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垂直起降無人機──《知識大圖解》

起降無人機

本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號),全見版請點擊圖片放大。

從現今習以為常的直升機到未來世代的自動無人機,垂直起降科技已逐漸崛起並躋身主流。

打從人類開始夢想飛行之際,便開始想像替飛機加上垂直起降的功能;其中李奧納多.達文西(Leonardo da Vinci)就是這類科技的創始者之一,他手擬了一款現代最常見的垂直起降飛機──直升機。達文西的設計雖未經實際測試,也從未真的飛離地面,但這種俗稱「空氣螺旋槳」的機器採用螺旋設計,其實早已用上了壓縮空氣製造升力的基本原理。

自那時起,有一大票發明家都希望能將自己的原型機送上藍天,但接下來五百年間,垂直起降的科技似乎沒什麼進展。達文西的自轉旋翼機(gyrocopter)儘管已經落伍許久,這位義大利天才所採用的飛行原理基本上卻沒什麼改變。

二十世紀初可說是飛行世代的開端,1907年,法國的垂直起降科技終於順利通過測試,這可是史上頭一遭。飛行界的領頭先鋒雅各.寶璣(Jacques Breguet)、路易.寶璣(Louis Breguet)與保羅.柯努(Paul Cornu)發明了可以短暫低空盤旋的垂直起降飛機,垂直飛行技術首度向成功邁開了一小步。

接下來的數十年間,航空科技發展迅速,各式各樣的設計如雨後春筍般自世界各地湧現。第一次世界大戰期間,各國對於更新、更快、更有效率的戰機需求激增以便深入敵軍,因此直升機大抵上仍然不受重視,直到1940年代與第二次世界大戰期間,情勢才改觀。德國納粹早期會運用直升機進行偵察、運輸與傷患後送等任務,但直到1944年直升機才開始量產。

數百架由工程師伊戈爾.西科爾斯基(Igor Sikorsky)設計的R-4、R-5、R-6直升機在二戰最後一年間陸續完工出廠,提供同盟國部隊諸多支援,二戰剛結束時,垂直起降飛機更是聲名大噪。與達文西的自轉旋翼機不同,新型直升機的主旋葉可以迅速將空氣向下壓擠,製造出升空不可或缺的升力,尾端也有一組尾旋翼,可以避免直升機原地打轉。

隨著國際局勢陷入冷戰時期,許多人認為垂直起降飛機會是未來的趨勢。當時全球的確有遭受核子爆炸摧殘的可能性,災難一旦成真,所有可用跑道都將遭到摧毀,因此若有飛機能夠在任何地方隨時起降,必可稱霸天空。因此,美軍後來便陸續嘗試許多古怪的垂直起降飛機,如實驗性戰鬥機洛克希德XFV鮭魚機(Lockheed XFV Salmon),或甚至是受到飛碟啟發的飛行車(Avrocar),但絕大多數都失敗,計畫也隨之中斷,唯一成功挺過冷戰時期的只有英國航太公司(BAE)製造的海鷂戰鬥攻擊機。

海鷂機也叫鷂式戰鬥機,是第一款研發成功的垂直起降噴射機;四管向量噴嘴可以將噴射機的引擎推力導向90度內的任何角度,讓飛機能夠縱向、橫向飛行,在空中改變行進方向,或甚至滯空盤旋。

海鷂機具備了垂直起降能力,所以特別適合在航空母艦上執行任務,其渦輪風扇引擎由勞斯萊斯(Rolls-Royce)製造,搭配卓越的靈活性與先進武器系統,令人不敢小覷。

另一架於冷戰時期出線的飛機則是V-22魚鷹機。在貝爾與波音兩公司聯手之下,具備縱向推力的魚鷹運輸機搭載了兩組傾斜式旋翼,能像直升機一樣盤旋或垂直降落,也能轉換推進方式,像渦輪螺槳飛機一樣飛行。

魚鷹機的飛行距離超過740公里,能夠迅速運送30人的部隊,在美國海軍陸戰隊執行重大潛入與撤離任務時扮演了重要角色;魚鷹機甚至還能將25公尺長的機翼收攏,將機身縮到只剩5.6公尺寬,因此非常適合停放在航空母艦上。

時代不同,工程師須克服的挑戰也隨之不同。軍方現今面臨的問題除了製造飛機要經濟實惠,靈活性高,飛機還要具備智慧才行;未來軍火商與國防部會愈加重視將垂直起降科技應用到軍用無人機上。

雖然目前操控這些機器的電腦已經走在時代尖端,但讓機器升空與平安落地的物理學基本上並未改變。

不管是透過遠端遙控還是自動飛行,垂直起降無人機能完成的任務將相當多元,包括運輸、偵察或甚至發起攻擊。到目前為止我們已經介紹了幾項令人振奮的願景,這些都是航空產業中最棒也最聰明的發明,垂直起降科技勢必稱霸下個世代。

NASA垂直起降無人機正式啟航

美國航太總署(NASA)的混合式電動飛機別名「滑溜閃電GL-10」(Greased Lightning GL-10),翼長僅三公尺,但卻把垂直起降科技利用得淋漓盡致。十具獨立螺旋槳可加大垂直攀升的效率,接著機翼與尾板可一同傾斜改變角度,並轉為橫向飛行;兩具螺旋槳提供全部動力以節省能源,其他螺旋槳則依據空氣動力學的概念暫時收攏。

由於動力來自潤滑油般的燃料與電池電力,所以GL-10才得到滑溜閃電的別名。引擎採混合動力設計,代表這架飛機不會像一般的噴射機一樣笨重,機體設計自然俐落得多,能源消耗也減低不少。

GL-10原型機顯然體積太小,運輸酬載量不大,但NASA透露,GL-10屬於「無尺度」(scale-free)設計,亦即其重量與量度規格也能套用到更大的尺寸;也就是說,如果進一步測試順利,與GL-10相似的大型機種將愈來愈普及。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號)

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