提及无人机,部分人会联想到大疆品牌,另一部分人则会想到俄乌战场的应用场景。当前消费级无人机的核心技术路线主要分为两类,一类是多旋翼设计,另一类是固定翼设计。
如今市面上也出现了不少具备垂直起降能力的固定翼无人机,这类机型本质上可视为前两种技术的结合体。不过在飞行性能的提升上,该领域已陷入缓慢迭代的“挤牙膏”状态。难道无人机技术的发展上限,已经触手可及了吗?
答案是否定的。
位于秦岭山脉脚下的西北工业大学——没错,这所高校正是歼20总设计师的母校——近期又公布了一项重要科研成果。这款成果名为“信鸽”扑翼无人机,它的飞行方式与鸟类完全一致,依靠扇动翅膀实现前进。
值得注意的是,这款无人机既没有螺旋桨,也不存在固定的机翼结构。
西北工业大学的科研团队已成功实现该无人机单次充电飞行3小时的突破,再次打破了此前由西工大自身保持的世界纪录。
“信鸽”扑翼无人机的翼展为70厘米,起飞重量达260克,相当于半斤多一点。该机型大量采用高分子新型材料,整体重量极轻,但凭借内置电池,它成功实现了3小时5分30秒的持续飞行。
这一纪录诞生于9月22日,地点是西工大新校区。该校区内设有专门的无人机测试场地,当时吉尼斯世界纪录的工作人员也到场见证了整个过程。
3小时的续航时长,究竟意味着什么?
以260克的机身重量,实现3小时的续航能力,这又代表着怎样的技术水平?
无需过多解释,行业内人士都清楚,这款新型无人机的续航效率极高,与当前主流无人机相比,具备碾压性的优势。
要实现如此出色的续航效率,要么依赖高性能电池,要么在气动设计与结构材料上具备突破。而西工大的“信鸽”扑翼机,在这两个方面均有亮眼表现。
关于电池的具体技术细节,西北工业大学官网的相关报道并未提及。可以确定的是,其能源系统虽未实现革命性提升,但包含了诸多创新点,这也是目前不便详细披露的原因。
接下来,我们先聊聊这款扑翼无人机的自身构造。
无论从远处观察还是近距离端详,西工大的“信鸽”无人机都与真实鸟类几乎无异。不仅人类肉眼难以分辨,就连老鹰也会被它迷惑。
由于西工大新校区地处秦岭山脚下,周边常有猛禽活动。在几次飞行测试中,曾有一只老鹰飞过来试图捕捉这只“鸟类”,科研人员见状立即操控无人机降落。
降落后检查发现,无人机机身被老鹰的爪子抓破了几个口子,好在整体损坏程度较轻。想必这只老鹰也颇为沮丧,耗费了不少力气,最终却没能捕获到食物。
西工大“小隼”扑翼无人机
仿生外形带来的超强隐蔽性,是扑翼无人机最直观的优势之一,使其不易被发现。
若将其应用于军事领域,无论是通过肉眼观察,还是借助光电探测设备,这款无人机看起来都与普通鸟类无异。当你误以为它只是一只鸟时,实际上已经处于它的侦察范围之内。
即便未来将其发展为察打一体机型,甚至可能出现这样的场景:电台中传来急促的英语呼喊——“sirweareunderattackbybirds”(长官,我们正遭到鸟类攻击!)。对比俄乌战场上仍以传统方式作战的无人机,在具备信息化作战能力的军队手中,这类扑翼无人机的作战威力还将大幅提升。
当然,目前这款扑翼机的机身尺寸有限,无法搭载过多载荷,也不能配备战斗部。但仅搭载侦察模块与通讯模块,其性能已经足够满足需求。而且随着技术不断成熟,未来它的机身尺寸可能会进一步扩大,功能也将更加全面。
我军测试侦察扑翼机
伪装能力只是扑翼机的优势之一,它还具备飞行效率高、机动灵活、噪音小等诸多特点。
鸟类的飞行效率极高,若按同等重量计算,远超人类设计的各类飞机。
例如,体重不足半斤的北极燕鸥,每年都会从格陵兰岛迁徙至南极,单次迁徙飞行距离超过一万公里,其续航效率令人惊叹;
体重几十斤的大雁,一次升空就能连续飞行上千公里,而同等重量的无人机,飞行一百公里左右就会耗尽电量。以塞斯纳172飞机为例,其航程可达1200公里,但机身重量已是大雁的一百倍,飞行效率也相差一百倍。
事实上,在人类发明固定翼飞机之前,最早尝试的航空方案便是扑翼机。当时人们会在双臂上绑上大型翅膀,脚下穿上旱冰鞋,尝试实现滑翔飞行,但所有尝试均以失败告终。要模仿鸟类的扑翼飞行方式,面临的技术难题极多,对人类工程学而言堪称巨大挑战。
首先是空气动力学原理的应用。表面上看,鸟类只是简单地扇动翅膀,但实际上,鸟类依靠几十块肌肉与羽毛的复杂配合,不仅要产生向上的升力,还要形成推动前进的动力,同时维持飞行姿态的平衡与稳定。
扑翼机风洞试验
此外,在有风的环境下,鸟类还能适当借助风力进行滑翔。这一复杂过程直接涉及多个学科领域:
机翼快速扇动产生大量局部不稳定气流,这属于非定常空气动力学的研究范畴;
机翼高频拍打容易导致材料疲劳损坏,这是材料科学需要解决的问题;
要精准控制飞行姿态,就必须对机翼的每个弯曲程度进行精细调节,这涉及控制理论与算法优化领域……
每个问题的解决,都需要大量的实验数据支撑与复杂的计算分析。
西方国家很早就意识到研发扑翼机的难度极大,从国家层面基本放弃了相关研究,导致扑翼机的续航时间长期停留在几分钟到十几分钟的水平。
但在过去二十年里,中国在航空航天领域不断积累技术实力,扑翼机、爆震发动机等新概念装备逐渐从理论走向现实,目前的研究进展已明显超越西方。
扑翼机的仿鸟类前缘设计
我在西北工业大学就读期间,曾亲眼见过学长测试扑翼无人机。当时那款机型的续航时间可能只有十几分钟,在云天苑的操场上低空飞行。
如今十几年过去,扑翼机的续航时间已提升至3小时,技术上具备了实际应用价值,未来发展潜力巨大。
本文所用图片中,除了“信鸽”无人机,还有另一款“小隼”无人机。这是西工大另一个科研团队的研究成果,设计同样精巧。
当年参与无人机创新竞赛时,赛场上不仅有扑翼机,还有滚翼机、折叠翼、伸缩翼等多种新概念机型设计。
实际上,这些设计概念中,大部分美国NASA都曾研究过,但美国不会向我们共享相关数据。因此,我们必须自主开展所有研究与测试,才能判断不同技术路线的优劣。西北工业大学之所以能成为中国军工领域的核心力量,正是凭借一代代西工大学子通过大量计算、反复实验积累的技术成果。
西北工业大学的校风可概括为四句话:基础扎实,工作踏实,作风朴实,开拓创新。
这十六个字没有华丽的辞藻,却极具实用性,如同当年红军作战的实用口诀,能切实指导实践。
除了扑翼无人机,西北工业大学近期还取得了多项新成果。其中包括仿生魔鬼鱼无人机,它模仿蝠鲼的外形设计,可实现连续60天航行,潜行距离达几千公里,目前已在南海开展测试工作。
另一项公开成果是新一代爆震发动机,该发动机已安装在大型航模上进行飞行测试,未来有望成为空天飞机的动力系统。
当然,值得肯定的并非只有西北工业大学一所高校。北京航空航天大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都是国内老牌航空航天院校;清华大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学等顶尖高校,也早已开设航空航天相关学院与专业。我曾有幸与这些高校的团队同台参与竞赛,他们的技术实力都十分出色。
正是由于众多科研人员投身航空航天领域,形成了技术竞争氛围,无论是在大众舆论层面,还是科研学术圈,都掀起了一股航空航天热潮。崇尚科技的社会风气,对国家与民族的发展而言,无疑是一件好事。
我们常提及“内卷”一词,当前无人机行业的“内卷”现象就十分明显。消费级无人机市场呈现一家独大的格局,但其他细分市场的竞争异常激烈,军用与民用领域的技术迭代速度都在加快。
十五年前,四轴无人机的控制算法仍是行业内的技术难题,许多小型团队与企业都在全力攻关。当时没人能预料到,如今多旋翼无人机市场的竞争会如此激烈。早期进入市场的企业获得了丰厚红利,而后期入局的企业只能分得少量市场份额。
那么十五年后,无人机领域又会呈现怎样的景象?
别说十五年后,即便五年后的技术发展方向,也没有人能准确预测。
但有一点始终不会改变,那就是必须像过去一样,持续投入技术攻关。
虽然目前扑翼机还存在机身重量难以提升、材料技术有待突破等问题,但谁能保证未来不会实现突破呢?如果未来扑翼机能够像蜂鸟一样实现悬停,像大雁一样完成长途飞行,即便无法发展为载人机型,小型无人机市场本身难道不具备巨大潜力吗?
我并非认为扑翼机一定能在市场上实现大规模应用,但它无疑代表了无人机的下一种发展形态,其潜力绝不能被轻视。
更何况,仿生学领域如同一个巨大的宝库。地球经过亿万年演化形成的生物特性,每一项都值得人类科技深入研究,甚至能为技术突破提供方向。
人类模仿苍蝇的复眼结构,研发出了相控阵雷达;模仿萤火虫的发光原理,发明了日光灯;模仿青蛙眼睛追踪飞虫的能力,制造出了电子蛙眼,如今每个机场都配备了这类设备。现在若有人质疑模仿鸟类飞行的价值,显然缺乏长远眼光。
对于任何一项新技术,我们都不应轻易否定其价值,即便目前发现它暂无实际应用场景,至少相关研究也是一次有意义的试错过程。
例如,日本在新能源发展道路上曾出现方向偏差。他们在技术细节上做得十分完善,却将大量资源投入氢燃料电池技术领域。如今我们已经认识到这条路线存在的问题,就能避免重蹈覆辙。氢能源本身具有发展前景,国内并非没有开展相关研究,只是没有将其作为电动汽车的主要发展方向。
回到本文主题,无人机的又一种新形态——扑翼机,已经实现了3小时的持续飞行。如果你认为这项技术不值得关注,完全可以直接划走。
但既然你已经读到这里,不妨思考其背后的本质,或许就能理解我们为何要关注这些科技前沿成果。
没有人能精准预测下一个科技风口的方向,但当所有人都意识到风口来临时,风口实际上已经结束。
唯有开阔视野,着眼长远,才是推动发展的正确路径。