從工業設計看無人機的發展

何益超+林啟華

【摘 要】從1917年斯佩里空中魚雷（SperryAerialTorpedo）搭載300磅的炸彈完成首飛算起，無人機的發展已有百年的時間。而工業設計源自1919年德國魏瑪包豪斯學校的創立，距今也有近百年的歷史。在此期間，工業設計對無人機的發展產生了重要的影響，本文將通過工業設計的視角從產品的結構、功能、形態、用途等方面分析無人機的發展。

【關鍵詞】無人機；工業設計；發展

1 無人機的起源

無人機誕生于第一次世界大戰期間，在戰爭年代，每一項新技術的發展都是為了改變戰爭的形態。各國飛行員在使用飛機執行偵察、打擊、轟炸等任務時，面對著來自敵人空中火力，地面炮火的威脅，甚至自身飛機的機械故障都有可能讓飛行員有去無回，湛藍的天空成了眾多飛行員的墓地。隨著戰爭的進行，美國后來居上，在3年后的1917年，皮特·庫柏和埃爾默·A·斯佩里發明了第一臺自動陀螺穩定器，這項發明使得飛機在向前飛行的途中能夠保持平衡，他們利用這項技術成果將寇蒂斯N-9型教練機成功改造為斯佩里空中魚雷，并利用這款飛行器搭載炸彈飛行了50英里，這標志著無人飛行器的真正誕生，斯佩里空中魚雷也因此成為早期無人機的典型設計作品。

2 無人機功能及用途的發展

在功能創新設計中，創新可大可小，功能上的改進不一定能產生一個新的市場。有的功能創新只是對產品功能有微小的改變，但經過多次改進后就會有較大的突破，這是從量變到質變過程中的第一步。無人機的發展也不例外，在斯佩里空中魚雷誕生后幾十年的時間里，無人機的發展僅限于軍事領域，但是在智能化和多功能化的方向上進行了許多嘗試。1935年前的無人機機身與炸彈合為一體，執行完任務后不能再飛回起點循環使用，造成使用成本偏高。而“蜂王號”的發明，使無人機完成任務后能夠回到起點裝彈后再次發動攻擊，降低了無人機的使用成本。后一個具有典型代表性的作品是美國的先鋒系列無人機，它于1986年成功首飛，能夠通過攝像頭提供戰場的實時畫面，為作戰部署提供重要依據。這款無人飛行器的費效比高，滿足了美軍以低代價獲取目標的要求。先鋒號通過火箭助推起飛，為滿足海軍的需求，機體可以漂浮在海面上，從而通過海面降落的方式進行回收，使得無人機在軍事上的用途更加廣泛。

本世紀初無人機技術得到了廣泛的傳播，新一代的設計師和工程師從軍用無人機中汲取到了許多靈感，開發出了更適合普通民眾使用的無人機型號。新興科技的發展也讓民用無人機的性能更加優秀。1995年，全球衛星定位系統的到來使得飛行器可以用很小的天線接收衛星發出的訊號。除此以外，微機、數電、無刷電動機、傳感器等技術的革新，都推動了無人機功能的發展。起初，日本雅馬哈公司研發的無人機占據了領先地位。當地農民用無人機在稻田里噴灑農藥。日本農業部認為，使用無人機可以暫時緩解農村缺少勞動力的壓力。但無人機的用途絕不僅限于此，近十年以來，隨著多軸無人機的高速發展，以及無人機創新企業的崛起，從小型無人機的應用領域上來看，功能向航拍、搜救甚至物流等領域發展，市場空間大大拓展。特別是應用在航拍領域，航拍功能對無人機的穩定性、續航能力和載重能力提出了更高的要求。我國知名無人機企業大疆創新研發的專業航拍無人機已經具有了避障精準懸停、返航智能躲避障礙物、降落地形檢測、上升保護、智能返航等新功能，成為影視拍攝的主力軍。近年來無人機功能和用途不斷增加，技術要求不斷提高，市場潛力也隨之增加，未來無人機將在農業植保、電力石油管線巡檢、環境監測、應急指揮、災害防治、資源勘探和采集、交通巡邏、邊境巡視、生態環境保護、航空測繪、市政管理等方面發揮重大的作用。

3 無人機造型的發展

在無人機發展的初期，設計師并沒有為無人機設計專門的造型，多數初期研發的無人機都是直接在炸彈的基礎上安裝了部分飛行裝置，在發展的過程中逐步融入了普通飛機的造型特點。后來得益于計算機輔助設計技術在飛行器設計制造中的應用，實現了從概念到實體模型的一系列功能。它是一種現代的設計制造技術，對于外觀造型與機動能力、隱身性能聯系緊密的飛行器，采用計算機輔助設計技術能夠更方便的進行設計和生產。在航空工業中。計算機輔助進行總體設計參數優化有著眾多的好處，特別是能對眾多可行方案進行快速比較，尋找最佳方案。從而發掘方案潛力，設計質量得到提高，設計周期大幅縮短，設計成本有效降低。隨著空氣動力學的發展，出現了越來越多的特殊布局，就比如說我們熟悉的飛翼布局。它的造型就受益于計算機輔助設計，飛翼機型去除了傳統的圓管狀機身，其外形按照空氣動力學的研究成果進行優化，整個機體都變成了一個大的升力面，并且將去垂直尾翼等外形突起部件去除，使得飛行過程中的阻力減小，大大提高了升阻比。在固定翼無人機的造型悄然改變的同時，也有不少外觀新穎的無人機隨著時間的推移進入我們的視野。比如說多軸飛行器的出現和仿生形態設計在無人機設計中的運用。特別是仿生無人機的產生，仿生無人機是設計人員從鳥類、蝴蝶、蜜蜂等動物昆蟲形態中汲取靈感研發出來的飛行器，以撲翼飛行器為例，普通的旋翼無人機很難在城市里穩定飛行，因為城市里充滿了大樓，大樓間的空氣流動會產生很大的亂流。但研發人員發現鴿子能夠任意在城市中飛行，還能飛到無人機飛不到的地方。所以他們仿照鴿子的形態研制了一款無人機，它能夠自動起飛，翱翔和降落。它有著極佳的空氣動力學形態，翅膀能模仿鳥類進行上下撲打，還能扭轉一定的角度。

4 無人機結構的發展

早期的無人機受限于制造技術和設計水平，機體結構較為簡單，大多是由機體機翼構成的固定翼飛行器。很長一段時間后，隨著微機電系統研究的成熟和單片機速度的提升，多旋翼飛行器被制作出來。多軸飛行器是類似于直升飛機的一種新型飛行器。最初是由航空模型愛好者制作，后來很多廠商發現它用途廣泛而積極研制生產。它利用多個旋翼作為動力來進行飛行，這些旋翼葉片大轉速低，能夠為飛行器提供較大的升力，可以裝配微型攝像機實時傳輸畫面進行FPV（第一視角）飛行。多軸飛行器中最具代表的是四軸飛行器，其構造特點是在它機身的四個方向上各裝有一個旋翼，由電機和電調控制葉片轉動，可以正轉，也可以反轉。為了保持飛行器的穩定飛行，在四軸飛行器上裝有飛行控制器，里面裝有多個方向的陀螺儀和加速度傳感器組成的慣性導航模塊，并通過電子調控器來保證其快速飛行。在四軸飛行器的基礎上，設計人員又研發出了六軸和八軸飛行器，這些飛行器原理相同，但結構的改進增強了飛行器的安全性和載重能力，使得飛行器在旋翼破損的情況下仍有安全降落的可能。除了固定翼和多旋翼兩種常見的結構外，上文中提到的仿生無人機也是一種重要的結構創新，這類無人機的結構新穎，為今后無人機結構的改進打開了新的窗戶。

5 結語

本文從產品的功能和用途、形態、結構這三個工業設計創新的主要方面對無人機的發展進行了分析，我們通過對無人機發展史的學習，了解未來的發展趨勢。無人機發展過程中功能和用途的創新依然是決定因素，而當前形勢下外觀形態的創新也變得更加多樣化，不再是形式追隨功能。產品結構的創新設計更加合理化，集中體現或附加在產品的功能，這些功能可以是產品原本所具有的功能，也可以是通過結構技術設計帶來的新功能。這一系列無人機產品設計與開發中的創新正在引起一場新的浪潮。

【參考文獻】

[1]劉哲.小型無人機在警用領域的應用與造型設計研究[D].東華大學，2012.