī)動(dòng)能力。
問(wèn)：這套系統(tǒng)也可以用來(lái)著陸，對(duì)吧？
Matthew Whalley：是的，你可以試想一下鳥(niǎo)類是如何著陸的，或者說(shuō)懸掛式滑翔機(jī)是如何著陸的——基本上，我們會(huì)快速降低飛機(jī)行進(jìn)速度，導(dǎo)致機(jī)翼失速并將飛機(jī)整體作為風(fēng)阻制動(dòng)器。當(dāng)?shù)竭_(dá)極低的高度與速度水平時(shí)，駕駛者會(huì)再次啟用動(dòng)力，從而阻止飛機(jī)以更快的速度墜向地面。我們的發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)身布局擁有一大核心優(yōu)勢(shì)，其喇叭形的設(shè)計(jì)在失速狀態(tài)下仍然能夠產(chǎn)生相當(dāng)可觀的上升力。雖然不足以繼續(xù)保持飛行，但卻足以將下降的加速度控制在極低的水平。因此，即使我們處于下降過(guò)程，機(jī)身也只會(huì)緩慢地向地面下沉。而后，我們將腿部結(jié)構(gòu)部署在飛機(jī)下方，其負(fù)責(zé)充當(dāng)減震器以抵消最后一點(diǎn)剩余的動(dòng)能——而非依靠發(fā)動(dòng)機(jī)拉平。
問(wèn)：降落部分到底有多重要？
Matthew Whalley：就我個(gè)人來(lái)講，降落過(guò)程是最重要的一環(huán)，特別是考慮到無(wú)人機(jī)攜帶的貨物可能易碎又重要。在我看來(lái)，血液樣品之類的東西絕對(duì)不應(yīng)該以降落傘的方式投遞，用戶希望送貨及時(shí)、準(zhǔn)確且安全。
問(wèn)：在配合實(shí)際載重后，這種著陸方式真的能夠順利起效嗎？
Matthew Whalley：當(dāng)然，我們對(duì)于這種著陸方案信心滿滿。
問(wèn)：那么，您的設(shè)計(jì)中是否存在短板？例如，腿部結(jié)構(gòu)是否給無(wú)人機(jī)增加了較大的額外重量，或者說(shuō)自動(dòng)駕駛儀是不是非常復(fù)雜？
Matthew Whalley：我們的設(shè)計(jì)方案確實(shí)存在一大缺陷，就是無(wú)人機(jī)自身無(wú)法懸停。在某些任務(wù)——雖然數(shù)據(jù)不多——當(dāng)中，用戶希望無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)懸停。但抱歉，我們的產(chǎn)品并非為此類場(chǎng)景所設(shè)計(jì)。至于你提到的其它問(wèn)題，是的，這款無(wú)人機(jī)的腿部結(jié)構(gòu)確實(shí)有一定份量，不過(guò)可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗闹亓颗c大型遙控飛機(jī)的可伸縮底盤系統(tǒng)差不多。另外，雖然這款無(wú)人機(jī)的飛行控制器相當(dāng)復(fù)雜，但絕對(duì)不比目前市面上在售的其它同類產(chǎn)品更難上手。
問(wèn)：您能談?wù)勀硐氘?dāng)中的飛行速度、飛行范圍以及載重能力目標(biāo)嗎？
Matthew Whalley：目前我們正在打造公司的第一款飛機(jī)，預(yù)計(jì)它會(huì)是計(jì)劃內(nèi)各版本中體積最小的一款，也就是Sparrow。巡航速度為 120 km/h，能攜帶 2 公斤的負(fù)荷，飛行時(shí)間能達(dá)到一小時(shí)。未來(lái)，我們計(jì)劃設(shè)計(jì)放大版本，翼展達(dá)到 6 米，負(fù)荷達(dá)到 100 公斤。
后記：Whalley告訴我們，Passerine公司將在2019年第二季度啟動(dòng)試點(diǎn)項(xiàng)目——在非洲的多個(gè)區(qū)域部署實(shí)際任務(wù)。目前他們?nèi)匀辉谶M(jìn)行飛行周期測(cè)試（即起飛與降落），但 Whalley 預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作再有一到兩個(gè)月就能夠徹底完成。
無(wú)人機(jī)有可能在不久的將來(lái)成為非洲土地上重要的物流交付工具。據(jù)我們觀察，針對(duì)非洲這類較為落后的地區(qū)，在無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)起飛與降落操作將成為無(wú)人機(jī)的核心發(fā)展目標(biāo)。Passerine公司當(dāng)然不是唯一一家意識(shí)到問(wèn)題重要性的無(wú)人機(jī)廠商，但他們確實(shí)是最具創(chuàng)新性的廠商之一。