| Máy bay không người lái giao hàng đầu tiên trên thế giới Khi máy bay không người lái hợp sức: Đòn bẩy mới cho công nghiệp Máy bay không người lái có thể đậu trên các cành cây với thiết kế cánh ôm |
 |
| Cánh máy bay lượn lấy cảm hứng từ loài chim. Ảnh: Interesting Engineering |
Phát triển máy bay không người lái có thể giao hàng hoặc tuần tra trong không gian cao và hẹp
Máy bay không người lái đã trở thành công cụ thiết yếu cho việc giao hàng, kiểm tra và ứng phó khẩn cấp. Tuy nhiên, thiết kế của chúng vẫn bị chia rẽ giữa hai thái cực. Cụ thể, máy bay không người lái cánh quay, giống như máy bay bốn cánh quạt, nhanh nhẹn nhưng tiêu hao năng lượng nhanh chóng; Máy bay không người lái cánh cố định bay xa hơn với công suất thấp hơn nhưng lại thiếu sự linh hoạt cần thiết khi gặp không phận đông đúc hoặc gió mạnh.
Chính sự chênh lệch giữa hai thái cực đã tạo ra một khoảng trống cho các kỹ sư đang tìm kiếm máy bay không người lái kết hợp giữa độ bền và độ chính xác.
Bằng cách nghiên cứu độ chính xác của các loài chim săn mồi, các nhà nghiên cứu khoa học đã phát triển máy bay không người lái cánh cố định có thể chuyển hàng qua các tòa nhà chọc trời hoặc dễ dàng kiểm tra các trang trại gió ngoài khơi. Dự án này có tên “Learning2Fly” nghiên cứu cách chim cú và các loài bay chính xác khác di chuyển trong không gian chật hẹp.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, những động tác tương tự có thể cho phép máy bay không người lái cánh cố định đậu, luồn lách qua không phận hỗn loạn và giữ ổn định trong điều kiện gió khó lường.
Tiến sĩ Olaf Marxen, giảng viên cao cấp tại Đại học Surrey cho biết: “Thiên nhiên đã giải quyết được nhiều thách thức mà chúng ta gặp phải trong lĩnh vực bay không người lái. Chim săn mồi có thể thực hiện những động tác cực kỳ chính xác trong môi trường phức tạp, và chúng tôi đang áp dụng những bài học đó để chế tạo máy bay không người lái cánh cố định thông minh hơn, nhanh nhẹn và phù hợp hơn với các thành phố có nhà cao tầng hoặc điều kiện gió thay đổi nhanh chóng”.
Ông cho biết thêm, nhóm đang kết hợp dữ liệu chuyến bay thử nghiệm với máy học để giúp máy bay không người lái dự đoán và kiểm soát chuyển động theo thời gian thực. “Các mô phỏng truyền thống như động lực học chất lưu tính toán không hiệu quả trong môi trường hỗn loạn và tốn kém, do đó bước tiếp theo của chúng tôi là tinh chỉnh mô hình dự đoán và thử nghiệm ngoài trời”, ông chia sẻ.
Máy bay không người lái cánh cú đã được đưa vào thử nghiệm
Thay vì chỉ dựa vào các mô hình máy tính, các nhà nghiên cứu đang tiến hành các thí nghiệm thực tế. Các nhà khoa học đã thí nghiệm ghi hình chuyển động và theo dõi các nguyên mẫu máy bay nhẹ được chuyển thể từ máy bay đồ chơi. Các cảm biến tích hợp và camera tốc độ cao ghi lại chuyến bay của chúng theo ba chiều. Sau đó, nhóm nghiên cứu đưa dữ liệu này vào một mô hình học máy có thể dự đoán hành vi của máy bay không người lái mà không cần mô phỏng khí động học tốn kém.
Quá trình này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát chính xác cách máy bay không người lái phản ứng với những thay đổi đột ngột trong không khí hoặc chướng ngại vật. Mỗi thử nghiệm sẽ xây dựng một bộ dữ liệu phong phú hơn, giúp mô hình dự đoán thông minh và đáng tin cậy hơn.
Theo thời gian, phương pháp thử nghiệm này sẽ giúp khắc phục một trong những thách thức lớn nhất trong quá trình phát triển máy bay không người lái, sẵn sàng với một loại máy bay hoạt động trong điều kiện không phận phức tạp và khó lường.
Phương pháp này hướng đến sự cân bằng giữa hiệu quả và tính linh hoạt. Nếu thành công, máy bay không người lái có thể xử lý được trong môi trường đô thị đông đúc mà vẫn duy trì được tầm bay và độ bền của máy bay cánh cố định.
Hướng tới triển khai thực tế
Kết quả ban đầu cho thấy nhiều hứa hẹn. Các nhà khoa học đã trình bày một số phát hiện ban đầu và nhận thấy máy bay không người lái của nhóm hoạt động rất tốt.
Tiến sĩ Owen Wastell, trưởng nhóm dự án chia sẻ, trong thời đại máy móc và công nghệ tiên tiến, vẫn có nhiều cách cho các nhà khoa học hướng tới và học hỏi từ môi trường tự nhiên.
Ông cho biết, giai đoạn tới, nhóm nghiên cứu sẽ đưa các thí nghiệm ra ngoài trời. Họ hy vọng, những thử nghiệm này sẽ chứng minh máy bay không người lái có thể thích ứng với sự thay đổi của gió, nhiễu động và các chướng ngại vật di chuyển. Thành công sẽ mở đường cho một thế hệ máy bay không người lái mới nhanh nhẹn, hiệu quả, có thể xử lý cả môi trường đô thị đông đúc và các nhiệm vụ ngoài khơi xa xôi.
Với “Learning2Fly”, các kỹ sư Đại học Surrey mong muốn thu hẹp khoảng cách giữa sức bền và sự nhanh nhẹn, đưa máy bay không người lái đến gần hơn với khả năng linh hoạt của loài chim đang bay.
Tổng quan về máy bay không người lái cánh cố định trên thế giới 1/ Máy bay không người lái (drone) cánh cố định (Fixed-wing UAV): Là loại drone có cánh cố định, giống máy bay, tạo lực nâng bằng cách di chuyển về phía trước, cho phép bay xa, bay cao và hoạt động hiệu quả trong thời gian dài hơn so với các loại drone nhiều cánh quạt. Chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ như khảo sát, lập bản đồ, giám sát và cứu hộ trên diện rộng. Tuy nhiên, loại này cần không gian rộng để cất cánh và hạ cánh. Để khắc phục nhược điểm này, các máy bay không người lái cánh cố định VTOL (Vertical Take-Off and Landing) lai đã ra đời, kết hợp khả năng cất hạ cánh thẳng đứng với hiệu suất bay tầm xa của cánh cố định. Đặc điểm của máy bay không người lái cánh cố định: Có cánh cố định giống máy bay, không có cánh quạt quay như drone đa cánh quạt. Nguyên lý hoạt động: Tạo lực nâng bằng chuyển động về phía trước, nhờ hình dạng khí động học của cánh. Ưu điểm: Bay xa và lâu. Có thời gian bay dài hơn, phạm vi phủ sóng rộng hơn và tốc độ cao hơn; Tiết kiệm năng lượng vì chỉ cần năng lượng để di chuyển, không cần để giữ thăng bằng; Có thể mang tải trọng lớn hơn. Hạn chế: Về cơ bản, máy bay không người lái cần đường băng và không gian rộng để cất và hạ cánh; Không thể đứng yên hoặc lơ lửng tại một vị trí. Ứng dụng phổ biến: Khảo sát và lập bản đồ ở các khu vực rộng lớn; Giám sát nông nghiệp; Theo dõi các khu vực rộng để giám sát môi trường, an ninh; Thực hiện các hoạt động tìm kiếm trên diện rộng; Thu thập thông tin tình báo tầm xa và nhận thức tình huống chiến lược. 2/ Tương tự như máy bay có người lái, máy bay không người lái có thể được phân loại dựa trên cấu trúc bề mặt tạo lực nâng: Máy bay không người lái cánh cố định, cánh gắn vào thân máy bay, có thể có bánh phụ hoặc bánh lái để điều khiển xoay. Ví dụ như máy bay không người lái JUMP 20 của AeroVironment, với thiết kế độc đáo kết hợp khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL) với hiệu suất của cánh cố định, cho phép bay lơ lửng và cất cánh mà không cần đường băng. Máy bay không người lái cánh quay, cánh quạt quay quanh cột buồm trung tâm, đẩy không khí xuống dưới và tạo lực nâng thẳng đứng cần thiết để máy bay cất cánh. Tất cả máy bay cất hạ cánh thẳng đứng (VTOL) đều thuộc loại này, bao gồm cả trực thăng cỡ nhỏ và lớn, cũng như máy bay trực thăng nhiều cánh quạt. Máy bay không người lái cánh quay có thể có một cánh quạt hoặc thậm chí lên đến 16 cánh quạt tạo lực đẩy. Loại này cho phép bay lơ lửng, có thể vận hành nhiều nhiệm vụ, nhưng nhược điểm là thời gian bay ngắn và cần nhiều năng lượng nên hạn chế tầm bay. Máy bay không người lái nâng bằng động cơ. Ví dụ, máy bay không người lái Skywalker X8 tiltrotor. Sản phẩm có động cơ nằm ở vị trí trung gian hấp dẫn giữa máy bay không người lái cánh cố định và máy bay không người lái cánh quay, sử dụng các yếu tố của cả hai để hoàn thành chuyến bay. Rotor được sử dụng cho cất cánh và hạ cánh kiểu VTOL, sau đó khi đã bay lên, máy bay chuyển sang hệ thống đẩy kiểu cánh cố định hướng về phía trước. Nhờ đó, chúng được hưởng lợi từ yêu cầu không gian thấp của máy bay không người lái cánh quay, đồng thời có tính khí động học và hiệu suất được cải thiện của máy bay cánh cố định. Có một số loại máy bay không người lái có động cơ nâng, cụ thể là máy bay có cánh quạt nghiêng, máy bay có cánh quạt nghiêng và máy bay không người lái có hai bộ cánh quạt vuông góc. Đối với máy bay không người lái cánh quạt nghiêng, bản thân cánh quạt xoay để chuyển đổi từ lực đẩy thẳng đứng sang lực đẩy ngang trong khi bay. Skywalker X 8 VTOL là một ví dụ điển hình, với ba cánh quạt chuyển đổi giữa chế độ trực thăng và cánh cố định. Chúng có thiết kế hơi khác một chút, máy bay cánh nghiêng trải qua quá trình chuyển đổi trong khi bay ấn tượng hơn vì cánh quạt được gắn cố định vào chính cánh, do đó toàn bộ cánh sẽ quay trong quá trình chuyển đổi từ trạng thái cất cánh sang bay về phía trước. Máy bay cánh nghiêng và máy bay cánh nghiêng cũng được gọi là máy bay chuyển đổi vì chúng có thể chuyển đổi từ cấu hình này sang cấu hình khác. Loại thứ ba mô tả máy bay không người lái sử dụng bộ cánh quạt vuông góc để cất cánh và bay về phía trước, không xoay hay thay đổi vị trí. Trong trường hợp này, một bộ cánh quạt chỉ được sử dụng để cất cánh và hạ cánh, trong khi bộ cánh quạt vuông góc chỉ được sử dụng trong các phần của chuyến bay cần lực đẩy về phía trước. 3/ Máy bay không người lái có thể sử dụng nguồn năng lượng từ điện, năng lượng mặt trời, khí đốt, hybrid, hydro và sạc bằng laser. Ở đầu kia của quang phổ, máy bay không người lái chạy bằng khí đốt đã trở thành nhân tố chính trong việc thực hiện các nhiệm vụ đường dài. Trong khi động cơ điện hiệu quả hơn động cơ đốt trong, xăng có mật độ năng lượng cao hơn pin LiPo khoảng 50 lần, do đó vẫn duy trì được lợi thế về năng lượng. Có một số loại nhiên liệu có thể sử dụng cho máy bay không người lái chạy bằng xăng, chẳng hạn như xăng không chì, dầu động cơ hai thì, xăng nitro và dầu diesel. |
Nguyễn Hạnh (Tổng hợp và dịch)
