運輸型無人直升機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)及建議

姬樂強 劉芳國

隨著軍事、民用領(lǐng)域?qū)罩形锪鞯募逼刃枨?，運輸型無人直升機將成為世界性的研究熱點。通過對國內(nèi)外運輸型無人直升機的研究現(xiàn)狀和需求分析，提出未來運輸型無人直升機發(fā)展需突破的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了我國運輸型無人直升機的發(fā)展建議。

空中物流概念的提出，為當(dāng)今世界物資運輸行業(yè)提供了極具前途的選項，同時對運輸型無人機在軍事、準(zhǔn)軍事、民用的發(fā)展提出了急迫的需求。從美國空中力量的發(fā)展路線可以看出，未來物資補給任務(wù)的四分之一將由無人機完成。

無人直升機能夠垂直起降和空中懸停，機動靈活性高，無需機場跑道，對起飛場地要求小，使用保障方便，所以相比固定翼無人機更加適合在高原、山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下使用。運輸型無人直升機對提高“最后一公里”運輸效率、作戰(zhàn)任務(wù)和救援任務(wù)成功率，增強運輸物資使用的時效性，解決運輸樞紐和集散中心的負(fù)擔(dān)、降低運輸成本等具有里程碑式的地位。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國外開展了多種運輸型無人直升機的研制工作。

美國在具有山區(qū)環(huán)境特點的阿富汗部署兩架貨運能力3.5t、續(xù)航能力402km的K-Max無人直升機進行自主貨運能力的驗證，以期解決后勤保障和作戰(zhàn)物資補給的精準(zhǔn)投放等問題。2017年，美國海軍完成了UH-1直升機手持平板操控的物資補給飛行演示。貝爾公司開始計劃研制商載450kg物流運輸型無人機APT，可實現(xiàn)將快遞上門的運輸任務(wù)。西科斯基通過改裝S-76直升機，設(shè)計了首款載客無人直升機SARA，并采用平板操控，完成了飛行測試。波音公司公布了一種電動八旋翼運輸型無人機eVTOL，該機重量339kg，有效載荷可達(dá)227kg，可在30km內(nèi)提供貨運服務(wù)。2017年6月，美國推出混合動力的無人直升機SureFly，該機可攜帶180kg貨物，飛行距離達(dá)llOkm。

俄羅斯正在研制卡-226T無人直升機，該機可執(zhí)行一切氣象條件下的運輸和特種任務(wù)，起飛重量3.4t，任務(wù)半徑600km，任務(wù)載重高達(dá)1.5t。

國內(nèi)開展無人直升機的研究較晚，盡管我國在國家政策層面大力推動無人直升機發(fā)展，但是，目前我國在物流及運輸領(lǐng)域可用的無人直升機裝備幾乎沒有。從任務(wù)載荷能力和環(huán)境適應(yīng)性出發(fā)，縱觀國內(nèi)現(xiàn)有成熟平臺，航空工業(yè)直升機設(shè)計研究所自主研制的AV500無人直升機，可以勝任部分物資運輸任務(wù)。AV500無人直升機最大起飛重量500kg，任務(wù)載荷高達(dá)150kg，最大續(xù)航時間lOh，實用升限可達(dá)5000m。

需求分析

航空貨運將物流行業(yè)從地面物流形態(tài)提升至空地一體形態(tài)。目前，物流行業(yè)世界年均包裹數(shù)量700億件、營業(yè)額高達(dá)4000億人民幣。據(jù)統(tǒng)計，2017年，國內(nèi)包裹數(shù)量占全球的近一半。電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，使得快遞的總量飛速增加，而物流運輸?shù)男屎统杀究刂瞥蔀楫?dāng)下十分尖銳的問題。同時，航運集散中心也難以承擔(dān)物流的迅猛增長，急需提高物流運輸“最后一公里”的運輸效率和運輸成本。采用無人機派送相比傳統(tǒng)物流模式可使得物流費用大大降低。

我國邊境線長，復(fù)雜地形山區(qū)、海洋和島嶼多，而在該地區(qū)的機場分布少，加之固定翼對使用保障要求高，不利于物資的末端運輸。目前適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，最高效的末端運輸裝備是直升機。而有人直升機受飛行員、飛行環(huán)境的限制較多，使用成本和風(fēng)險都比較高。無人直升機受人的因素、環(huán)境因素影響較小，特別是風(fēng)險較小，是最佳選擇。無人直升機執(zhí)行運輸任務(wù)時，對起降場地的要求極低，是支線固定翼運輸機的有效補充，也是現(xiàn)代運輸網(wǎng)的重要空中節(jié)點，具有極高的商業(yè)價值。

在高原、海上、島嶼等惡劣環(huán)境下，一旦發(fā)生軍事沖突或有人員在該地區(qū)受困或發(fā)生災(zāi)難事故，急需輸送戰(zhàn)需物資或救援物資。由于受地形和道路限制，以往該地區(qū)物資的末端運輸，無法采用機械化手段，多數(shù)采用化整為零，再通過人力和畜力并用的方式來實現(xiàn)，效率很低，嚴(yán)重影響人員救助的及時性和物資使用的時效性。特別是對于集成化的大型物資，即便是化整為零，也難以用人力和畜力來實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的末端運輸。這就迫切的需要具備大載荷、高升限、高環(huán)境適應(yīng)性、安全可靠性高的智能化運輸型無人直升機，突破惡劣環(huán)境限制，抵達(dá)救援現(xiàn)場，精準(zhǔn)投放或卸載救援物資，實現(xiàn)高原、海上或島嶼等地區(qū)的物資運輸任務(wù)，提高人員救助和物資運輸任務(wù)的成功率。

在海上，我國海域廣闊，石油資源豐富，各石油公司也是加緊了石油的勘探和開采，建立了大量的海上石油鉆井平臺。海上石油鉆井平臺相對孤立，平臺和陸地之間、平臺和海島之間、平臺和平臺之間不相連，物資和人員主要靠后勤供應(yīng)船和有人直升機承擔(dān)。由于平臺之間調(diào)運物資、工具、設(shè)備等物品相對重量較輕，體積較小，采用后勤供應(yīng)船進行調(diào)運成本過高，效費比低。而有人直升機使用維護成本高，往返運輸同時要考慮駕駛員疲勞及安全等因素。因此，海上作業(yè)引入運輸型無人直升機，可以執(zhí)行從陸地至鉆井平臺、鉆井平臺之間的物資運輸及調(diào)配任務(wù)，從而提高效費比，提升物資運輸調(diào)配效率，縮短作業(yè)周期，降低運輸成本。

此外，海事救助打撈、林業(yè)防護等各民用領(lǐng)域均對重型運輸型無人直升機提出了急迫的需求。

研制運輸型無人直升機，開展智能化、高性能、高可靠性的運輸型無人直升機技術(shù)研究，對支撐我國無人機物流商業(yè)化道路發(fā)展，滿足軍事、民用領(lǐng)域的實際需求均具有重要意義。在軍民融合形勢下，可以利用民用無人機技術(shù)，研制滿足部隊使用的戰(zhàn)備物資運輸型無人直升機，為國防建設(shè)作出應(yīng)有貢獻。

關(guān)鍵技術(shù)

未來運輸型無人直升機的發(fā)展需緊密結(jié)合用戶地域、時域的使用需求，同時考慮用戶使用的安全性和便捷性。因此，物資的快捷裝卸，智能化飛控、測控技術(shù)，高環(huán)境適應(yīng)性是運輸型無人直升機的主要發(fā)展方向。由此，未來運輸型無人直升機的發(fā)展必需突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）運輸型無人直升機貨物吊掛裝置技術(shù)研究

基于運輸型無人直升機貨物吊掛運輸需求，開展運輸型無人直升機可達(dá)性及快捷性的吊掛設(shè)計、重量重心設(shè)計等研究。

（2）運輸型無人直升機吊掛貨物穩(wěn)定飛行控制技術(shù)研究

開展運輸型無人直升機氣動特性及動力學(xué)建模技術(shù)，建立高精度的運輸型無人直升機吊掛貨物飛行動力學(xué)模型，開展運輸型無人直升機貨物吊掛飛行控制的自適應(yīng)魯棒穩(wěn)定性設(shè)計。

（3）運輸型無人直升機異地交權(quán)控制技術(shù)研究

開展運輸型無人直升機異地交權(quán)控制技術(shù)和衛(wèi)星通信測控技術(shù)研究。并基于該項研究開展飛行控制權(quán)限交接和無人直升機遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究。

（4）運輸型無人直升機智能著陸控制技術(shù)研究

基于復(fù)雜地形的自主著陸需求，開展多源傳感器信息融合技術(shù)研究，開展運輸型無人直升機自主著陸控制技術(shù)研究。實現(xiàn)無人直升機的智能著陸控制等功能。

（5）運輸型無人直升機自主識別與防撞技術(shù)研究

結(jié)合多傳感器智能感知技術(shù)，開展運輸型無人直升機自動控制技術(shù)研究。開展運輸型無人直升機飛行控制與管理系統(tǒng)頂層構(gòu)架設(shè)計，實現(xiàn)直升機的航線在線重規(guī)劃、自主識別與防撞、智能著陸控制等功能。

（6）運輸型無人直升機精準(zhǔn)投放技術(shù)研究

基于吊掛貨物穩(wěn)定飛行控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)、多源信息融合技術(shù)等，開展運輸型無人直升機飛行條件智能感知、智能決策，實現(xiàn)運輸物資點對點精準(zhǔn)投放的任務(wù)需求。

（7）運輸型無人直升機抗風(fēng)切變技術(shù)研究

針對高原地區(qū)復(fù)雜飛行環(huán)境，考慮風(fēng)切變對運輸型無人直升機飛行影響，開展風(fēng)切變下運輸型無人直升機飛行動力學(xué)和飛行控制律設(shè)計研究，進一步提高運輸型無人直升機環(huán)境適應(yīng)性和任務(wù)完成度。

發(fā)展建議

鑒于我國對運輸類無人直升機的急迫需求，建議國家層面進行頂層策劃，開展運輸型無人直升機發(fā)展路線圖及型譜規(guī)劃研究；制訂運輸型無人直升機相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系，如安全性、可靠性規(guī)范，吊掛等適航體系；開展運輸型無人直升機研制技術(shù)路線，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，可先行開展有人直升機無人化加改裝，滿足軍事、民用領(lǐng)域運輸型無人直升機的急需，同步開展“以任務(wù)為中心”的無人直升機的全新研制，解決未來運輸型無人直升機發(fā)展需求。同時，基于“軍民融合”發(fā)展思路，積極開展與民營企業(yè)如順豐、通航等的戰(zhàn)略合作，進一步推動運輸型無人直升機的研制發(fā)展。