新加坡成功研制单旋翼飞行器
来源:中国航空报发表时间:2025-08-19 16:46:07浏览量:607
新加坡科技设计大学(SUTD)的研究人员受种子启发,设计了一款飞行时间长达26分钟的单旋翼飞行器,新研发的单旋翼无人机标志着他们十年来对小型飞行机器人效率的重新定义。
2015年,由新加坡科技设计大学(SUTD)副教授冯绍辉带领的学生研究团队开始了一项雄心勃勃的挑战:设计和制造一架能够持续飞行50分钟的无人机。
当时,大多数民用四旋翼无人机的续航时间甚至还不到这个数字的一半。SG50多旋翼无人机项目最终成功,但要达到如此长的续航时间,飞行器必须体积庞大、结构复杂且重量沉重。
十年过去了,冯绍辉副教授的无人机研究达到了新的高度。这一次,他选择了小型化的设计,并采取了截然不同的策略。他没有试图提高多旋翼无人机的效率(因为多旋翼无人机的设计本身就效率低下),而是从大自然中汲取灵感,开发出一款受翅果启发的轻型单旋翼无人机,仅用一个执行器即可实现高效且完全可控的飞行。
在发表于《IEEE机器人与自动化快报》的一项题为《设计和优化受翅果启发的轻型单旋翼无人机以实现长续航》的研究中,他采用了自转技术,并利用气动效率而非强力推力,展示了一种极简而高效的设计:这款重量仅32克的轻型单旋翼无人机可以在全自动控制下悬停26分钟,远远超越了同类无人机。
冯绍辉表示,这是一项更广泛努力的一部分,旨在彻底颠覆飞行机器人的设计,以更少的投入实现更大的产出。他的新设计为这一重量级别的旋翼机开辟了新天地。
“随着尺寸缩小,飞行效率会越来越低。小型无人机通常续航能力较差,因为它们的小型螺旋桨产生的推力有限,但仍然需要消耗大量动力。我们的目标是克服这一限制。”他补充道。
事实证明,解决方案是借鉴自然。翅果是一种旋转的枫树种子,它会缓缓地盘旋到地面,它提供了一种引人注目的空气动力学模式,以一种简洁优美的形式将被动稳定性与高效的升力产生结合在一起。
“枫树种子的每个部分都会产生升力。我们从这一原理中汲取灵感,打造出一个没有浪费任何资源的机身。”冯绍辉解释道。
以翅果种子为灵感的策略源于以人为本的观察——这是人工智能自身无法发现的。改进的机翼设计随后通过人工智能优化实现,这使得团队能够高效地探索各种设计可能性,而无须详尽地测试每种配置。
与控制多个旋翼的传统四轴飞行器不同,该团队的单轴飞行器仅使用一个执行器即可飞行。这台单电机驱动翼身旋转,通过被动动力学使其稳定,同时通过大型翼型提供升力。由于没有挥舞部件、变速箱或机械连杆,该设计结构简单,但机械效率高。
单轴飞行器的成功源于广泛的设计优化过程,它将经典空气动力学理论与实际性能模型相结合。研究人员使用了一种替代优化方法(一种数据驱动的搜索算法)来微调机翼形状、俯仰角和质量分布。
由此产生的无人机悬停时的功率负载为每瓦9.1克,优于其他具有悬停能力的同等尺寸和重量的微型飞行器。
研究员蔡新宇指出:“这是一项史无前例的成就,我们证明了,只要采用正确的气动和系统级设计,微型空中机器人就能实现与大型系统相媲美的续航能力。这表明尺寸不再是限制因素。”
单旋翼飞行器的续航能力和简洁性对于低成本、长时间飞行任务来说是一个好消息。目前正在探索的应用包括轻型可重复使用的无线电探空仪,这是一种气球搭载的气象传感和监测仪器。
虽然目前的原型机使用的是市售组件,但未来的工作将着眼于开发定制部件,以进一步提升性能。蔡新宇分享道:“下一步是在不显著增加重量的情况下提高有效载荷和飞行时间。我们还希望在设计过程中探索先进材料和仿生机翼形态。”
该团队的单旋翼飞行器研发历程也体现了延续性。团队已将目光投向具有象征意义的后续项目:一架能够飞行超过60分钟的单旋翼飞行器。与大型的SG50四旋翼飞行器相比,SG60单旋翼飞行器在所有可量化指标上都更胜一筹。它更小巧、更简洁,而且能效高出一倍以上。
“效率通常会随着规模的扩大而提高。而我们却反其道而行之。我们成功地缩小了系统尺寸,同时提高了其效率。”冯绍辉补充道。
单旋翼飞行器项目完美地展现了严谨的工程设计和周到的设计思维如何将源于自然的灵感转化为切实可行的技术平台。
“关键在于理解底层物理原理,对其进行忠实建模,并运用这些知识突破小型空中机器人的极限,”冯绍辉说道,“随着进一步发展,我们看到这项技术将在各种成熟和新兴应用中发挥关键作用,前途无量。”
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