【技术】NASA可折叠探测机器人，DARPA测试小型“垂直起降试验飞机”

2017-04-30 学术plus

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NASA受折纸启发研制可折叠探测机器人

美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）受折纸启发，正在开展“弹立式平面可折叠探测机器人”（PUFFER）研究。近一年半来，JPL已在加州莫哈韦沙漠、南极洲的雪山等陡坡或沙丘地带开展了多次试验。充分验证了PUFFER在恶劣甚至危险环境下的行动、探测能力。

图 1 PUFFER微小型探测机器人

PUFFER采用印刷电路板技术，将控制装置、电子设备、探测器等全部集成在电路板上，无需采用任何紧固件或其他零件，结构更加紧凑。同时，PUFFER装有两个可折叠轮子，能根据不同环境更换轮子类型，执行攀爬斜坡、进入狭缝等任务。此外，PUFFER的尾部结构有助于探测器保持平衡，腹部的装有太阳能帆板可翻转探测器并接受太阳能充电。

图 2 PUFFER折叠双轮驶入狭缝过程

PUFFER继承了“海盗”、“探路者”和“凤凰”等火星探测器的相关技术。如：PUFFER的主体结构上覆盖了一层诺梅克斯（Nomex）纤维，具有较强的隔热性能，可确保PUFFER在高温条件正常作业。近期，JPL正在为PUFFER测试类似火星环境下的任务执行能力。

图 3 PUFFER攀爬陡坡

目前，JPL已实现蓝牙遥控PUFFER行驶，未来，JPL还将为PUFFER发展自主能力，使其能编队运行，协同开展科学探测活动。

PUFFER小型探测机器人具有质量轻、体积小、可爬坡、灵活性强等特点，在特种环境下具有广阔的应用前景，或将改变人类火星探测任务的实施途径。

图 4 研究人员在寒冷环境下蓝牙操控PUFFER

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DARPA小型“垂直起降试验飞机”成功完成样机测试

2017年4月4日，DARPA“垂直起降试验飞机”（VTOL X Plane）项目达到重要里程碑，成功完成样机垂直起降测试工作。该飞机由极光飞行科学公司开发与制造，开创性地使用了24个电动涵道式风扇（2个鸭翼上各安装3个、2个主机翼上各安装9个风扇），形成分布式混合电推进系统。当机翼和鸭翼上的风扇旋转至垂直工作状态时，可使飞机垂直起降、悬停，旋转到水平工作状态时，可使飞机水平飞行。

图 5 XV-24A倾转机翼飞机准备垂直起飞

VTOL项目的模型测试于2016年3月启动，第一阶段完成6次测试，内容包括垂直起降、悬停、飞行方向控制（包括横向平移和向后飞行）、航线导航以及自动着陆。随后，测试了机翼和鸭翼倾斜机制和飞行控制功能等。此次试验主要为了验证新型飞行器设计方案，为开发全尺寸飞行器的飞行与任务系统奠定基础。测试中样机展现出优异的飞行性能，在从垂直飞行转换至水平飞行过程中可以保持飞行高度不变。此外，本次测试也验证了分布式推进系统的空气动力学性能，以及3D打印塑料飞机结构、嵌入式电力推进技术等前沿技术。

后续极光飞行科学公司将全力研发全尺寸的VTOL飞行器—XV-24A倾转机翼飞机。全尺寸XV-24A将采用与小型样机相同的飞行与任务控制架构，并进行一定的补充和改进；混合型涡轴发动机驱动发电机为风扇单元供电，并结合电池系统为XV-24A供电。此外，各风扇单元将与发电机同步，保持转速一致，并通过调整螺距，实现转速可控。

图 6 XV-24A倾转机翼飞机升空示意图

XV-24A将重达5443公斤（小型样机仅为146公斤），飞行速度超过555公里/小时，具备悬停和垂直飞行能力，相较于直升机，悬停效率提升25%，巡航系统阻力损失降低50%。

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