Het is een vlieg! Het is een bug! Het is een Microplane!

We hebben bijna allemaal wel eens de wens gehad om een ​​vlieg op de muur te zijn, maar niemand wil neergeslagen worden. Een veiligere optie zou kunnen zijn om het commando te voeren over een vloot intelligente vliegen die kritieke informatie kunnen opzoeken en rapporteren terwijl we veilig uit de buurt van gevaar blijven. Met dat idee in gedachten ontwikkelen ingenieurs van het Lincoln Laboratory van MIT nu een microluchtvoertuig - een semi-autonoom spionagevliegtuig dat klein genoeg is om in de palm van je hand te houden.

Het idee om 's werelds eerste miniatuurvliegtuig voor het verzamelen van inlichtingen te produceren, werd drie jaar geleden voorgesteld in Lincoln Lab, waar onderzoekers een manier zochten om directe toegang te bieden tot verkenningsgegevens voor soldaten die dienst deden in kleine militaire eenheden, zoals die in stedelijke omgevingen. Ze hadden een draagbaar bewakingssysteem voor ogen dat soldaten snel zou kunnen informeren over dreigende, onzichtbare gevaren. In stedelijke gebieden zou een dergelijk systeem soldaten bijvoorbeeld in staat kunnen stellen over de heuvel en om de hoek te kijken, zegt William R. Davis, die het Lincoln Lab micro-luchtvaartuigprogramma beheert. Geavanceerde versies kunnen nucleaire, biologische en chemische wapens op vijandig terrein opsnuiven, gevechtsschade beoordelen of gijzelingscrises of Waco-achtige impasses volgen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van oktober 1997

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) is grotendeels gebaseerd op concepten die zijn geschetst in Lincoln Lab en heeft dit jaar een programma van $ 35 miljoen gelanceerd om prototypen van microluchtvoertuigen te ontwikkelen, waarbij voorlopige voorstellen van de industrie en de academische wereld zijn gevraagd. Organisaties die strijden om financiering zijn onder meer universitaire laboratoria zoals het Georgia Tech Research Institute (GTRI), ruimtevaartbedrijven en kleine bedrijven.

Tegelijkertijd heeft DARPA de eerste financiering verstrekt aan Lincoln Lab om een ​​volledig functionerend prototype te ontwikkelen, dat onderzoekers verwachten binnen drie jaar te voltooien. Met een gewicht van twee ons en een lengte en breedte van minder dan 15 cm, zal het prototypevoertuig met een snelheid van 20 tot 30 mijl per uur vliegen, opereren binnen een straal van maximaal 3 mijl (de limiet heeft betrekking op het verwachte bereik van het communicatiesysteem van het voertuig) en maximaal een uur in de lucht blijven. Het moet ook verkennings- en navigatiemogelijkheden hebben.

Volgens Milan Vilajenik, hoofd van de Engineering Division van Lincoln Lab, wordt dit over het algemeen een vliegende chip.

Gezien de krappe afmetingen en gewichtsbeperkingen, zal het geen sinecure zijn om deze vliegende chip van de grond te krijgen en te houden. Naarmate je kleiner wordt, legt Vilajenik uit, is de bestaande technologie te groot. De meeste subsystemen zullen moeten worden ontwikkeld.

De eerste uitdaging is om een ​​efficiënt vleugelontwerp te creëren dat voldoende lift en laag genoeg weerstand kan bieden voor een voertuig van dit formaat, waarin het aerodynamische gedrag verschilt van dat van grotere, snellere vliegtuigen. Het Lincoln Lab-team berekende dat een zwevend vaartuig met rotorbladen ongeveer twee keer zoveel vermogen nodig zou hebben als een voertuig met vaste vleugels. Om de stroombehoefte te minimaliseren, evalueert het team daarom verschillende configuraties met vaste vleugels die propellers gebruiken voor de voortstuwing, zegt programmamanager Davis.

Maar Robert J. Englar, een hoofdonderzoeksingenieur bij Georgia Tech, stelt dat zelfs met een propeller een conventionele vleugel niet genoeg lift zal genereren om een ​​heel klein, langzaam voertuig in beweging te houden door de verstorende luchtstroom die het waarschijnlijk zal tegenkomen. Georgia Tech heeft een voorstel ingediend dat Englar weigert te bespreken, maar Sam Blankenship, coördinator van GTRI's Microflyer-programma, zegt dat ingenieurs uiteindelijk misschien naar de fladderende vleugels van kleine vogels en insecten moeten kijken als modellen voor een energiezuinige vlucht.

Een sterk voortstuwingssysteem kan tekortkomingen in de aerodynamische prestaties compenseren, merkt Davis op, maar krachtigere voortstuwingseenheden zullen waarschijnlijk meer wegen - en ontwerpers willen gewicht reserveren voor gegevensverzamelende sensoren en communicatiesystemen. Het Lincoln Lab-team stelde vast dat op de kleine schaal die nodig was, straalmotoren te veel brandstof zouden verbruiken, terwijl stroombronnen zoals batterijen te veel zouden wegen en te weinig stroom zouden leveren. Ingenieurs van Lincoln Lab hebben verbrandingsmotoren en brandstofcellen geïdentificeerd als de meest veelbelovende alternatieven op korte termijn en hopen binnen één tot twee jaar geminiaturiseerde versies van verbrandingsmotoren te kunnen maken.

Naast een robuust voortstuwingssysteem heeft het kleine voertuig een vluchtcontrolesysteem nodig, zodat het zijn koers kan handhaven ondanks luchtturbulentie of plotselinge windstoten. Omdat het vliegtuig buiten het zicht van de troepen zal reizen en snel veranderende vluchtomstandigheden kan tegenkomen, kan een soldaat het voertuig niet besturen als een modelvliegtuig, zegt Davis. Zijn team stelde vast dat het prototype voor het uitvoeren van manoeuvres kon vertrouwen op kleinschalige apparaten: sensoren die de snelheid, versnelling en atmosferische druk van het vliegtuig meten, en elektrische actuatoren die de aerodynamische oppervlakken van het vliegtuig bewegen.

Davis wijst erop dat geavanceerde microfabricagetechnieken het mogelijk maken om op zeer kleine schaal sensoren en actuatoren te vervaardigen met een laag stroomverbruik. Naarmate de ontwikkeling van microvliegtuigen volwassen wordt, verwachten ontwerpers echter dat ze deze kleine apparaten, die bewegende delen gebruiken en afzonderlijk moeten worden gemonteerd, vervangen door micro-elektromechanische systemen - uiterst nauwkeurige systemen die lijken op computerchips en worden geproduceerd met behulp van methoden die vergelijkbaar zijn met de fabricage van microschakelingen. Deze kunnen worden ingebed in de vleugel van een microvliegtuig, waardoor kostbaar gewicht wordt bespaard en een efficiëntere controle wordt geboden.

Ten slotte zijn Lincoln-onderzoekers van plan een zeer klein beeldvormingssysteem voor het voertuig en een draagbaar grondstation - een laptopcomputer en een kleine parabolische communicatieschotel - te ontwikkelen om foto's te verzenden. Ze stellen zich een camera voor met zichtbaar licht van twee gram en één kubieke centimeter die onder het vliegtuig is gepositioneerd en beelden van miljoenen pixels maakt - foto's die scherp genoeg zijn om militaire voertuigen en personeel te identificeren vanaf een hoogte van 100 meter. De uitdaging bij de ontwikkeling van het beeldvormingssysteem is niet om afzonderlijke componenten te ontwerpen of te vervaardigen, maar om ze te integreren zonder de strakke massa- en vermogensbeperkingen te overschrijden.

Het integreren van dit dicht opeengepakte assortiment van verkenning, voortstuwing, vluchtcontrole en andere subsystemen zal inderdaad de laatste hindernis zijn, merkt Vilajenik op. Ontwerpers moeten bijvoorbeeld een trillende, warmteproducerende verbrandingsmotor isoleren van een beeldvormingssysteem dat gevoelig is voor deze storingen, en elektromagnetische interferentie tussen elektromotoren en de communicatieantenne voorkomen.

Naarmate ingenieurs manieren ontwikkelen om in de komende tien jaar meer functies in kleinere pakketten te persen, verwachten ze dat het laadvermogen, het uithoudingsvermogen en het bereik zullen toenemen. Het Lincoln Lab-team stelt zich geavanceerde microluchtvoertuigen voor die uiteenlopende taken kunnen uitvoeren, zoals het detecteren van chemische handtekeningen van onconventionele wapens, het inzetten van stationaire sensoren om niet-gepatrouilleerde gebieden te bewaken en het in beeld brengen en opnemen van de geluiden van scènes in en rond gebouwen.

zich verstoppen