低空运载技术畅想研究

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物资方面的调用的问题,包括我们区血液储量有限,特殊药品、医用器械等的储量存在相当大的缺口,当需要这些医用物资时,我们只能向宁波、杭州、上海甚至更远地区调用,时间就是生命,刻不容缓,等待会让病人的生命受到威胁。这种情况在全国各地非常的普遍,在西部等不发达地区更甚。由此,我们提出了“小型飞行器”的想法,借助现代飞行技术、卫星雷达定位导航技术、现代网络通讯技术等实现紧急医用物资的快速安全运输,并使运输逐步的实现智能化、专业化和人性化,从而大大缩短紧急物资的运输时间。逐步建立辐射面广、反应快速灵敏的网络化紧急救助系统,并推广到其他小件物品的运输,直至建立服务于大众的空中物流体系。

1现状和分析

1.1我国所需紧急医用物资的情况

在人口众多的我国,很多地方的救援条件不完善、信息不畅,使得医疗事故紧急救援的“紧急”性大大折减,从而使得我国万人致死率远远高于其他国家。由于救助常识的缺乏,多数救助措施是在受伤者被运送到分布有限的医院、急救中心以后才着手实施的,而医院设备的限制或看似普通的药物却在需要时不能及时或短时间内送到而导致伤者因贻误救助时机而丧失生命或加剧救助难度。有专家指出,我国要搞好紧急救援,使其在各个地区、各个领域、各个方面都能发挥卓有成效的作用,最大限度减少生命和财产损失,是全面落实以人为本、促进人的发展的一个基本前提。而从我国的国情出发,我国的公路及高速公路经常造成交通堵塞,空运的昂贵费用增加了利用城市医疗和急救系统救援的难度。在搜集信息的过程中我们发现,其实紧急救援中有一定的比例是在于紧急物资的运送。如果我们设计一种小型飞行器能实现在最短时间内把所急需的医疗物资安全、快捷地送到目的地,那无疑是对中国医疗事业的一大贡献。它是一架无人驾驶的微型飞机,与大型航空器相比,它无需造价昂贵的机场,与公路交通相比,它不受堵车的时间限制,还可以翻山越岭不受地形的阻挡,正所谓“天高任鸟飞”,广阔的空间为它提供了施展身手的舞台,即使未来当小型飞行器的人均拥有量与现在的汽车拥有量相同,也不会造成交通拥挤现象。这可以由地面上的控制中心通过一系列的技术来统一设定航向,自动驾驶,从而快速安全地达到目的地。发明这一装置的意义在于抓住拯救病人的黄金时间,挽救可能存活的生命。

1.2聚焦个案——北仑区的所需紧急医用物资调用情况

1.2.1区人民医院急救药品紧急运输的调查

1.2.2北仑区紧急医用物资运送的调查:

2研究内容

设想一下:一位正在登山游玩的游客哮喘发作,他赶紧拿出手机,拨通了120急救中心,几分钟后小型飞行器已带来了他所需要的药品及处理的步骤。我们根据它的特点、功能结合现代科技技术提出我们的方案。

2.1飞行器基本外形设计

我们的设想:飞行器的基本外形为碟形,就如UFO一样,见图(1)。

2.2飞行器所具备的功能

(1)具备垂直起降功能,飞行时速达到800～900km/h(2)具有小型雷达探测功能,实时监测以它为中心、半径为1km球体以内的物体,同时实现高度的定位(3)具备北斗卫星导航数据接收芯片,用来确定飞行器的位置(4)具备3G网络模块及信号增强设备,从而可以实现实时视频传输功能(5)具备飞行器储物空间并配置安全系统功能(6)采用能源:太阳能和电能等

2.2.1技术研究(1)垂直起降技术的原理我们知道,飞机飞行需要克服两种力—重力和阻力。重力是由飞机的气动面,即机翼和尾翼产生的升力平衡的;阻力则是由发动机提供的推力克服的。正常飞机的起飞过程就是飞机在发动机的推动下,克服阻力向前滑跑,当滑跑速度足够大到使机翼产生的升力大于飞机的重量时,飞机就可以离开地面升空飞行了。而垂直起落飞机由于不需要滑跑,就不可能由机翼产生平衡重力的升力,所以要实现垂直起降,就只能把希望寄托到飞机的动力设备—发动机上了。垂直起降飞机就是由发动机提供向上的推力来克服重力实现垂直起降的。垂直起降飞机产生升力的办法有三个,一个是偏转发动机的喷管,第二种是直接使用升力发动机提供升力,第三个是前两种办法的组合,同时使用升力发动机和主发动机。(2)垂直起降技术的优点①具有垂直起降能力的飞机不需要专门的机场和跑道,降低了使用成本。②垂直起降飞机只需要很小的平地就可以起飞和着陆③定点准确,着陆安全性高。(3)小型雷达探测器近年来微电子技术和微电子工艺都经历了飞速发展,固态毫米波器件日益成熟,微波单片集成电路(MMIC)逐渐向频率高端发展,并已经进入毫米波应用阶段,这些都为毫米波集成系统的发展奠定了良好的基础。随着毫米波系统的不断改进,系统对天线的要求也不断提高,这极大程度的促进了毫米波天线技术的发展,不断有新结构、高性能的天线问世,并且相当一部分已经成功应用到了毫米波系统中。36.5GHz小型雷达前端,有单天线体制和双天线体制两种,整个前端集成在25mm和30mm直径的圆柱形金属盒内。小型雷达便于安装在小型飞行器上,其功能强大,能探测方圆100km以内所有的飞行物,控制中心根据雷达所获取的信息,及时调控飞行器,按规划路线飞行。(4)北斗七星终端全球3G移动通信标准之一的TD-SCDMA,便是由中国制定,近年在中国移动、华为等公司合作下,已设计出适用于北斗系统的方案,待北斗系统完成,TD-SCDMA就不必完全受制于美国的GPS。利用卫星导航精确定位与测速的优势,可实时确定飞行器的瞬时位置,有效减小飞行器之间的安全距离,甚至在恶劣天气情况下实现安全飞行。是中国专利3G网络模块。TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准(简称3G),自1998年正式向ITU(国际电联)提交以来,已经历十多年的时间,完成了标准的专家组评估、ITU认可并、与3GPP(第三代伙伴项目)体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作,从而使TD－SCDMA标准成为第一个由中国提出的,以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。TD-SCDMA在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势。TD-SCDMA由于采用时分双工,上行和下行信道特性基本一致,因此,基站根据接收信号估计上行和下行信道特性比较容易。此外,TD-SCDMA使用智能天线技术有先天的优势,而智能天线技术的使用又引入了SDMA的优点,可以减少用户间干扰,从而提高频谱利用率。TD-SCDMA还具有TDMA的优点,可以灵活设置上行和下行时隙的比例而调整上行和下行的数据速率的比例,特别适合因特网业务中上行数据少而下行数据多的场合。但是这种上行下行转换点的可变性给同频组网增加了一定的复杂性。我们考虑到以后飞行器数量的增多,会面临IP地址不够用的现状,所以在飞行器上使用最新的IPV6协议,保证有足够的地址使用。机载视频在飞行器起飞和着陆以及接近用户的时候启用,并与控制中心形成信息交互,从而使飞行器能够平稳、安全地着陆。(5)具备飞行器储物空间并配置安全系统功能凭航空公司短信发来二维条码,旅客无需再到机场柜台办理登机牌,可直接登机。昨起,国航国内航班推出手机乘机服务,成为国内首家全程无纸化登机的航空公司。国航和首都机场联合宣布,自5月8日起,在国航国内航班上开通手机乘机服务,包括北京出发的国航实际运营的国内直达航班(不包含西藏航线旅客及婴儿、儿童、病残等需要特殊照料的旅客)。记者看到,这个二维条码电子登机牌是个黑白相间的小图标,旅客进到安检通道后,工作人员用仪器轻轻扫过小图标,旅客身份、航班信息就得到了确认。昨日,中国民航局运输司司长王荣华证实,这是国内首次推出完整的手机乘机服务[5]。利用类似的安全系统可以实现:飞行器到达用户身边时,用户可以用授权码取出所需物件。(6)能源来源太阳能的接收——根据自身所携带的新型太阳能接收板,接收来自外界的太阳能,不用时则可停靠在太阳下充电。太阳能的接收、存储与传输:①当太阳能不够时,控制中心能及时获取信息并对飞行器实施远程无线充电。②当太阳能过多时,控制中心则会采用远程无线充电技术实施反充电,以收集多余能源用于他处。

2.3小型飞行器智能控制中心

2.3.1小型飞行器智能控制中心的运作原理运作原理:用户急需药品并使用通讯工具联系120急救中心,120急救中心确定药品规格及数量,然后把信息传给控制中心,控制中心调配相应规格的飞行器到120中心取药,同时发送授权码给用户,然后通过北斗七星定位系统,直接飞行到用户处,用户通过授权码确认并取出药物。具体见(图2)注:①用户提出需求。②120中心查找并发送药品的信息(外形和重量)给控制中心。③-⑤控制中心通过北斗卫星,确定用户准备位置,并反馈信息给控制中心。⑥-⑦控制中心调配最近适当型号的飞行器确定飞行路线并发授权码给用户。⑧授权的飞行器,在控制中心的调控下自动到达120中心,120中心安装药品并确认,控制中心自动检测完成后起飞。⑨-⑩飞行器到达用户处,用户用授权码取出药品,控制中心检测安全后,返回到基地A。

2.3.2小型飞行器智能线路规划系统只听说过飞鸟与飞机的相撞事故,没听说过在一起飞行的鸟相互撞击的故事,准确的导航系统和先进的智能感应器可以确保众多飞行器在一起飞行的安全性,同时也可以避让其他空中飞行物。由北斗七星全球定位系统确定用户的位置,反馈给控制中心,然后由巨型计算机完成飞行路线分配,并确定航线,防止飞行器互相干扰。利用飞行器中的小型雷达系统实时反馈飞行航线中遇到的障碍(如飞鸟或其他飞行物),然后控制中心可以进行实时的线路调整(如由于自然原因造成的飞行器航线偏离,飞行器可以实现与控制中心数据的实时交互,实现线路的纠正),从而顺利到达目的地附近,接着通过机载摄像头安全地送达用户手中。

3关于小型飞行器在未来社会的大胆展望

(1)静音技术:高速飞行划破空气会产生巨大或刺耳的噪音,最好有一种静音技术,像外星人的飞碟一样来无影去无踪,无声无息。

(2)小型飞行器也可以应用于越来越多的意外事故(比如交通事故、空难、地震等),当救护车或直升机无法及时赶到,它会第一时间到达现场,快速将伤者送住最近医院,提高他们救活的机率。研究表明一个人如果在事故中严重受伤,如果在1个小时内得到紧急治疗,存活下来的机率将提高6倍。

(3)随着小型飞行器技术的日趋成熟,打造一个服务于大众的空中物流体系。缓解现在的地面交通压力,减少交通事故的发生,减少污染,美化我们的地球。