پهپادها هنوز با مشکلاتی اساسی در طراحی روبه‌رو هستند. در این صنعت، پهپادهایی که بسته‌های حجیم را به‌سرعت در فواصل طولانی جابه‌جا می‌کنند، تفاوت‌های عمده‌ای با پهپادهایی دارند که در فضاهای کوچک پرواز می‌کنند. یکی از تفاوت‌های اصلی آن است که مدل اول به بال‌های ثابت نیاز دارد و مدل دوم با پره پرواز می‌کند.

مشکلات گفته‌شده به طراحی پهپادهایی با ترکیب ۲ طراحی مذکور منجر شد. آن پهپادها با هدف بهره‌برداری از ترکیب مزایای دو نوع طراحی بال‌های ثابت و پره (روتور) طراحی شدند. به‌عنوان مثال، پهپادهایی با قابلیت عمودپرواز و تغییر حالت به پرواز افقی طراحی شدند. در فهرست این نوع طراحی‌ها، پهپادهایی با سیستم‌های پره‌ای با قابلیت تغییر زاویه نیز قرار گرفتند. به‌علاوه، پهپادهایی به‌صورت ۴ پره‌ای نیز طراحی شدند که با اتصال به بال‌های ثبات، توانایی اوج‌گیری و فرودآمدن عمودی را داشتند.

این طراحی‌ها همگی تاحدودی کاربردی بودند؛ اما همه‌ی آن‌ها هزینه و وزن و پیچیدگی غیرضروری را به محصول اضافه می‌کردند تا بتوانند همه‌ی کارایی‌های موردنیاز را از پهپاد به‌دست آورند. یکی از استارتاپهای مستقر در آفریقای‌جنوبی با نام پسرین (Passerine) ایده‌ی بهتری برای پهپادهای ترکیبی ارائه کرده است. این استارتاپ از فعالیت پرنده‌ها برای طراحی محصول خود استفاده کرد. در تعریف ساده، از بال‌های ثابت برای پرواز و از پاها برای فرودآمدن و اوج‌گرفتن بهره برده می‌شود.

تصویر پایین، رندری از پهپاد شرکت پسرین را نشان می‌دهد که با نام اسپارو (Sparrow) به‌معنای «گنجشک» طراحی شد. اولین نکته‌ای که در طراحی این پهپاد توجه را جلب می‌کند، همان پاها هستند که در این مقاله‌ی زومیت، به آن خواهیم پرداخت. البته، طراحی بال‌ها نیز ویژگی‌های خاص خود را دارد که باید به جزئیات آن اشاره کنیم. موتورهایی که در بالای بال‌ها قرار گرفته‌اند، آن‌ها را به بالی با ترکیب دمندگی تبدیل می‌کند.

هوایی که با جریان بالا و استفاده از دمنده‌ها در بال‌ها جریان پیدا می‌کند، نیروی لیفت (برآر) ۲ تا ۳ برابر بال‌های عادی ایجاد می‌کند. ازآنجاکه هوا ازطریق موتورها ایجاد می‌شود، حتی با حرکت کم هواپیما نیز نیروی لیفت را شاهد خواهیم بود. چنین روندی، برخلاف بال‌های سنّتی و نیروهای لیفت آن‌ها است که به حرکت سریع‌تر هواپیما وابسته هستند. مزیت نهایی آن است که هواپیما یا پهپاد مجهز به بال‌های دمنده، با سرعت بیشتری فرایند اوج‌گرفتن و فرودآمدن را انجام می‌دهند و به فضای کمتری نیاز دارند. به‌علاوه، آن‌ها پیش از فرودآمدن با سرعت کمتری هم پرواز می‌کنند.

ایده‌ی استفاده از بال‌های مجهز به موتور دمنده، مخصوص استارتاپ پسرین نیست. پیش از آن‌ها، شرکت اوکراینی «آنتونوف» هواپیماهایی با طراحی مشابه تولید کرده بود. به‌علاوه در دهه‌ی ۱۹۷۰، ناسا نیز انواع مجهز به دمنده را با عنوان کیواس‌آرای (QSRA) معرفی کرد.

بال‌های مجهز به دمنده هیچ‌گاه به شهرت و کاربرد آن‌چنانی در دنیای هوافضا دست نیافتند. دو دلیل اصلی این امر عبارت است از: ۱. هزینه‌ی گران ساخت و نگه‌داری از آن‌ها؛ ۲. خطر فراوان استفاده از این نوع طراحی. درواقع، ازآنجاکه موتور نیروی لیفت موردنیاز را تأمین می‌کند، از‌دست‌دادن یکی از آن‌ها خطر‌های زیادی در مراحل اوج‌گرفتن و فرودآمدن به‌همراه خواهد داشت. البته، دلیل اصلی استفاده‌نکردن از بال‌های مجهز به موتور آن است که نیازی به آن‌ها احساس نمی‌شود. فضاهای دردسترس هواپیماها به‌اندازه‌ای بزرگ و دردسترس هستند که به اجرای آن استراتژی و به‌جان‌خریدن خطر‌های آن احتیاجی نیست.

ضعف‌های بال‌های مجهز به دمنده برای پهپادها کم‌اند. در ابعاد کوچک، نگه‌داری بال‌های مجهز به موتور بالایی آسان‌تر می‌شود. البته، خطر از‌دست‌دادن یکی از موتورها در اوج‌گرفتن یا فرودآمدن هنوز به‌قوت خود باقی می‌ماند؛ اما ازآنجاکه محموله‌ها عموما باری هستند، خطرها کمتر می‌شود. به‌علاوه، برای اکثر پروازهای پهپادی زیرساخت وسیعی برای شروع پرواز یا فرودآمدن دردسترس نیست و اوج‌گرفتن‌های کوتاه مزیت مهمی محسوب می‌شود.

بال‌های موتوری که پسرین در پهپاد اسپارو استفاده کرده، توانایی بلندکردن پهپاد بدون نیروی اولیه را ندارند. در این مرحله، پاها به‌کمک پهپاد می‌آیند. پاهای این پهپاد را می‌توان واحد نیروی محرکه‌ی قوی اولیه نامید که همیشه همراه آن هستند. آن‌ها به‌مدد نیروی فنر فعال می‌شوند و حدود ۸۰ درصد از نیروی اولیه‌ی موردنیاز پهپاد را تأمین می‌کنند.

پاهای اسپارو پس از اوج‌گرفتن زیر بدنه‌ی آن جمع می‌شوند تا از ایجاد نیروی مقاوم ناخواسته در جریان پرواز جلوگیری شود. ادامه‌ی پرواز آن، شبیه به دیگر پهپادهای مجهز به بال‌های ثابت می‌شود. وقتی اسپارو به مقصد می‌رسد، پاها در روندی برعکس استفاده می‌شوند. پهپاد با استفاده از دمنده‌های موجود روی بال‌ها سرعتش را تاحدممکن کم و پاها را باز‌می‌کند و درنهایت، به‌عنوان جذب‌کننده‌ی شوک فرود از آن‌ها استفاده می‌کند.

سیستمی که این استارتاپ آفریقایی طراحی کرده، حداکثر استفاده را از مزایای پهپادی با بال‌های ثابت می‌کند؛ استفاده‌‌هایی همچون ظرفیت درخورتوجه ترابری، سرعت، مسافت و بازدهی فراوان. به‌علاوه، ظرفیت‌های مهم فرود پهپاد مجهز به پره نیز در محصول جدید پسرین به‌چشم می‌خورد. از همه مهم‌تر، طراحی هیبردی یا دوگانه‌ی خاصی نیز در آن به‌کار گرفته نشده است.

طراحی پهپاد اسپارو به‌گونه‌ای است که آن را برای برخی مأموریت‌ها نامناسب می‌کند. درواقع، این پهپاد توانایی مانور شبیه به پهپادهای موتوردار را ندارد و در مأموریت‌هایی همچون فیلم‌برداری، انتخاب مناسبی نیست. البته، چنین محدودیت‌هایی مانع از کار گروه پسرین نمی‌شود؛ چون آن‌ها هدفشان را بازار پهپادهای حمل‌ونقل بار و کالا درنظر گرفته‌اند. در آن بازار، توانایی جابه‌جایی بار، طول پرواز، سرعت و توانایی اوج‌گرفتن و فرودآمدن بدون نیاز به زیرساخت بزرگ، مزیت محسوب می‌شود.

در ادامه‌ی مطلب، مصاحبه‌ی متیو والی، بنیان‌گذار و مدیرعامل پسرین را می‌خوانیم.

لطفا توضیحی درباره‌ی فرایند آزمایش اوج‌گرفتن پهپاد دهید.

ویدئوِ آزمایشی با چهارچوب‌های آزمایشی انجام شده است. این ویدئو نشان می‌دهد برای شروع پرواز، نیروی لازم را فراهم می‌کنیم. البته، سیستم ادامه‌ی پرواز و اوج‌گرفتن نهایی روی فریم‌ها نصب نشده است. تغییر حالت از آنچه در ویدئوِ آزمایشی می‌بینید تا پرواز واقعی، همگی برعهده‌ی واحد کنترل خواهد بود. پس از این مرحله، پهپاد پاهایش را جمع می‌کند و با زاویه‌ی ۳۰ درجه به اوج‌گرفتن ادامه می‌دهد. در مراحل بعدی، نیروی لازم را موتورها تأمین می‌کنند و اوج‌گرفتن کامل می‌شود. البته، آن مراحل جذابیتی بیش از آنچه در ویدئوِ آزمایشی می‌بینید، ندارند.

پس از پرواز، پهپاد چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

در شروع پرواز، جهش به‌سمت بالا را مشاهده می‌کنیم. آن مرحله بسیار شبیه به شروع پرواز پرنده است. اکثر مردم نمی‌دانند پرنده‌ها در مرحله‌ی اول پرواز، از بال‌ها برای اوج‌گرفتن استفاده نمی‌کنند. اکثر نیرو و شتاب موردنیاز در مرحله‌ی اول، از جهش ابتدایی ایجاد می‌شود. اکثر پرنده‌های کوچک جهشی حدود 5g را برای رسیدن به‌سرعت لازم پیش از بال‌زدن انجام می‌دهند.

پهپاد ما نیز عملکردی تقریبا مشابه پرنده‌های کوچک دارد. پرش اولیه‌ی آن به‌منظور رسیدن به ارتفاع مدنظر نیست. هدف آن شروع پرواز پهپاد به‌سمت جلو است تا سرعتش از حداقل سرعت موردنیاز برای ادامه‌ی پرواز بیشتر شود. پس از رسیدن به آن سرعت، پهپاد مانند هواپیمای سنّتی به پرواز ادامه می‌دهد.

ایده‌ی پهپاد از کجا به ذهنتان رسید؟

پهپادی که قابلیت حمل بارهای بزرگ و سنگین داشته باشد، در دانشگاه و زمانی به ذهنم رسید که مشکل حمل‌ونقل را در آفریقا و مناطق بدون زیرساخت لازم پرواز حس کردم. آفریقای‌جنوبی اولین منطقه‌ای بود که از ۱۵ سال پیش و با هدف ارسال کالاهای پزشکی، استفاده از حمل‌ونقل با پهپاد را شروع کرد. درنهایت، پایه‌های اصلی و ظرفیت‌های موردنیاز برای پهپادم را درک کردم.

پس از نتیجه‌گیری نهایی مبنی بر نیاز به پهپاد با بال‌های ثابت، به این حقیقت رسیدم که در آفریقا و اکثر مناطق در‌حال‌توسعه‌ی جهان، زیرساخت لازم برای استفاده از هواپیماها و پهپادهای بال ثابت به میزان زیاد وجود ندارد. درنتیجه، به وسیله‌ی پروازی نیاز دارید که با حداقل زیرساخت فعالیتش را انجام دهد. سپس، ایده‌ی پاها به‌عنوان راهکاری به‌ذهنم رسید که برای اوج‌گرفتن و فرودآمدن بهتر از اتصال چند پره به پهپاد خواهند بود.

طراحی پاهای پهپاد چقدر به پاهای واقعی پرندگان نزدیک است؟

داستان جالبی در طراحی پاها رخ داد. ابتدا به طرحی رسیدیم که هیچ شباهتی به پاهای پرنده‌های واقعی نداشت. می‌دانستیم برای رسیدن به سرعت پرواز، به شتاب زیادی نیاز داریم. به‌مرور، هرچه به طراحی‌های با بازدهی بیشتری نزدیک می‌شدیم، طراحی نیز به پاهای واقعی شبیه‌تر می‌شد. پاهای کنونی که شباهت زیادی هم به پاهای واقعی دارند، نتیجه‌ی فرایند تکراری طراحی هستند. از ابتدا نمی‌خواستیم پاهایی شبیه به پرنده‌ها طراحی کنیم؛ اما در مسیر، متوجه شدیم این طراحی بهترین بازدهی را دارد.

مزیت پهپاد شما درمقایسه‌با رقبا چیست؟

تفاوت‌های متعددی دراین‌میان وجود دارد. حرکت اولیه برای اوج‌گرفتن و کسب نیروی لیفت، کمترین بازده را در بین مراحل پرواز دارد. با استفاده از طراحی‌مان آن بخش را تاحدودی حذف کردیم. درنتیجه، نیاز به انرژی و باتری‌های زیاد برای پهپاد ازبین رفت. به‌علاوه، همه‌ی بخش‌ها سبک‌تر شدند و درنتیجه، مسافت پرواز و حجم بار قابل‌جابه‌جایی نیز بیشتر شد.

طراحی شما چقدر بر مزیت رقابتی با دیگر تولیدکننده‌های پهپاد تأثیر گذاشت؟

مزیت ما به مأموریت و سیستم استفاده‌شده‌ی پهپاد بستگی دارد. البته، به‌صورت کلی بازدهی ما حدود ۱۰ درصد بیشتر از پهپادهای هیبریدی است. مزیت پهپاد ما ارتباط مستقیمی با مأموریت پهپاد دارد. در مأموریت‌های نظارتی با ارتفاع پایین، مزیت به ۱۰ درصد می‌رسد. در بحث تحویل کالا، مزیت چشمگیری داریم. در آن بخش، سرعت پهپاد اسپارو با مصرف انرژی مشابه ۵۰ درصد بیشتر از پهپادهای دیگر است. می‌توانیم کالا را با سرعت بیشتری تحویل و سریع‌تر به درخواست‌های اورژانسی پاسخ دهیم. درنتیحه، مزیت ما درمقایسه‌با پهپادهای هیبریدی کاملا بیشتر می‌شود.

متیو والی، بنیان‌گذار پسرین

سرعت بیشتر پهپاد شما از کجا به‌دست می‌آید؟

مزیت محصول ما در‌مقایسه‌با اکثر پهپادهای بال ثابت موجود، طراحی چیدمان موتورها است. با استفاده از این طراحی، نه‌تنها به‌سرعت کم‌نظیری می‌رسیم؛ بلکه توانایی کاهش درخورتوجه سرعت و آماده‌شدن برای فرود خودکار را نیز در اسپارو گنجانده‌ایم. این ترکیب، یعنی توانایی رسیدن به سرعت‌های زیاد و سپس، کاهش چشمگیر سرعت برای بهبود کنترل، مزیت اصلی ما درمقایسه‌با رقبا محسوب می‌شود.

از این سیستم در فرود هم استفاده می‌شود؟

با نگاهی ساده به شیوه‌ی فرود پرنده‌ها یا گلایدرها، می‌توان روند فرود اسپارو را نیز شبیه‌سازی کرد. در فرود، شتاب با بهره‌گیری از طراحی موتورها کاهش پیدا می‌کند. درواقع، سرعت در زمان فرود کاهش می‌یابد تا خطرهای آن به‌حداقل برسد. در مرحله‌ی آخر، پاها باز می‌شوند تا جلوی شوک وارده براثر ضربه به زمین را بگیرند.

توانایی فرود چقدر در طراحی اهمیت داشت؟

عقیده‌ی شخصی من بر آن است که فرود اهمیتی حیاتی در پرواز پهپاد دارد. وقتی محموله حساس یا حیاتی باشد، اهمیت فرود بیشتر می‌شود. به‌عنوان مثال، محموله‌هایی همچون خون نباید در زمان پرواز و فرود ضربه‌ی زیادی دریافت کنند. درواقع، آن محموله‌ها را باید با دقت فراوان به فرد مناسب و در محیطی امن تحویل داد.

می‌توانید چنین امنیتی را با مقدار بار زیاد تأمین کنید؟

بله، اعتماد زیادی به سیستم فرودی خود داریم.

طراحی شما ضعف هم دارد؟ به‌عنوان مثال، پاها وزن پهپاد را اضافه کنند یا کنترل خودکار آن بسیار پیچیده شود؟

مهم‌ترین ضعف طراحی ما آن است که توانایی مانور چندانی ندارد. دربرخی از مأموریت‌ها، به مانور در جهت‌های مختلف نیاز پیدا خواهید کرد. البته، هدف طراحی‌مان انجام آن مأموریت‌ها نیست. مشکل دیگر، قطعا وزن پاها است که بالاخره مقداری به وزن اصلی اضافه می‌کند؛ اما مشکل بزرگی محسوب نمی‌شود. سیستم کنترلی نیز پیچیده‌تر می‌شود؛ ولی مسئله‌ای حل‌نشدنی نیست.

می‌توان اعدادی کلی درباره‌ی سرعت و حجم بار و مسافت پرواز ارائه کنید؟

برای اولین پهپاد مدنظر که احتمالا از همه‌ی آن‌ها هم کوچک‌تر خواهد بود، سرعت ۱۲۰ کیلومتر‌برساعت را درنظر گرفته‌ایم. وزن بار نیز تا ۲ کیلوگرم برنامه‌ریزی می‌شود و مدت پرواز نیز تا یک ساعت خواهد بود. هدف بعدی ما رسیدن به وزن بار ۱۰۰ کیلوگرم با بال‌هایی به‌طول ۶ متر است. این هدف بزرگ‌ترین طراحی ما روی کاغذ محسوب می‌شود و در آینده‌ی نزدیک، به آن خواهیم رسید.

والی در مصاحبه‌‌اش عنوان کرد پسرین برنامه‌های ابتدایی خود را در سه‌ماهه‌ی دوم سال ۲۰۱۹ شروع می‌کند و در مکان‌های متعددی در آفریقا، برنامه‌های آموزشی اجرا خواهد کرد. آن‌ها هنوز موفق نشده‌اند فرایند پرواز کامل را انجام دهند؛ اما یک یا دو ماه آینده به‌عنوان هدف شرکت تعیین شده است.

پهپادها ظرفیت چشمگیری برای تبدیل به ابزارهای لجستیکی کاربردی در آفریقا دارند. به‌علاوه، باتوجه‌به وضعیت کنونی آن مناطق، به‌نظر می‌رسد توانایی برای اوج‌گرفتن و فرودآمدن در فضاهای کوچک، تأثیر زیادی روی کاربردی‌ترشدن آن‌ها داشته باشد؛ به‌ویژه در مناطقی که بیشترین نیاز را به پهپادها دارند، چنین قابلیتی حیاتی‌تر هم می‌شود. پسرین، تنها شرکت تولیدکننده‌ی پهپاد نیست که این ظرفیت‌ها را نشانه رفته است؛ اما آن‌ها یکی از شرکت‌های نوآور محسوب می‌شوند. به‌هرحال، باید منتظر نهایی‌شدن پهپاد شرکت پسرین باشیم و اولین پروازهای عملیاتی ظرفیت طراحی آن‌ها را بهتر نشان خواهد داد.