作者：孙青林 孙昊（分别系南开大学人工智能学院教授；副教授）

　　在飞行器大家庭中，有一类特别的成员——翼伞。它们没有刚硬的机翼，却凭着一片巨大柔软的“翅膀”，借助风力优雅地翱翔于天际；它们结构看似简单，却蕴含着空气动力学的精妙智慧。翼伞是融合古老降落伞原理与现代智能科技的独特柔性无人飞行器，包含翼、控制系统、负载，如果加上推力系统，就可化身为伞翼无人机。今天，就让我们一起揭开它的神秘面纱，探寻其从应急救生到智能翱翔的非凡历程。

　　从救命伞到翱翔翼：翼伞的发展历程

　　想象一下，一块巨大的布，如何变成可操控的飞行器？翼伞的故事，还得从它的“祖先”——降落伞说起。

　　早在18世纪，法国发明家路易-塞巴斯蒂安·勒诺尔芒和后来的约瑟夫-米歇尔·蒙戈尔费埃（热气球发明者之一）等人就进行了早期的降落伞实验。蒙戈尔费埃曾用亚麻布制作出一个直径约2.5米的半球形降落伞，并勇敢地从自家房顶一跃而下，安全着陆。这一壮举有力地证明，利用大面积织物对抗空气阻力以实现缓降的可行性。此后，降落伞作为关键的应急救生装置，在航空、军事等领域得到广泛应用。

　　降落伞的核心原理与风筝异曲同工——都是依靠大面积柔性织物在空气中的相对气流运动而产生的反向力来工作。这种设计具有显著优势，包括结构极其简单、制造和维护成本低廉、折叠后体积小巧便于携带、能耗极低，仅靠重力或初始势能即可滑翔降落。这些优点让此类基于柔性材质的飞行系统备受关注。

　　然而，传统的圆形降落伞有一个致命弱点——几乎无法控制方向。它就像一片随风飘零的叶子，落点散布范围很大，难以精准投放物资或人员。

　　为了解决这一问题，工程师们发明了翼伞系统。翼伞不再是简单的半球形，而是采用了精密的双层冲压式伞衣结构，其翼型剖面更接近鸟类的翅膀，能产生更高的升阻比。更重要的是，它通过操纵绳牵拉伞体左右两侧的后缘，可以像鸟儿调整翅膀一样改变飞行方向，从而实现可控滑翔。

　　但翼伞系统依然有其局限性，它本身没有动力，无法主动爬升或长时间维持高度，其飞行距离和留空时间完全依赖初始投放高度和大气环境。

　　如何让这只能滑翔的“风筝”飞得更远、更自主？答案呼之欲出——给它装上“心脏”和“大脑”。工程师们在翼伞的后方或下方，加装了驱动器和螺旋桨作为动力系统，为翼伞提供持续推力，不仅能保持高度，还能主动爬升，飞行速度和续航都大大提升。

　　至此，一个融合了柔性翼伞的升力特性与动力推进系统的“新物种”诞生了——伞翼无人机。它不再是单纯的降落工具，而成为一款具有独特优势的可控、智能动力化飞行平台。

　　化柔为刚智驭风云：翼伞发展的关键突破

　　翼伞优势明显，但“进化”之路并非坦途。早期需要依赖经验丰富的操控员手动控制，极大限制了其在复杂、危险或需要自主任务环境下的应用。例如在2008年汶川大地震救援中紧急应用的翼伞，虽然让人们意识到伞降系统的价值，但亦凸显其局限性——高度依赖人员操作、落点难以精确控制，本质上是一种充满未知风险的“盲跳”。

　　近年来，随着嵌入式控制系统、高精度传感器（如GPS、惯性测量单元IMU、气压计、空速计）、无线通信技术以及人工智能算法的飞速发展，翼伞系统迎来了智能化升级的春天，成功解决了几个制约其广泛应用的核心难题。

　　“软翅膀”的硬挑战：柔性建模与仿真。翼伞最大的特点，也是最大的技术难点在于其“翅膀”是柔性的。与传统固定翼飞机刚性的金属或复合材料机翼不同，翼伞的伞衣由柔性织物构成，在空中飞行时会不断发生复杂的变形和褶皱，这种动态的柔性结构导致其空气动力学特性极其复杂且难以预测，困难程度堪比试图精准预测狂风中旗帜的每一下细微摆动。而基于刚体假设的传统动力学模型在这里也并不奏效。

　　针对这一问题，科学家们转而借助强大的计算流体力学仿真技术。他们将柔性伞体和周围的气流环境，在计算机中“切割”成数百万甚至上千万个微小的网格单元，然后通过反复迭代，求解柔性材料每一次形变的应力方程和材料周围复杂的流体力学方程，模拟空气如何流过每一个网格、如何与变形的伞衣相互作用。这种高精度的仿真，如同在数字世界里为翼伞系统搭建了一个无比接近现实的“风洞”，为后续设计稳定可靠控制系统提供了至关重要的理论基础与测试环境。

　　“大风筝”的稳定性：对抗风扰的智慧。由于伞衣展开面积大，拥有巨大的特征面积，使得它对风场变化异常敏感。侧风或上升/下降气流都可能让它偏离预定航线，甚至导致失控。如何让这只“大风筝”在变幻莫测的气流中保持稳定飞行，也就成了翼伞系统应用的最主要问题。这依赖于两方面的技术结合：一是风场感知与预测，二是抗扰控制。

　　风场感知与预测是指低速飞行器没有有效测量风场的传感器，只有通过实时感知自身的姿态、速度、位置变化，结合先进的估计算法，才能够“感知”风的存在和大小方向，甚至能根据历史数据和当前状态，对即将遇到的风场进行短时预测。

　　抗扰控制是指结合对风场的感知和预测，翼伞系统的“大脑”——飞行控制系统就能发挥作用。它不再采用简单的“指令—响应”模式，而是运用自抗扰控制等先进算法进行。这些算法就像经验丰富的“风筝高手”，能根据当前风速、风向、伞体姿态以及预测到的风况，快速计算出最优的操纵绳拉力组合与发动机推力调整方案，实时抵消风的影响，保持航向和高度稳定。这相当于装上了敏锐的“感官”和强大的“抗风神经”。

　　同时，自主飞行的核心是精准导航与轨迹跟踪，在解决了稳定性问题之后，控制系统根据任务目标、地形信息（GIS）、禁飞区、气象预报等，规划出最优的飞行路径。在飞行过程中，先进的轨迹跟踪算法会实时比较实际位置与规划路径的偏差，并快速调整控制指令，确保其紧紧“咬住”预定航线飞行。最后，翼伞系统还需具备自主地从A点飞到B点，并精确地执行定点空投、区域巡查等任务的能力。

　　智能羽翼未来可期：伞翼无人机的广阔天地

　　近年来，智能算法的发展和深度应用，为伞翼无人机赋予了强大的环境感知、自主决策、精准控制和协同作业能力。通过搭载可见光/红外摄像头、多光谱传感器、小型合成孔径雷达甚至激光雷达，伞翼无人机化身为空中的“感知平台”，可以执行大范围的地形测绘、农作物长势监测、森林火情巡查、灾害评估（如洪水、地震后）、管线巡检等任务，获取高清图像和丰富数据。未来，伞翼无人机更有望与多旋翼、固定翼等其他类型无人机，甚至地面机器人、指挥中心实现信息互通与任务协同，变得越来越“聪明”。

　　这也让翼伞系统的应用前景更令人振奋。

　　在交通阻塞的灾区，固定翼无人机可以携带药品、食品、通信器材等关键物资飞临灾区上空，翼伞系统实现精准空投，大大提升救援效率，降低人员风险。它将成为“空中生命线”的重要组成部分。

　　在大面积农田上，伞翼无人机可做长时间巡航，进行作物健康监测、病虫害预警、灌溉评估，甚至执行农药或肥料精准播撒，助力智慧农业发展。它可在森林、草原、湿地、海洋等广阔区域进行常态化巡查，监测盗伐盗猎、污染排放、动植物种群变化等，为生态保护提供即时数据。

　　在边境巡逻、海域监视、大型活动安保、森林防火瞭望等场景，伞翼无人机可利用其远优于其他无人机的超长续航优势，提供持久的情报与侦察能力；在偏远地区、灾区等，它也能提供临时的通信中继服务。

　　随着材料科学、人工智能、能源技术的持续进步，伞翼无人机，这个脱胎于古老降落伞的科技结晶，正经历一场由智能化驱动的深刻变革。它巧妙地利用柔性织物的特性获得高效升力，具有优于固定翼飞机的低速巡航特性，带负载能力又强于旋翼机，通过现代动力、感知、控制和人工智能技术的加持，克服了“柔弱”带来的控制难题，化身为稳定、可靠、智能的空中作业平台。它的优势——长航时、大载荷能力、低噪音、低成本和较高的安全性，使其在众多需要长时间、大面积作业的领域具有不可替代的价值。

　　翼伞系统应用场景也将更加广阔，人们甚至正在探索将其放飞于火星大气层中。可以预见，“智能风筝”定将搭载更多科技之光，飞向愈加广阔而精彩的未来。

　　《光明日报》（2025年07月17日 16版）