無人運輸機發(fā)展綜述

林一平

近年來，無人運輸機作為軍民融合典型的無人機型，不僅擁有巨大的市場需求，而且取得了很多試驗成果。按有效載荷分類，無人運輸機有有效載荷從小到數(shù)千克的快遞無人機，也有大到數(shù)噸重的無人運輸機，發(fā)展勢頭迅猛。無人運輸機的設計涉及戰(zhàn)略定位、主導類型、主流模式、新技術應用、系列化發(fā)展等方面，在使用中也形成了各自不同的設計風格。

航空史上不乏有先研制出新機型再去找市場的做法，不乏有技術成功而商業(yè)并不成功的實例。這樣做不僅費時費力十分被動，而且還反映出其戰(zhàn)略缺位，缺乏市場意識，且不可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)今無人運輸機的研發(fā)之路不同以往，其從頂層設計開始就緊密聯(lián)系著市場需求，對標清晰，使得用戶就在身邊，有用戶全程參與項目，有用戶樂于使用新機型，并且有明確的戰(zhàn)略定位，能夠持續(xù)發(fā)展。

發(fā)展戰(zhàn)略

國內著名快遞企業(yè)順豐控股（集團）股份有限公司的無人運輸機發(fā)展戰(zhàn)略就是計劃以湖北省的鄂州市為中心，形成干線飛機支線大型無人機末端小型無人機組成的“大中小”、“遠中近”三段式對接的空運鏈條，飛行半徑覆蓋國內中部、東部、南部、北部一部分區(qū)域，建立起全國36h通達的航空物流網(wǎng)，實現(xiàn)2h內覆蓋中國900的GDP城市和區(qū)域。

國內另外一家著名快遞企業(yè)北京京東世紀貿易有限公司無人運輸機的發(fā)展戰(zhàn)略就是計劃以陜西省為試點，創(chuàng)新模式、建立二大中心、三級物流、四省運營，打造無人機+通航全域物流網(wǎng)絡。北京京東世紀貿易有限公司也是物流界自發(fā)提出研制無人運輸機的大型物流企業(yè)。在引進專業(yè)人才、成立無人機研究所、自主開發(fā)適合快遞空運的新機型、保護知識產(chǎn)權、注重無人機體系建設等方面均進行了大量前期工作，并在依托飛機城優(yōu)勢，鞏固西部“根據(jù)地”，穩(wěn)步推進物流網(wǎng)絡建設方面，正在取得令人矚目的成績。

正是由于順豐控股（集團）股份有限公司、北京京東世紀貿易有限公司這些物流大企業(yè)有明晰的無人運輸機發(fā)展的戰(zhàn)略定位，經(jīng)營業(yè)務有廣闊的市場需求和強大的技術支撐，保證了無人運輸機批產(chǎn)投入使用后就有用戶，就能夠投入實際運營，并產(chǎn)生出經(jīng)濟效益。通過差異化發(fā)展形成優(yōu)勢互補的良性競爭。

垂直起降呈現(xiàn)主流

由于國內外各地機場資源的稀缺，加上難以找到理想的場地及跑道等使用、受多種管理制度的限制，無人運輸機更多地傾向于采用垂直起降型的設計。并且，事實上目前垂直起降型的無人機不僅機型占優(yōu)，而且數(shù)量龐大，呈現(xiàn)主流。其中，四旋翼無人運輸機還成為基本型，在技術上日趨成熟，普及面廣，應用領域眾多。

圖1是四旋翼無人機垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動的原理圖。其作為入門級機型，用戶通過改變四旋翼之間的動升力及其矢量值，調整扭矩、利用差動微調等來操控無人機，技術并不復雜，也都能在短時間內掌握得很好。

圖2為四旋翼無人機攜載物件正在抵近降落地點。從中可見其氣動外形設計不僅保持簡潔，而且在減小空氣阻力方面下了功夫，機身前后圍均經(jīng)過整流處理，快件被夾持在機腹中央，很好地控制了載荷重心位置，再配上角撐式四點式起落架，不僅整個結構連續(xù)一流暢一緊湊，而且總體設計趨向合理。

對這類無人運輸機的設計一使用要求：

可垂直起降——實現(xiàn)無機場運作，簡化勤務保障;

有效載重大——以滿足更多用戶的實際需求;

能自主飛行——提高自動控制和智能化水平;

系統(tǒng)可靠性高——一方面提高子系統(tǒng)可靠性，另一方面系統(tǒng)本身具有冗余度;

飛行安穩(wěn)性好——可確?？者\任務的順利完成;

可全天候飛行——能夠在復雜氣象條件下飛行;

續(xù)航力持久——留空時間長，航程遠;

系列化發(fā)展——保持技術的延續(xù)性，豐富空運市場需求，使用戶有更多的選擇;

抗干擾性強——可在復雜環(huán)境及強電磁波干擾條件下維持正常飛行;

可智能識別——可識別大人/小孩、性別、人臉、指紋、聲音等;

終端掃描簽收——能與手機使用對接。

多旋翼機占據(jù)主導

通常，垂直起降型的無人機大多采用多旋翼總體布局，其帶來的好處是由分布式的多旋翼提供動升力來滿足垂直起降和水平飛行的需要，通過局部多臺小功率電機來保障整體達到大功率電機的功效，可降低技術難度，并分散技術風險，技術上容易上手，能較快取得成果，主導了當前無人機的發(fā)展。

圖3是一種六旋翼無人運輸機，它攜帶著標準外包裝紙箱的快件正在飛行途中。其六旋翼連同驅動電機均布在懸臂端部，共同產(chǎn)生動升力來分擔夾掛在下方的有效載荷，能夠有效地控制重心位置，確保無人機操控時的安穩(wěn)性。其6條懸臂根部均匯聚在中央盤盒，符合力學受力要求。并且外包整流罩，還有助減阻。

圖4由四旋翼延展出的八旋翼無人運輸機。其創(chuàng)新處在于采用Y型懸臂拓展，增強了旋翼無人機的功能。從圖中可見，原來只是4條主懸臂，后來在4條主懸臂外端部再分別增加了4個V型臂，這樣就將原來的4旋翼延展出了8懸臂，再在8懸臂上分別安裝配套的驅動電機和旋翼，就成為了地道的八旋翼無人運輸機。很顯然，若與同等配置的四旋翼無人運輸機相比較，其效能提高了1倍。雖然這里展示的只是裸機，但是它卻揭示了4懸臂變成8懸臂，4旋翼變成8旋翼的奧秘。通過在懸臂四周開孔，還揭示了無人機輕量化的途徑。

圖5是一種六旋翼無人機平臺，其6對電機與旋翼組呈60°夾角均布。其機身外形呈多棱角平面狀，航材含吸波特性，有一定的隱身功能。其起落架為外趴式桿狀結構，保持一定的離地高度，以便攜帶較大的有效載荷。

圖6為五涵道旋翼無人機平臺。其中，四涵道旋翼屬于同一規(guī)格，呈90°夾角均布，安裝在懸臂梁端部。另外，那個大涵道旋翼安裝在中央，下方吊掛了一個光電球探測器（也可以是其他有效載荷），可全景觀察和拍攝外景，搜索目標，跟蹤目標。

圖7為上海交大16旋翼無人機及便攜式機站。該機懸臂及旋翼按4*4矩陣加對角斜撐格局分布，是迄今國內旋翼數(shù)量最多的旋翼無人機。其最大起飛重量20kg，有效載荷8kg。能夠垂直起降;全程自主飛行，無須人工干預;巡航速度50km/h，最大飛行高度500m，續(xù)航時間30min。飛行定位精度0.5m，操縱方式可采取手機安卓系統(tǒng)、IPhone、IPad（IOS）。

該16旋翼無人機懸掛彩旗、標語曾經(jīng)常出現(xiàn)在上海交大校慶活動中，并被“五四”農場訂購了2架用于農業(yè)生產(chǎn)和科研。

中小型機普及迅猛

根據(jù)多方的統(tǒng)計資料，中小型無人運輸機數(shù)量已經(jīng)占據(jù)了無人運輸機總量的90%左右。其原因有市場需求，貼近用戶、使用靈活、制造成本可承受、售價不高、技術并不復雜、比較實用、經(jīng)濟性較好。

從總體布局看既有常規(guī)型的，也有非常規(guī)型的;既有依靠跑道助飛的，也有依靠彈射器助飛的，還有靠自行起降的。

常規(guī)型總體布局的無人運輸機酷似縮小版的普通飛機，升力部件和操縱面齊全，整個飛行過程也與普通飛機相類似，并且有在常規(guī)總體布局基礎上進一步發(fā)展的三翼面布局的無人運輸機。非常規(guī)型總體布局的無人運輸機形式多樣，有無尾型、飛翼型、環(huán)翼型、飛碟型、氣墊型的。

圖8是垂直起降三翼面布局的無人運輸機。它采取8旋翼對稱布置，三翼面雙尾翼布局。雙桿8旋翼以機翼為界，4前4后，這種均布結構能夠使它獲得更平穩(wěn)的垂直起降性能。它的機身除了可以安裝下較多的機載設備和系統(tǒng)，艙內還可以安裝下較大、較重的有效載荷，空氣阻力亦更小。雙尾翼可提供良好的方向穩(wěn)定性和操作性。三翼面布局作為常規(guī)布局的拓展，保持了更佳的氣動性能，具有更好的安穩(wěn)性，更優(yōu)的巡航性能。與目前大多數(shù)無人機相比較它具有更強的運載能力。

圖9用于快遞的組合布局無人運輸機。它采用三垂尾構架式布局，后三點起落架，構架式載貨平臺。其整體結構緊湊合理，強、剛度有保證，可以滿足使用要求。其外露件少，氣動性能尚好，空氣阻力亦小，安穩(wěn)性也有保障。它能夠垂直起降，并由中央尾槳推進，飛行性能更優(yōu)。

飛翼式布局也是無人運輸機理想的總體布局之一，它可以是常規(guī)飛翼式總體布局，也可以是無尾飛翼式總體布局。飛翼式布局升力系數(shù)大，外形簡潔，氣動阻力小，具有優(yōu)良的氣動性能，飛翼有很好的卸載功能，適合制成大型的翼內貨艙。

圖10是飛翼式布局單發(fā)推進的無人機平臺，亦可作為中小型無人運輸機使用。其采用無尾設計，扁平化的機身可用來安裝機載設備、有效載荷、動力裝置。推進式螺旋槳就位于機尾中央，提供該機的水平飛行和巡航的驅動力。該機的襟翼和副翼就位于機翼后緣，在擁有優(yōu)良的橫向穩(wěn)定性與操縱性的同時，通過機翼后掠，增加重心移動范圍，改進縱向穩(wěn)定性與操縱性。通過設置雙立尾式翼梢小翼在達到減小誘導阻力，改善巡航性能的同時，還起到了提供方向穩(wěn)定與操縱的功能。

復合布局異軍突起

近幾年，集旋翼無人機與常規(guī)無人機之大成的復合式布局的無人機大行其道，作為異軍突起的新秀，風靡無人機業(yè)界。原因是它既具有旋翼無人機可垂直起降、空中懸停的功能，又具備常規(guī)無人機出色的巡航功能，二者合二為一地體現(xiàn)在同一架無人機身上，具有使用中的便捷性和靈活性，而且平飛速度、有效載重、續(xù)航力、升限、巡航性能、航程等項技術指標均優(yōu)于旋翼無人機。

圖11是四旋翼單槳推進無人機平臺。它采用平直上單翼配倒V型尾翼，類似雙尾撐的布局。而與雙尾撐不同之處是該雙尾撐實際還縱向做了前伸，中間與機翼相連，供四旋翼前后安裝在基座上，雙尾撐再與倒V型尾翼相連接。其所擁有的大貨艙機身依然位于中央。從總體設計分析，其在提高飛行性能的同時，仍然注重氣動減阻和結構輕量化。

圖12是另外一種四旋冀無人機平臺。它采用平直上單翼配V型尾翼，前后雙橫梁的布局。該雙橫梁分別位于前機身和后機身處，供四旋翼前后安裝在基座上。機翼采取斜撐桿結構，與機身相連接。起落架為輪式后三點。其擁有大型載荷艙的機身，V型尾翼就安裝在機身尾部。從總體設計分析，其在提高飛行性能的同時，同樣注重氣動減阻和結構輕量化。

圖13是一種采用大展弦比飛翼式復合布局的無人機平臺，它可垂直起降。該機動力系統(tǒng)由4副旋翼]個推進式螺旋槳組成。4副旋翼通過雙細桿對稱布置在左右兩側機翼的前后方，分別由4臺電機驅動，主要用于產(chǎn)生垂直起降和空中懸停時的動升力。該無人機飛抵一定高度后，則主要靠位于機尾中央后延伸端的推進式螺旋槳提供水平飛行和巡航的驅動力。

該機的襟翼和副翼位于機翼后緣，可提供良好的低速性能和橫向穩(wěn)定性與操縱性，改進縱向穩(wěn)定性與操縱性。雙立尾式翼梢小翼可在減小誘導阻力，改善巡航性能的同時，起到提供方向穩(wěn)定與操縱的功能。這個實例可以視為前述飛翼式布局單發(fā)推進的無人機的升級版和改進版。它揭秘了飛翼式復合布局的無人機同樣也可垂直起降、空中懸停的奧秘，并且極大地方便了用戶對該無人機平臺的技術升級、擴容、改裝和使用。

大重型機受到重視

近幾年，不僅大型無人運輸機受到重視，而且重型無人運輸機也受到重視，有效載荷達到數(shù)噸級，甚至還出現(xiàn)了集裝箱型的無人運輸機。

圖14是國產(chǎn)AT200常規(guī)布局的貨運無人機。該機由原來有人駕駛型飛機改裝成無人機。采用單發(fā)螺旋槳下單翼常規(guī)氣動布局，前三點起落架，內置貨艙。翼展13m，機長12m。貨艙10m³。最大有效載荷1500kg。巡航速度260km/h，最大航程2000km。顯然比多旋翼無人機更適合“干重活”。

圖15是俄羅斯第一種重型無人機Altius，其外形酷似一架縮小版的雙發(fā)螺旋槳運輸機。該無人機采用雙發(fā)上單翼V型尾翼布局，前三點起落架。整機動力裝置為小型渦槳發(fā)動機，配三葉螺旋槳。其起飛重量達5000kg，可攜帶2000kg有效載荷。單有效載荷就占了整機的40%，其運力的確不可小覷。

由此可見，俄羅斯從自己國情出發(fā)，不拘泥于一些細節(jié)和短板，注重發(fā)揮自己的航空傳統(tǒng)優(yōu)勢，應用于無人運輸機的設計中，把航材一結構一動力與成熟的制造一工藝一經(jīng)驗結合起來，力爭在無人機大型化、重型化方面走在世界前列。

圖16是俄羅斯車載集裝箱無人機。它可以折疊，放進6m長貨物集裝箱，可花10min組裝。該機長2.2m，翼展5.2m，最大飛行速度為每小時70km，升限為3000m，能夠高效地攜帶181kg重的負載，最大續(xù)航可達8h。其自主飛行控制的精度則在30cm左右。動力裝置使用活塞發(fā)動機，最大可將重物送到350km遠的地方。圖16為該集裝箱型無人運輸機懸吊大型物件在與貨船配合作業(yè)。

集裝箱型無人運輸機的誕生，徹底改變了人們的習慣思維。這種看似簡陋、陳舊的構架式結構，以及復合三角支架的應用不僅保障力學性能恰到好處，而且還有減重效果，工藝簡單，制造成本也不高，符合實用性要求。給人的啟迪是集裝箱可制成無人機，集裝箱也能飛上天;更何況其他……設計者則需要考慮它后續(xù)的系列化發(fā)展，形成不同尺寸、重量規(guī)格的集裝箱型無人運輸機，滿足市場需要，可供用戶選擇?；蛟S，未來還可以有更大膽的創(chuàng)新舉措出現(xiàn)。

無人運輸機的系統(tǒng)化、體系化發(fā)展也是頂層設計的重要內容。它不再歸屬單機的總體和系統(tǒng)設計，不再滿足于搞單打獨斗式的演示，而要考慮多機的系統(tǒng)設計的協(xié)調和協(xié)同，批量裝備的使用。包括能夠支持多機編隊飛行，有明確的任務、航線，互相之間能夠抗干擾、有序飛行、避碰撞、重復飛行、安全降落等項要求。

無人運輸機作為軍民融合的機型，其頂層設計牽涉到戰(zhàn)略定位，新技術應用、系列化發(fā)展。其機型類別、大小、數(shù)量多少由空運市場需求、由用戶要求決定。無人運輸機作為可持續(xù)發(fā)展的機型，研究其主導類型、主流模式、設計風格，以及創(chuàng)新發(fā)展，把握其趨勢不僅對研發(fā)部門，而且對使用單位均具有現(xiàn)實意義。