相对於在地表上的马车、汽车等交通载具发展,空中飞行器的历史相当短,至今仅约100年出头,但飞行器的变化十分迅速且多样。简单来说,若以翼型来分类,类似鸟类有翅膀的飞行器,称之为「固定翼」或「定翼」飞机,是人类最早飞行成功的传统型式,也是目前最普遍且稳定发展的飞机型式。其他的翼型分类还有「旋翼」与「拍翼/扑翼」等。

新兴VTOL机种,除了机体结构变得较为简易,维修保养也变得较相对简单与低成本。(source:PCMag.com)
新兴VTOL机种,除了机体结构变得较为简易,维修保养也变得较相对简单与低成本。(source:PCMag.com)

常见的固定翼飞行器,概念上是利用空气力学中的浮力与反作用力而形成的飞行能力与操控。不过这类固定翼飞机,虽技术发展成熟且安全平稳,但仍有其缺点存在,因为绝大多数固定翼飞机,需要良好的机场跑道或较平整无障碍的滑行空间,才能让它们得以安全起飞与降落。因此,人类也不曾放弃思考设计能「垂直起降」的飞行器,亦即「VTOL」(vertical take-off and landing)飞行器的开发与思维。

想要真正拥有「垂直起降」(以下简称「VTOL」)能耐,首要条件是动力要能超过本身的重量,次要条件则是起飞与降落能够操控平稳且精准可靠。也因此VTOL飞行器较一般飞机不容易开发设计。

即便人类航空历史发展至今,能「旱地拔葱」脱离地心引力,又能够安然「垂直降落」的飞行器,至今成功知名且已被广泛应用的VTOL飞行器,大概只有「直升机」(属於旋翼类)。

早期VTOL因一直存在动力技术与控制方式二大难题,成为相对最为缓慢演进的飞行器类型之一。不过高贵又有难度的VTOL,却在最近不到10年间,出现了许多变化与突破。

多轴飞行器(全新VTOL)的横空出世,其功能价值造成影响,主因为其动力形式与控制方式大幅改善,以及价格成本出现突破性地发展。近年「无人机」的各种应用与服务的发展也与此有关,诸如:先受到消费市场的空拍(或称航拍)应用或休闲使用外,现已受到各国许多行业与政府机关的应用研讨,甚至已成部份国家产业发展战略中重要的推动项目。

新兴VTOL机种(包括现已常见的多轴飞行器,以及新开发设计的固定翼型VTOL飞行器或复合翼型VTOL飞行器等),除了机体结构变得较为简易,维修保养也变得较相对简单与低成本。

能「旱地拔葱」又能安全定点「垂直降落」的VTOL飞行器,概念上还大量省却了许多环境或基础建设的成本。包括不用大费周章清理大片场地或搭建昂贵起降跑道的飞机场。

过去想操控传统动力固定翼型飞机,不论是正牌飞行员或休间遥控人员,都需许多学习过程与累积飞行经验等磨练;但新兴VTOL(例如:多轴飞行器)具备有各式智慧感测、聪明演算、自动控制、精准稳定、简易好控制、可以空中停悬等特性加持,概念上已经把许多复杂且细腻的飞行问题,由飞行器产品本身担当了,人类可以只用高阶简洁的控制指令与任务规划来操控飞行器。

新兴VTOL飞行器,拥有低成本与高稳定度的空中作业能力,而且多数是不需要有人员在上面,但又能宛如有人在飞行器上面般地稳健操控与作业,这种可以遥控或自动的「无人」远端作业,能大幅降低人类於高空中工作或驾控的风险成本,又能简洁达成多种空中任务与服务效果。推测这种智慧型无人机在未来精进发展下,将连同地表上的机器人发展,共同打造更多「无人经济」运作模式。

在近年市场持续且频频出现VTOL的新跃进与新演进时,我们更大胆预测新兴VTOL的发展,将加速扩大人类的应用想像与服务范畴,甚至出现史无前例的成本效益。

VTOL不需要机场跑道或辽阔空间就能起飞与降落、起飞升空後即可跨越地表障碍物、有效快速移动前进,又可在空中停悬飘浮执行许多细腻工作;如果是固定翼VTOL,还能藉空气浮力节省飞行能源,增加更多航程、速度与载重能力等。

VTOL的功能意义与服务价值,受到市场消费者、行业专家、政府官员等的认同,各界亦开始思考如何善加利用VTOL无人机,进行特定应用服务与效益提升。尤其近年VTOL飞行器平价且功能完善,渐将鼓舞部分行业利用无人机进行产业升级,导致传统应用出现许多创新服务与改良变化,包括利用无人机进行货物运输、精致农业、警消巡检、环境调研、战场侦搜等应用。预计在各界投入开发之下,VTOL将逐渐由消费休闲市场,延伸至更多元的专业领域应用。(本文作者洪春晖为资策会MIC??所长、黄伟正为资策会MIC研究员)