未来个人飞行器及飞行技术

1　关键技术路径

1.1　高度自主个人飞行器

无论自然界鸟类的扑翼飞行，还是人类设计的各种固定翼、旋翼及其他类型飞行器，飞行的原理尽管早已被充分解读，也出现了众多尝试，但实现单人的自由、持续、安全、可靠的例行飞行仍然未成现实，人体的物理特征无法满足人类不借助外力的自主飞行。尽管无人飞行器的不断发展将满足未来越来越多的信息收集、通讯中继、快递运输等需求，实现单人飞行器的自主安全持续飞行不但具有科技意义，也对交通模式具有很大的应用价值。

尽管具有飞行能力的鸟类的扑翼飞行效率很高，但其最大体重在20 kg左右，更大的禽类则丧失了飞行能力，对于携带有限救生设备的单人来说，其载荷介于较大的扑翼鸟类和目前的载人固定翼和旋翼飞行器之间，扑翼飞行的效率难以能够满足持续长久飞行，单人固定翼飞行器的设计需要更好的权衡飞行和起降的需求矛盾，也难以实现垂直起降，而旋翼飞行则存在噪声等问题。预想的单人飞行器可以分为两类：一类速度要求不高，在有限城市空间使用；另一类航程相对较远，用于中短距飞行，速度适当提高。两类机型的设计要求存在差异，后者类似增加了垂直起降能力的小型通航飞机，而前者更具挑战，需要找到一种垂直起降和有限空间高效但低速安全飞行的解决方案，更具挑战，应该采用一种混合方案。NASA提出一种方案（见图1），飞机姿态改变来实现单一动力装置满足所有要求；第二种方案类似倾转旋翼机，付出了额外机构带来的重量和可靠性的代价；可以预期还可能存在更多的方案，但是都需要更好地解决这一经典矛盾，关键性的技术环节包括更高效、环保和可靠的动力装置，低成本、高强度、可变形新材料，高速计算芯片和无线传感技术，静音技术等（见图2）。

宋文滨

上海交通大学航空航天学院

副研究员

图1　NASA提出的Puffin（海鹦）方案设想图^[1]

图2　未来个人飞行器关键指标和概念技术方案

1.2　有限城市空间自主飞行技术

实现具有实用价值的单人飞行器的自主飞行需要具备三个要素：自主垂直起飞和着陆，大量飞行器的在有限城市空间的持续安全飞行，以及低噪声和低排放的优异环保特性。到目前为止， NASA的Puffin试验飞行器以及Martin公司的JetPack方案提供了一些原型设计的案例^[2]，但距离实用以及对新技术的应用仍有巨大的空间。随着技术的发展，可变形材料及结构、高速计算芯片及无线传感网络、智能算法、清洁可靠的动力源、高度适变的飞行控制率等技术的发展为实现单人持续可控实用飞行带来可能。与飞行器的方案设计及工程实现相比，在有限城市空间的自主飞行技术的实现面临更大的挑战，最终需要发展具备像禽类一样的感知和飞行规避能力，需要在无线传感技术、高速智能芯片技术、多源信息处理及学习能力、低空大规模自主安全飞行技术，甚至声控乃至意念控制等方面取得突破，并实现飞行器设计与使用之间的最优综合集成。

表1　自主能力的层级分类^[3]

图3　自主飞行能力的实现架构

2　应用意义与前景

作为具有15 ～ 30年时间跨度的潜在技术研究应用，该技术涉及制造、信息、材料和控制等专业领域，不但对多项基础性技术学科的发展具有重大的牵引作用，推动非定常空气动力学、智能材料、高效能源和推进技术、大规模有限空间飞行控制技术的发展；同时具有重要的社会实践价值，有利于发展新的交通模式，缓解城市拥堵，同时，相关技术对民航技术的发展具有重要的工程价值。可以开辟新的交叉学科研究，促进多项技术交叉融合，大幅提高现有技术水平，开辟新的领域，催生新的产业，有着更广泛的应用前景。

【注释】

[1]http://www.nasa.gov/topics/technology/features/puffin.html.

[2]http://www.gizmag.com/martin-jetpack-p12/29215/.

[3]Floreano D and Wood R J.Science, Technology and the future of small autonomous drones[J].Nature, 2015, 521: 460–466.