美国研发新型铰链 提高军用四旋翼无人机飞行速度

美国研发新型铰链 提高军用四旋翼无人机飞行速度

美国陆军研究实验室最近公布了一项重大技术突破，研究人员开发出一种新型铰链系统，能够显著提升军用四旋翼无人机的爬升速度。同时，他们还开发了一个先进的轨迹规划器，可以优化无人机在悬停和前飞之间的过渡时间。这些技术进步将为未来军用无人机的设计和应用带来重要影响。

Jean-Paul Reddinger博士是美国陆军作战能力发展司令部（现称为DEVCOM，陆军研究实验室）的航空航天研究工程师，正在研究一个特大号床垫大小的四旋翼机从地面上升到两层楼楼顶的速度，尤其是对于像士兵这样的大的有效载荷。

雷丁格发明了一个铰链在叶根的四旋翼旁边的轮毂。桨叶的螺距随着桨叶的速度而改变。

他说，随着四旋翼机和类似飞机的规模扩大，旋翼桨叶的额外惯性使它们减速。

轻型电动机改变转子速度和推力可能需要很长的时间，这最终会影响飞行器的速度、航程和飞行稳定性，但有了这种耦合，推力对每分钟的转速（RPM）的变化更加敏感。

雷丁格说，不同之处在于，承载这些载荷的大型四旋翼机可以在两秒钟内爬升约25英尺，而不是没有铰链的三四秒。

雷丁格说：“四旋翼机到达目的地所需时间每减少一秒，敌人就可以少瞄准它一秒，而士兵等待它运送补给和情报的时间就少一秒。”当飞行员或飞行控制员要求更大的推力爬升时，飞机移动需要更多的时间。”

雷丁格说，如果他们能提高推力灵敏度，以改变转速，这将允许更大的控制权和更灵活。

陆军希望改善四旋翼无人机的性能
四旋翼直升机，通常被称为四旋翼或四旋翼机，是无人机系统家族的一部分，有两对反向旋转的旋翼和螺旋桨。这些飞行器可以悬停，向前飞行，并进行垂直起降，类似于直升机。

通用陆军无人机系统要求包括速度、灵活性、适应性以及提供实时监视和运载有效载荷的能力。

他说，这项发明很可能在不完全使用旋转斜盘和与之相关的重量惩罚的情况下提高灵活性。

当飞机转向过度时，升力的降低和阻力的增加可能导致飞行器突然坠落。这种现象被称为失速现象，促使许多无人机制造商在计划其飞行器的自主飞行动作时过于谨慎。

对于垂直起降尾随式无人机，大多数制造商都会对飞机进行编程，使其无论何时从悬停过渡到前飞，机身都会非常缓慢地转动，反之亦然。

美国陆军作战能力发展司令部（现称DEVCOM）陆军研究实验室与伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员合作，创建了一个轨迹规划器，大大缩短了垂直起降（VTOL）尾座无人机完成这一关键转变所需的时间。

该团队专门为陆军通用研究配置平台设计了弹道规划器，该平台是一种四旋翼双翼飞机尾翼观察器，用于测试新的设计特性和研究基本空气动力学。

“这项工作的目标是使用一个基于模型的轨迹规划器，它可以充分捕捉四旋翼机的动态特性，同时执行速度足够快，以提供飞行中的轨迹，”实验室车辆技术理事会陆军航空航天工程师Jean-Paul Reddinger博士说我们基本上是建立一个飞机自身动力学的动觉模型，供它参考。”

根据Reddinger的说法，VTOL的尾随者通常在悬停和前飞之间过渡时依赖一种基于启发式的方法，在这种情况下，他们遵循一组非常缓慢但非常安全的预定动作。相比之下，轨迹规划器可以为这些过渡找到适合于每种情况的最佳飞行动作顺序。

研究人员通过模拟飞行器旋翼尾迹和机翼空气动力学之间的独特相互作用，发现了这些更灵活机动的可行性。

雷丁格说：“如果这辆车在盘旋，机翼向上，转子在上面不停地旋转；如果你想让它向前移动，你就可以有效地将机翼拖平，顶住空气。”你可能会认为这会造成很大的阻力，但实际上，由于空气被吹到机翼上，实际上看不到很大的阻力。”

Reddinger说，由于旋翼的这种额外的下洗作用，垂直起降机尾机群能够在悬停和前飞之间进行比想象中更为激进的过渡。

通过仿真，研究人员发现，与传统方法相比，在轨迹规划器中加入旋翼对风尾迹干扰可以使CRC在一半的时间内过渡到悬停和着陆。

研究小组认为，轨迹规划器可能最终允许CRC在穿越密集区域或城市区域时智能地在悬停和向前飞行之间切换。

“现在，它处于一种状态，你给它一个你想要的初始状态，也许你有一个特定的高度或速度，它会画出一条路径，让你尽可能有效地从初始状态到所需的最终状态，”雷丁格说我们试图采取的方向是在其机动性上加入障碍物和其他种类的限制。”

Reddinger将CRC的自主行为与人类的自主行为进行了比较，以及我们对自身能力的了解如何使我们能够有效地从一个地方移动到另一个地方。

同样，在轨迹规划器中加入更复杂的飞行模型，将使轨道交通公司更好地了解飞行过程中复杂的空气动力学环境。

“例如，如果有一座建筑物挡在路上，飞越建筑物或环绕建筑物飞行更有意义吗？”雷丁格问道你是想过渡到建立速度，然后再过渡回来，还是你只是停留在悬停模式？有很多种可能性，我们的想法是始终挑选最好的一种。”

一旦弹道规划器进行更多的模拟试验，研究人员计划在开始飞行试验之前，将软件与硬件模型连接起来，以确保高水平的鲁棒性。

雷丁格认为，在悬停和前飞之间实现更快、更有效的过渡，最终将有助于陆军开发用于情报、监视和侦察任务以及空中补给行动的新型车辆。

雷丁格说：“为了充分利用新型配置的飞行能力，我们需要能够充分发挥这些飞机设计所允许的灵活性和性能的自主飞行员。”这种基于模型的轨迹规划方法是朝着高度自治与平台特定动力学相结合的方向迈出的一步。”

根据Reddinger的说法，人们通常以两种方式中的一种来设计响应性问题。他说，他们增加了一个旋转斜盘来主动控制桨叶的螺距，或者仅仅在飞机上安装小转子，就像八架直升机一样。

他说：“问题是，这两种解决方案的重量都更重，这意味着飞机无法携带那么多的装备、相机或电池。”

Reddinger在《高惯量电机转子节距-滞后铰链耦合》一文中讨论了铰链的推力响应降低30%。他最近在垂直飞行协会第76届年度论坛和技术展示会上展示了这些发现。