翼很適合遠(yuǎn)距離巡航和承載重物，但如果您的飛機(jī)需要垂直靈活性，它們就不那么好了。另一方面，轉(zhuǎn)子對(duì)于垂直靈活性非常有用，但對(duì)于長(zhǎng)距離和重載而言它們并不是那么好。任何想要有效飛行的飛機(jī)都可以設(shè)計(jì)用于巡航或懸停，但不能同時(shí)設(shè)計(jì)。

很多人都試圖想出一種做出某種妥協(xié)工作的方法。大多數(shù)情況下，這需要裝訂盡可能多的垂直轉(zhuǎn)子，因?yàn)槟阌泄潭ㄒ盹w機(jī)的預(yù)算并且只需要一天叫它：當(dāng)你想要上升或下降時(shí)，你使用垂直轉(zhuǎn)子，其余的時(shí)間，你可以使用任何其他水平安裝的轉(zhuǎn)子。如果你非常聰明，也許你想出一種設(shè)計(jì)，使用一套轉(zhuǎn)子進(jìn)行??垂直和水平飛行，或者使用某種旋轉(zhuǎn)翼或者可以在飛行中俯仰的車輛; 但事實(shí)仍然是你的設(shè)計(jì)是浪費(fèi)的 - 要么你在水平飛行時(shí)有無(wú)用的轉(zhuǎn)子，要么在垂直飛行時(shí)沒(méi)用無(wú)翼。

今年在ICRA，來(lái)自新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)的研究人員推出了一種名為THOR：Transformable HOvering Rotorcraft的新型飛行機(jī)器人。THOR通過(guò)在垂直和水平飛行模式中使用所有空氣動(dòng)力學(xué)表面，從飛翼轉(zhuǎn)變?yōu)槟嬲枰嘈诺娜硇D(zhuǎn)雙旋翼飛行器，實(shí)現(xiàn)了非常高的結(jié)構(gòu)效率。

乍一看，THOR與單翼機(jī)有許多共同點(diǎn)，單翼機(jī)是單翼型，末端有一個(gè)馬達(dá)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力。THOR將這個(gè)想法加倍，為自己提供兩種飛行模式：懸停模式和巡航模式。在懸停模式(研究人員稱之為H-MOD)中，THOR旋轉(zhuǎn)到位，其翼型相互旋轉(zhuǎn)180度，就像直升機(jī)上的轉(zhuǎn)子一樣。在巡航模式(C-MOD)中，翼型在相同方向上對(duì)齊，您將獲得飛翼。

THOR飛機(jī)處于懸停配置狀態(tài)。

棘手的部分當(dāng)然是在過(guò)渡期間：從旋轉(zhuǎn)懸停到(希望)非旋轉(zhuǎn)前飛，然后再返回。您可以在視頻中看到這種情況，但基本上，所有必須發(fā)生的事情是每個(gè)機(jī)翼旋轉(zhuǎn)90度，由THOR中心部分的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。以下是研究人員描述他們實(shí)驗(yàn)的方式：

我們?cè)谌我荒Ｊ较聦w船升至約2米的高度并嘗試過(guò)渡，產(chǎn)生一些有趣的結(jié)果。在C-MOD到H-MOD之間的過(guò)渡中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)將C-MOD進(jìn)入爬升，該飛行器能夠可靠地保持高度，同時(shí)將其機(jī)翼切換到其H-MOD配置。我們懷疑，在足夠強(qiáng)勁的馬達(dá)的情況下，該過(guò)程在過(guò)渡步驟之后操作類似于雙旋翼飛行器其中旋轉(zhuǎn)翼作為升力的主要來(lái)源接管。在從H-MOD到C-MOD的過(guò)渡中，向上的C-MOD的啟動(dòng)再次有助于在過(guò)渡期間保持工藝高度。實(shí)際上，這些電機(jī)足夠強(qiáng)大，幾乎可以瞬間將工藝從H-MOD旋轉(zhuǎn)中分離出來(lái)并將工藝推向平移。

當(dāng)無(wú)人機(jī)處于懸停模式(左)時(shí)，它可以將其兩個(gè)伺服器旋轉(zhuǎn)大約90度(中間)以重新定向以用于巡航模式(右)。在巡航模式下，它可以反向切換到懸停模式。

除了用于機(jī)翼旋轉(zhuǎn)的伺服和軸承外，THOR在懸停和巡航模式下使用其他所有結(jié)構(gòu)部件，使其相對(duì)于混合動(dòng)力設(shè)計(jì)具有高效率。這是一個(gè)原型，硬件和軟件控制器都需要一些優(yōu)化，但我們喜歡設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。

有關(guān)詳細(xì)信息，我們通過(guò)電子郵件與主要作者Jun En Low和Shaohui Foong教授進(jìn)行了交談：

IEEE Spectrum：為什么結(jié)構(gòu)效率對(duì)飛機(jī)很重要，THOR與傳統(tǒng)的混合VTOL平臺(tái)相比有哪些優(yōu)勢(shì)?

在我們研究這種新穎系統(tǒng)的同時(shí)，我們使用結(jié)構(gòu)效率作為衡量能效的初步指標(biāo)。這樣，我們不受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制。至于THOR的優(yōu)勢(shì)，我們認(rèn)為它有可能比目前使用的任何其他混合動(dòng)力系統(tǒng)更有效，因?yàn)樵谌魏我环N飛行模式下都不會(huì)有飛行器上的冗余或阻塞系統(tǒng)(因此沒(méi)有冗余質(zhì)量)。這也使得平臺(tái)可以更加可擴(kuò)展，因?yàn)橹聞?dòng)器和控制表面的數(shù)量保持最小。

是什么讓THOR成為比單翼直升機(jī)更高效或更有效的平臺(tái)?

我們認(rèn)為THOR更像是monocopter概念的創(chuàng)新和發(fā)展。在直升機(jī)中，我們?cè)趹彝r(shí)有一個(gè)很棒的系統(tǒng)，只有它的有效載荷必須不斷旋轉(zhuǎn)，更重要的是，它沒(méi)有范圍。THOR通過(guò)將單翼直升機(jī)概念融合到固定翼型飛行器(或反之亦然)來(lái)克服這一點(diǎn)。在分析和優(yōu)化這樣一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)時(shí)，還有許多有趣的動(dòng)態(tài)。

您能描述一下懸停飛行和前飛(或前飛和懸停飛行)之間的過(guò)渡過(guò)程嗎?

我們遇到的一個(gè)很酷的特點(diǎn)是，兩種操作模式的正迎角意味著兩個(gè)舵機(jī)的簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)大約90度會(huì)將船只翻轉(zhuǎn)到右側(cè)進(jìn)行巡航。然后，飛行器突然旋轉(zhuǎn)并使用原始馬達(dá)推力保持高度，之后機(jī)翼返回作為主要提升源。

什么樣的獨(dú)特應(yīng)用程序可以用于什么?

任何需要長(zhǎng)距離和敏捷懸停的東西，并且由于其固有的擴(kuò)展?jié)摿?，它可以比其他混合平臺(tái)更小，這將解鎖當(dāng)前混合無(wú)人機(jī)太大或太大而無(wú)法操作的許多可能性!這些包括農(nóng)業(yè)，監(jiān)視和包裹遞送，所有這些都是目前無(wú)人機(jī)發(fā)展的熱門話題。

你下一步在做什么?

更強(qiáng)大的切換機(jī)制和非線性飛行/過(guò)渡控制，以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格和激進(jìn)的過(guò)渡。此外還有一個(gè)故障保護(hù)功能，利用了直升機(jī)的靈感，薩馬拉水果的自然自動(dòng)特性。安全在無(wú)人機(jī)中是一件非常重要的事情，如果我們能夠證明這個(gè)系統(tǒng)在高密度人群中使用是安全的，我認(rèn)為我們真的能夠在這個(gè)平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展中獲得成功。