解決方案
大多數飛機都裝有垂直尾翼或方向舵,以抑制荷蘭滾——那種像滑冰者一樣的偏航、側滑與滾轉混合運動。尾翼會增加重量與阻力,使客機更耗油,並增大雷達截面積,這對隱形飛機而言是個問題。無尾舵的B-2轟炸機只能靠翼尖的阻力襟翼勉強應對,格羅寧根大學(University of Groningen)的航空航天工程師兼生物學家大衛·倫廷克稱這種做法效率低下:有效率的方式是透過產生升力來解決穩定性問題,而這正是鳥類所做的。
1929年,德國科學家弗朗茨·格勒貝爾斯(Franz Groebbels)主張鳥類飛行如同「自動飛機」,透過反射來保持穩定——當身體俯仰時擺動尾巴,當身體滾轉時不對稱地展開翅膀。倫廷克的團隊以此假說為出發點反向驗證。第一台機器人Tailbot——固定翼、五自由度尾翼——在反射控制器操控下於模擬湍流風洞中保持穩定,但在戶外墜毀。改進方案是PigeonBot II:仿鴿的可變形機翼可獨立收攏與展開,九個伺服馬達,重量約與真鴿相當,並使用真實羽毛。
現成的Pixracer無人機自動駕駛儀只理解傳統四旋翼控制,因此一個Arduino板置於自動駕駛儀與機器人之間,將指令轉譯為機翼與尾翼的動作。在戶外,PigeonBot II完全自主起飛、飛行與降落——或依操作員的高階指令如上升、下降、轉向——飛行穩定性完全依賴鳥類般的反射。格勒貝爾斯1929年的猜想如今有了飛行演示。
仍有一個組件令工程技術望塵莫及:羽毛本身,其10微米的3D鉤狀結構構成世界上唯一的單面魔鬼氈,每個鎖定的鉤可承受高達20克的載荷。沒有任何人工結構能同時如此輕盈、堅硬且複雜,因此這些機器人只能使用真實的鴿子羽毛飛行。
達成了什麼
以鳥類的答案取代方向舵:類反射控制器收攏與展開可變形機翼和尾翼,以升力而非阻力來保持穩定。
為何奏效
它從根源上解決尾翼的成本問題——像鳥類一樣透過產生升力的形狀變化來保持穩定,而非像B-2那樣用浪費的阻力襟翼來補救。
一個95年前的生物學假說變成了飛行工程測試:建構反射迴路,看看該理論能否在空中維持。
航空電子設備維持商用現成硬體:一塊轉接Arduino讓現成的無人機自動駕駛儀能夠指揮可變形機翼與五自由度尾翼。
移除方向舵一舉去除了其重量、阻力與雷達截面積——這正是無尾舵飛行的全部意義。
可應用的啟示
當控制面的代價過高時,借鑑動物的解決方案:由快速反射驅動的分散式形狀變化可以完全取代該部件。
後續
PigeonBot II通過了戶外測試:自主起飛、飛行與降落,完全由反射控制器保持穩定,操作員僅發出高階指令。團隊仍使用真實羽毛飛行,因為沒有任何人工工程結構能與之匹敵;這一成果為飛機設計者提供了一條基於升力的無尾舵飛行途徑,而垂直尾翼恰恰是其中的負擔。
追溯依據
參考來源
- Teaching a drone to fly without a vertical rudder Ars Technica · arstechnica.com