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劳伦斯·斯佩里:催生无人机的敢闯敢拼的飞行员
在航空的开创性时代,当让飞机保持在空中对抗不稳定性是一场持续的斗争时,劳伦斯·斯佩里不仅是一位大胆的飞行员,更是一位富有远见的创新者。尽管飞机仍然是需要飞行员不断干预的脆弱机器,斯佩里却开辟了自动化控制和远程操作的道路。他的遗产远远超出了航空领域的即时进展;他被广泛认为是无人机的鼻祖,这项技术深刻地重塑了战争、探索和无数行业。
斯佩里的发明之旅很早就开始了,他受到了他父亲埃尔默·安布罗斯·斯佩里(Elmer Ambrose Sperry)的影响。他的父亲是一位多产的发明家,拥有数百项专利,包括专用陀螺仪、电动汽车电池和高强度探照灯。劳伦斯吸收了这种发明精神,10岁时开了一家自行车修理店,少年时期,在甚至从未飞行过的情况下,他在自家地下室建造了一架滑翔机,后来为其装上了发动机。到1913年,他获得了飞行员执照,成为美国最年轻的飞行员之一,从而获得了对飞行机械挑战的第一手见解。
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飞机的不稳定性是早期航空中的一个关键问题。莱特兄弟历史性飞行十年后,飞机仍然是需要人类不断纠正才能保持在空中的脆弱飞行器。斯佩里看到了这个挑战带来的机遇。从他父亲的海军陀螺仪(一种利用快速旋转的轮子来抵消船只摇摆运动的庞大装置)汲取灵感,斯佩里认识到需要为飞机开发一种更小、更轻、反应更灵敏的系统。大约在1912年,他开始开发自己的版本,目标是自动稳定飞机,以抵抗俯仰、滚转和偏航。他的目标是创建一个能够检测这些运动并通过自动控制线调整控制的系统,模仿飞行员的本能反应,同时又足够紧凑,可以安装在飞机上。
到1914年,斯佩里准备推出他的开创性发明。在巴黎附近举行的世界上第一个飞机安全竞赛——Concours de la Sécurité en Aéroplane上,斯佩里戏剧性地展示了他的创新。他站在驾驶舱里,高举双臂,而他的助手、机械师埃米尔·卡钦(Émile Cachin)则移到机翼上,飞机在没有飞行员直接控制的情况下飞过观众。这一事件预示着自动驾驶仪的黎明。伦敦《每日邮报》的“空中站立”(Standing in the Air)等标题赞扬了“稳定装置的惊人演示”。斯佩里五次重复了这一壮举,他的助手在机翼或尾翼上移动,证明了该装置的稳定能力。
斯佩里对壮观场面和创新的热情从未减退。1918年,他设计了一种座椅式降落伞,并通过从一家六层楼高的酒店屋顶跳下,验证了其可靠性。1922年,他因在家乡的街道上降落飞机而被开罚单,甚至在一名警官的追逐下,他还顽皮地再次起飞。同年晚些时候,他大胆地将飞机降落在国会大厦的台阶上,为其新款斯佩里信使(Sperry Messenger)飞机进行宣传噱头,《大众科学》(Popular Science)预测该飞机将很快像汽车一样普遍。
然而,斯佩里最具预见性的愿景出现在1916年,这是由第一次世界大战的需求所驱动的。与他的父亲以及彼得·休伊特(Peter Hewitt)和查尔斯·凯特林(Charles Kettering)等其他发明家合作,斯佩里开始利用他发明的自动稳定器,着手制造一种“空中鱼雷”或制导导弹。这次合作产生了Kettering Liberty Eagle,或称“Bug”——一种旨在进行单程炸弹投送的小型飞机。斯佩里主张安装起落架,使“Bug”能够像现代无人机一样返回。然而,往返飞行的工程复杂性,以及无线电控制和定位传感方面的挑战,意味着在战争结束前无法实现这一目标。“Bug”的成功有限。
尽管战后军事资金有所减少,但商业界对用于航空摄影和作物喷洒等应用的遥控航空的兴趣依然存在。到1925年3月,《大众科学》详细介绍了“无线电动力学”(radiodynamics)的进展——即通过无线电波控制机械的科学。1925年7月,该杂志重点介绍了法国工程师开发的可用于炸弹投送和返回基地的无线电控制飞机,比现代无人机战争早了一个世纪。
斯佩里和他的同代人证明了飞机可以自行稳定,响应远程命令,甚至遵循编程行为。然而,这些早期的自主机器缺乏关键的定位意识。早期的无线电控制飞机没有任何可靠的方法来了解它们的位置、行驶距离或漂移情况。无线电信号可以指挥运动,但无法确认位置。这个今天被称为定位系统的缺失环节,花了数十年才得以发展。即使在1956年,《大众科学》也描述了无人机方面的进展,并指出基本的无线电控制引导机制几乎没有改变。
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直到1990年代卫星定位系统广泛可用,无人机才真正取得飞跃。现代无人机依靠GPS提供持续、精确的位置数据,使它们能够自动跟踪路线、保持位置并返回家园。机载计算机将这些位置信息与运动传感器、高度计和机器视觉相结合。GPS、自动传感和先进通信的融合,最终使飞行员成为可选。