低空運載技術暢想研究

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物資方面的調用的問題,包括我們區血液儲量有限,特殊藥品、醫用器械等的儲量存在相當大的缺口,當需要這些醫用物資時,我們只能向寧波、杭州、上海甚至更遠地區調用,時間就是生命,刻不容緩,等待會讓病人的生命受到威脅。這種情況在全國各地非常的普遍,在西部等不發達地區更甚。由此,我們提出了“小型飛行器”的想法,借助現代飛行技術、衛星雷達定位導航技術、現代網絡通訊技術等實現緊急醫用物資的快速安全運輸,并使運輸逐步的實現智能化、專業化和人性化,從而大大縮短緊急物資的運輸時間。逐步建立輻射面廣、反應快速靈敏的網絡化緊急救助系統,并推廣到其他小件物品的運輸,直至建立服務于大眾的空中物流體系。

1現狀和分析

1.1我國所需緊急醫用物資的情況

在人口眾多的我國,很多地方的救援條件不完善、信息不暢,使得醫療事故緊急救援的“緊急”性大大折減,從而使得我國萬人致死率遠遠高于其他國家。由于救助常識的缺乏,多數救助措施是在受傷者被運送到分布有限的醫院、急救中心以后才著手實施的,而醫院設備的限制或看似普通的藥物卻在需要時不能及時或短時間內送到而導致傷者因貽誤救助時機而喪失生命或加劇救助難度。有專家指出,我國要搞好緊急救援,使其在各個地區、各個領域、各個方面都能發揮卓有成效的作用,最大限度減少生命和財產損失,是全面落實以人為本、促進人的發展的一個基本前提。而從我國的國情出發,我國的公路及高速公路經常造成交通堵塞,空運的昂貴費用增加了利用城市醫療和急救系統救援的難度。在搜集信息的過程中我們發現,其實緊急救援中有一定的比例是在于緊急物資的運送。如果我們設計一種小型飛行器能實現在最短時間內把所急需的醫療物資安全、快捷地送到目的地,那無疑是對中國醫療事業的一大貢獻。它是一架無人駕駛的微型飛機,與大型航空器相比,它無需造價昂貴的機場,與公路交通相比,它不受堵車的時間限制,還可以翻山越嶺不受地形的阻擋,正所謂“天高任鳥飛”,廣闊的空間為它提供了施展身手的舞臺,即使未來當小型飛行器的人均擁有量與現在的汽車擁有量相同,也不會造成交通擁擠現象。這可以由地面上的控制中心通過一系列的技術來統一設定航向,自動駕駛,從而快速安全地達到目的地。發明這一裝置的意義在于抓住拯救病人的黃金時間,挽救可能存活的生命。

1.2聚焦個案——北侖區的所需緊急醫用物資調用情況

1.2.1區人民醫院急救藥品緊急運輸的調查

1.2.2北侖區緊急醫用物資運送的調查:

2研究內容

設想一下:一位正在登山游玩的游客哮喘發作,他趕緊拿出手機,撥通了120急救中心,幾分鐘后小型飛行器已帶來了他所需要的藥品及處理的步驟。我們根據它的特點、功能結合現代科技技術提出我們的方案。

2.1飛行器基本外形設計

我們的設想:飛行器的基本外形為碟形,就如UFO一樣,見圖(1)。

2.2飛行器所具備的功能

(1)具備垂直起降功能,飛行時速達到800～900km/h(2)具有小型雷達探測功能,實時監測以它為中心、半徑為1km球體以內的物體,同時實現高度的定位(3)具備北斗衛星導航數據接收芯片,用來確定飛行器的位置(4)具備3G網絡模塊及信號增強設備,從而可以實現實時視頻傳輸功能(5)具備飛行器儲物空間并配置安全系統功能(6)采用能源:太陽能和電能等

2.2.1技術研究(1)垂直起降技術的原理我們知道,飛機飛行需要克服兩種力—重力和阻力。重力是由飛機的氣動面,即機翼和尾翼產生的升力平衡的;阻力則是由發動機提供的推力克服的。正常飛機的起飛過程就是飛機在發動機的推動下,克服阻力向前滑跑,當滑跑速度足夠大到使機翼產生的升力大于飛機的重量時,飛機就可以離開地面升空飛行了。而垂直起落飛機由于不需要滑跑,就不可能由機翼產生平衡重力的升力,所以要實現垂直起降,就只能把希望寄托到飛機的動力設備—發動機上了。垂直起降飛機就是由發動機提供向上的推力來克服重力實現垂直起降的。垂直起降飛機產生升力的辦法有三個,一個是偏轉發動機的噴管,第二種是直接使用升力發動機提供升力,第三個是前兩種辦法的組合,同時使用升力發動機和主發動機。(2)垂直起降技術的優點①具有垂直起降能力的飛機不需要專門的機場和跑道,降低了使用成本。②垂直起降飛機只需要很小的平地就可以起飛和著陸③定點準確,著陸安全性高。(3)小型雷達探測器近年來微電子技術和微電子工藝都經歷了飛速發展,固態毫米波器件日益成熟,微波單片集成電路(MMIC)逐漸向頻率高端發展,并已經進入毫米波應用階段,這些都為毫米波集成系統的發展奠定了良好的基礎。隨著毫米波系統的不斷改進,系統對天線的要求也不斷提高,這極大程度的促進了毫米波天線技術的發展,不斷有新結構、高性能的天線問世,并且相當一部分已經成功應用到了毫米波系統中。36.5GHz小型雷達前端,有單天線體制和雙天線體制兩種,整個前端集成在25mm和30mm直徑的圓柱形金屬盒內。小型雷達便于安裝在小型飛行器上,其功能強大,能探測方圓100km以內所有的飛行物,控制中心根據雷達所獲取的信息,及時調控飛行器,按規劃路線飛行。(4)北斗七星終端全球3G移動通信標準之一的TD-SCDMA,便是由中國制定,近年在中國移動、華為等公司合作下,已設計出適用于北斗系統的方案,待北斗系統完成,TD-SCDMA就不必完全受制于美國的GPS。利用衛星導航精確定位與測速的優勢,可實時確定飛行器的瞬時位置,有效減小飛行器之間的安全距離,甚至在惡劣天氣情況下實現安全飛行。是中國專利3G網絡模塊。TD-SCDMA作為中國提出的第三代移動通信標準(簡稱3G),自1998年正式向ITU(國際電聯)提交以來,已經歷十多年的時間,完成了標準的專家組評估、ITU認可并、與3GPP(第三代伙伴項目)體系的融合、新技術特性的引入等一系列的國際標準化工作,從而使TD－SCDMA標準成為第一個由中國提出的,以我國知識產權為主的、被國際上廣泛接受和認可的無線通信國際標準。這是我國電信史上重要的里程碑。TD-SCDMA在頻譜利用率、對業務支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面有獨特優勢。TD-SCDMA由于采用時分雙工,上行和下行信道特性基本一致,因此,基站根據接收信號估計上行和下行信道特性比較容易。此外,TD-SCDMA使用智能天線技術有先天的優勢,而智能天線技術的使用又引入了SDMA的優點,可以減少用戶間干擾,從而提高頻譜利用率。TD-SCDMA還具有TDMA的優點,可以靈活設置上行和下行時隙的比例而調整上行和下行的數據速率的比例,特別適合因特網業務中上行數據少而下行數據多的場合。但是這種上行下行轉換點的可變性給同頻組網增加了一定的復雜性。我們考慮到以后飛行器數量的增多,會面臨IP地址不夠用的現狀,所以在飛行器上使用最新的IPV6協議,保證有足夠的地址使用。機載視頻在飛行器起飛和著陸以及接近用戶的時候啟用,并與控制中心形成信息交互,從而使飛行器能夠平穩、安全地著陸。(5)具備飛行器儲物空間并配置安全系統功能憑航空公司短信發來二維條碼,旅客無需再到機場柜臺辦理登機牌,可直接登機。昨起,國航國內航班推出手機乘機服務,成為國內首家全程無紙化登機的航空公司。國航和首都機場聯合宣布,自5月8日起,在國航國內航班上開通手機乘機服務,包括北京出發的國航實際運營的國內直達航班(不包含西藏航線旅客及嬰兒、兒童、病殘等需要特殊照料的旅客)。記者看到,這個二維條碼電子登機牌是個黑白相間的小圖標,旅客進到安檢通道后,工作人員用儀器輕輕掃過小圖標,旅客身份、航班信息就得到了確認。昨日,中國民航局運輸司司長王榮華證實,這是國內首次推出完整的手機乘機服務[5]。利用類似的安全系統可以實現:飛行器到達用戶身邊時,用戶可以用授權碼取出所需物件。(6)能源來源太陽能的接收——根據自身所攜帶的新型太陽能接收板,接收來自外界的太陽能,不用時則可停靠在太陽下充電。太陽能的接收、存儲與傳輸:①當太陽能不夠時,控制中心能及時獲取信息并對飛行器實施遠程無線充電。②當太陽能過多時,控制中心則會采用遠程無線充電技術實施反充電,以收集多余能源用于他處。

2.3小型飛行器智能控制中心

2.3.1小型飛行器智能控制中心的運作原理運作原理:用戶急需藥品并使用通訊工具聯系120急救中心,120急救中心確定藥品規格及數量,然后把信息傳給控制中心,控制中心調配相應規格的飛行器到120中心取藥,同時發送授權碼給用戶,然后通過北斗七星定位系統,直接飛行到用戶處,用戶通過授權碼確認并取出藥物。具體見(圖2)注:①用戶提出需求。②120中心查找并發送藥品的信息(外形和重量)給控制中心。③-⑤控制中心通過北斗衛星,確定用戶準備位置,并反饋信息給控制中心。⑥-⑦控制中心調配最近適當型號的飛行器確定飛行路線并發授權碼給用戶。⑧授權的飛行器,在控制中心的調控下自動到達120中心,120中心安裝藥品并確認,控制中心自動檢測完成后起飛。⑨-⑩飛行器到達用戶處,用戶用授權碼取出藥品,控制中心檢測安全后,返回到基地A。

2.3.2小型飛行器智能線路規劃系統只聽說過飛鳥與飛機的相撞事故,沒聽說過在一起飛行的鳥相互撞擊的故事,準確的導航系統和先進的智能感應器可以確保眾多飛行器在一起飛行的安全性,同時也可以避讓其他空中飛行物。由北斗七星全球定位系統確定用戶的位置,反饋給控制中心,然后由巨型計算機完成飛行路線分配,并確定航線,防止飛行器互相干擾。利用飛行器中的小型雷達系統實時反饋飛行航線中遇到的障礙(如飛鳥或其他飛行物),然后控制中心可以進行實時的線路調整(如由于自然原因造成的飛行器航線偏離,飛行器可以實現與控制中心數據的實時交互,實現線路的糾正),從而順利到達目的地附近,接著通過機載攝像頭安全地送達用戶手中。

3關于小型飛行器在未來社會的大膽展望

(1)靜音技術:高速飛行劃破空氣會產生巨大或刺耳的噪音,最好有一種靜音技術,像外星人的飛碟一樣來無影去無蹤,無聲無息。

(2)小型飛行器也可以應用于越來越多的意外事故(比如交通事故、空難、地震等),當救護車或直升機無法及時趕到,它會第一時間到達現場,快速將傷者送住最近醫院,提高他們救活的機率。研究表明一個人如果在事故中嚴重受傷,如果在1個小時內得到緊急治療,存活下來的機率將提高6倍。

(3)隨著小型飛行器技術的日趨成熟,打造一個服務于大眾的空中物流體系。緩解現在的地面交通壓力,減少交通事故的發生,減少污染,美化我們的地球。