混合無人機(jī)攜帶更重的有效載荷以獲得更遠(yuǎn)的距離

麻省理工學(xué)院校友Long Phan SM '99，PhD '12是一位技術(shù)創(chuàng)新者和企業(yè)家，擁有多項(xiàng)工程“第一”。

在20世紀(jì)90年代中期，Phan幫助建造了Draper小型自主飛行器，這是世界上第一架全自動(dòng)直升機(jī)。在21世紀(jì)初期在華爾街工作期間，他成為高頻交易系統(tǒng)的早期先驅(qū)，該系統(tǒng)由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)組成，可快速完成大量交易。

作為Top Flight Technologies的聯(lián)合創(chuàng)始人，首席執(zhí)行官和首席技術(shù)官，Phan現(xiàn)在是最早將混合氣體電動(dòng)無人機(jī)商業(yè)化的企業(yè)家之一。與無電池供電的無人機(jī)相比，這些無人機(jī)的范圍，有效載荷尺寸和功率都有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加。

今年秋季上市后，混合動(dòng)力無人機(jī)可以幫助實(shí)現(xiàn)無人機(jī)包裹交付，并增強(qiáng)作物成像，軍事監(jiān)視，應(yīng)急響應(yīng)和遠(yuǎn)程基礎(chǔ)設(shè)施檢查等功能。隨著初創(chuàng)公司繼續(xù)開發(fā)混合動(dòng)力無人機(jī)動(dòng)力源，該技術(shù)也可為人類飛行鋪平道路。

“關(guān)鍵是擁有充足的動(dòng)力和總能量。這就是汽油和汽油給你的東西，”潘說。“使用像汽油這樣的高能量密度能源，并將其轉(zhuǎn)換為電能，并高效地運(yùn)行，為您提供相當(dāng)于'超級(jí)電池'的能力。”

許多無人駕駛飛機(jī)使用電池，兩次充電之間飛行15至30分鐘，最大有效載荷為5磅。Top Flight的無人機(jī)可以飛行超過2.5小時(shí) - 最大可達(dá)100英里，最大可達(dá)20磅。

無人機(jī)可以針對(duì)任何數(shù)量的工業(yè)強(qiáng)度應(yīng)用進(jìn)行定制。發(fā)動(dòng)機(jī)重約17磅，可產(chǎn)生高達(dá)10千瓦的功率。它使用汽油來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)升降電機(jī)的動(dòng)力，保持備用電池充電，并為車載電子設(shè)備供電，包括計(jì)算，傳感器和通信設(shè)備。車載電池永遠(yuǎn)不需要充電; 用戶只需要重新加油氣罐并再次飛行。飛行控制可以在全自動(dòng)或半自動(dòng)模式下運(yùn)行。

隨著麻省理工學(xué)院幾位校友的聘用，這家初創(chuàng)公司正在悄悄地開發(fā)出一種100千瓦的混合動(dòng)力無人機(jī)，它可以提升100公斤 - 足以攜帶人或兩個(gè)人 - 長(zhǎng)達(dá)三個(gè)小時(shí)。美國宇航局，優(yōu)步和全球許多航空航天公司目前正致力于建造空中出租車，這些小型自動(dòng)駕駛飛機(jī)將在大城市中穿梭。但是，Phan說，這些只能在空中停留大約10分鐘。Top Flight的技術(shù)將使他們更加實(shí)用，可以將人們從樞紐轉(zhuǎn)移到樞紐。

“使用100千瓦的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，空中出租車等概念變得可行，”他說。“到2020年，你可能會(huì)看到一架無人機(jī)飛過一個(gè)人。”

“豐田普銳斯的天空”

Top Flight的故事開始于21世紀(jì)后期，當(dāng)時(shí)Phan被召回麻省理工學(xué)院兩次以解決不同的工程問題 - 這兩次都是導(dǎo)致初創(chuàng)公司的問題。

2009年，Phan的前顧問Sanjay Sarma，現(xiàn)任Fred Fort Flowers和機(jī)械工程Daniel Fort Flowers教授以及開放式學(xué)習(xí)副總裁，要求他參加博士項(xiàng)目，從事廣域熱成像研究。Phan的研究成為Phan和Sarma的創(chuàng)業(yè)公司Essess的核心，該公司使用熱成像屋頂鉆機(jī)部署汽車，創(chuàng)建房屋和建筑物的熱圖以檢測(cè)能量泄漏。

2014年，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室情報(bào)，監(jiān)視，偵察和戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)部門負(fù)責(zé)人羅伯特·辛接近Phan，請(qǐng)他幫助解決無人機(jī)的有效載荷和耐久性問題。

Phan和其他麻省理工學(xué)院的研究人員通過概念化和設(shè)計(jì)用于無人機(jī)的微型混合電動(dòng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)來解決這個(gè)問題。“我們說，'如果我們?yōu)樘炜罩圃熵S田普銳斯怎么辦?'”Phan笑著說道。

混合動(dòng)力電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)更容易在汽車中制造，因?yàn)槌渌?，重量和體積限制更少。無人機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)必須小巧輕便，同時(shí)提供相同的動(dòng)力。這產(chǎn)生了過度振動(dòng)和熱量的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。Phan說：“通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行它而變得很熱。”

使用各種傳熱和控制技術(shù) - 例如戰(zhàn)略性地結(jié)合小風(fēng)扇，散熱片和橡膠減震器 - 團(tuán)隊(duì)解決了這些問題，并最初在通用無人機(jī)上打了一個(gè)原型混合動(dòng)力引擎。他們的計(jì)算預(yù)測(cè)混合動(dòng)力無人機(jī)將飛行一小時(shí) - 但它飛行了將近2.5小時(shí)。

“燈泡熄滅了，”潘說。“我們當(dāng)時(shí)想，'你還可以用一架可以飛行數(shù)小時(shí)的無人機(jī)做什么?'”

Phan于2014年與Sarma和其他麻省理工學(xué)院的工程師一起創(chuàng)辦了這家創(chuàng)業(yè)公司，并在馬薩諸塞州馬爾登的一家遙控直升機(jī)業(yè)余愛好商店開展業(yè)務(wù)，然后于2016年在該市開設(shè)了一個(gè)獨(dú)立的總部。幾輪融資推動(dòng)他們到2015年，超過200萬美元的早期風(fēng)險(xiǎn)投資。

在過去幾年中，Top Flight繼續(xù)為微型混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)概念開發(fā)重大創(chuàng)新，稱為“數(shù)字變速箱”。用于垂直起飛飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，例如直升機(jī)，是復(fù)雜且難以管理的，由數(shù)千個(gè)機(jī)械部件組成。Top Flight的數(shù)字變速箱就像那些系統(tǒng)，但用電來控制一切。汽油運(yùn)行到小型發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電力，數(shù)字變速箱控制并以脈沖形式發(fā)送到電動(dòng)機(jī)和電子設(shè)備。Phan說，這使得動(dòng)力飛行變得更加簡(jiǎn)單和高效。

“通過向電機(jī)提供脈沖電流，我們可以控制電機(jī)的扭矩和每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，”Phan說。“我們可以......實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相同的優(yōu)勢(shì)，但它更高效，更具成本效益，并且可擴(kuò)展。”

在敏捷航空航天中巡航

今天，Top Flight在其所謂的“敏捷航空航天2.0”中運(yùn)行，這個(gè)術(shù)語代表從地面開始并上升到400英尺的無人機(jī)和微型衛(wèi)星的寶貴垂直范圍?？拷孛骘w行意味著大大增強(qiáng)了成像和傳感分辨率以及其他功能，例如通信。“如果你今天出去，那么敏捷航空航天中幾乎沒有任何事情發(fā)生，”Phan說。“但這對(duì)于空中出租車或檢查電力線，或進(jìn)行物流或交付最有意義。”

立即申請(qǐng)Top Flight的無人機(jī)功能可能包括檢查偏遠(yuǎn)地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施。一些美國公用事業(yè)公司已經(jīng)在檢查無人機(jī)，檢查電力線和管道，由于其偏遠(yuǎn)的位置，沒有例行檢查。Top Flight的無人機(jī)可以大大增加這些無人機(jī)的射程，同時(shí)降低成本并提高工人的安全性。他們還可以通過調(diào)查自然災(zāi)害后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的破壞來幫助災(zāi)前恢復(fù)和災(zāi)后恢復(fù)工作。

至于交付無人機(jī)，Phan表示Top Flight可以增加與增加范圍相關(guān)的整體價(jià)值。亞馬遜，谷歌，UPS和其他大型國際公司正在開發(fā)基于無人機(jī)的解決方案，可以將產(chǎn)品包送到消費(fèi)者家門口。但是他們僅限于攜帶一本教科書，可能還有30分鐘的續(xù)航時(shí)間，限制了他們的射程。

“通過將范圍增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，與傳統(tǒng)的電池?zé)o人機(jī)系統(tǒng)相比，由于面積覆蓋范圍的增加，可以獲得100倍的價(jià)值，”Phan說。“[交付無人機(jī)]不僅僅是一個(gè)噱頭。它們很快就會(huì)變得可行。”

Phan說，Top Flight的無人機(jī)也有望改善軍事任務(wù)。一群1000架小型無人機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間部署，以類似于單一大型軍用飛機(jī)的成本收集偵察數(shù)據(jù)。

當(dāng)Top Flight完成其100千瓦的混合動(dòng)力電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，同樣的概念也可用于運(yùn)輸，例如，油桶，分為較小的數(shù)量，用于危險(xiǎn)區(qū)域的軍事車隊(duì)。通常，由于運(yùn)輸成本和道路上的各種風(fēng)險(xiǎn)，這種類型的運(yùn)輸是昂貴且危險(xiǎn)的。Phan說：“你可以使用許多無人機(jī)以100公斤的增量運(yùn)載小型載荷，而不是攜帶非常大的載荷。”

目前，Top Flight在其微型混合動(dòng)力系統(tǒng)中使用內(nèi)燃機(jī)。展望未來，該公司的目標(biāo)是與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)混合，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用于為噴氣式飛機(jī)和直升機(jī)提供動(dòng)力。“熱量和振動(dòng)問題將被放大，但同時(shí)它們比同等大小的內(nèi)燃機(jī)更強(qiáng)大，能效幾乎高出100%，”Phan說。“這是我們的下一個(gè)挑戰(zhàn)。”