呼之欲出的大型貨運(yùn)無人機(jī)

徐德康

隨著航空貨運(yùn)需求量的逐年增加以及互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和各類無人創(chuàng)新技術(shù)的成熟，一些無人機(jī)制造商已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了大型貨運(yùn)無人機(jī)的研制，這類飛機(jī)的尺寸和攜帶有效載荷的能力可以達(dá)到現(xiàn)在商用飛機(jī)的量級，甚至直逼波音747的大小和運(yùn)載能力。

隨著電子商務(wù)和快遞業(yè)務(wù)的增長，許多貨運(yùn)企業(yè)開始關(guān)注能自主飛行的貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展，用貨運(yùn)無人機(jī)作為地面物流系統(tǒng)的補(bǔ)充已經(jīng)成為行業(yè)的共識。但是截至目前，與無人機(jī)物流有關(guān)的活動大都集中在投送小型包裹的小型無人機(jī)上，大型貨運(yùn)無人機(jī)的應(yīng)用一直被視為是未來的事。然而，隨著航空貨運(yùn)需求量的逐年增加，持證飛行員的數(shù)量已經(jīng)出現(xiàn)緊張，加上航空人工成本日漸攀升，促使無人機(jī)制造商和貨運(yùn)公司越來越期望能夠提升貨運(yùn)無人機(jī)的有效載荷能力，甚至發(fā)展出有效載荷1f以上的貨運(yùn)無人機(jī)。與有人駕駛大型貨運(yùn)飛機(jī)相當(dāng)?shù)拇笮拓涍\(yùn)無人機(jī)的研發(fā)也提上日程，并期望于2020年投入使用。

例如，美國的納體魯斯貨運(yùn)公司（Nafilus）在2017年11月已經(jīng)結(jié)束了第二輪種子基金的融資，計(jì)劃首先研制一款水上貨運(yùn)無人機(jī)，接著研制陸基大型貨運(yùn)無人機(jī)，其大小相當(dāng)于波音747，其縮比的原型機(jī)的飛行試驗(yàn)正在準(zhǔn)備中。美國的埃爾羅伊航空公司（ElroyAir）也在201 7年12月獲得了460萬美元的種子基金，開始研制電動垂直起降大型貨運(yùn)無人機(jī)，也準(zhǔn)備進(jìn)行縮比原型機(jī)的飛行試驗(yàn)。美國另一家企業(yè)“劍翼”飛機(jī)制造公司在2018年1月完成了首輪融資，籌集到近100萬美元，計(jì)劃研制大小相當(dāng)于賽斯納208“大篷車”飛機(jī)的區(qū)域貨運(yùn)無人機(jī)，并期望在今年秋季進(jìn)行65%縮比樣機(jī)的飛行試驗(yàn)。

超大型貨運(yùn)無人機(jī)

成立于2014年的納體魯斯公司一直致力于研制一款能替代傳統(tǒng)貨運(yùn)飛機(jī)的低成本空中運(yùn)輸工具，可用于橫跨太平洋和大西洋航線。但是如果選用傳統(tǒng)的空運(yùn)系統(tǒng)，雖然速度快但價(jià)格昂貴，如果選用海運(yùn)則運(yùn)費(fèi)便宜，但速度太慢。所以納體魯斯公司正在尋求第三種方案，即研制一款超大型貨運(yùn)無人機(jī)，貨運(yùn)載荷及航程與波音747/777貨機(jī)相當(dāng)，而運(yùn)輸成本減半。這種貨運(yùn)無人機(jī)將使用渦槳發(fā)動機(jī)，從而降低油耗以節(jié)省燃油成本，這樣雖然飛行速度較噴氣式飛機(jī)慢，僅有Ma0.4，但仍比貨船速度要快十幾倍。

根據(jù)納體魯斯公司的計(jì)劃，第一步是先制造一架重900kg、長9m的縮比水上無人機(jī)，其大小和重量與“捕食者”無人機(jī)類似，但有效載荷為320kg，采用一臺Rotax 912活塞發(fā)動機(jī)作為動力，并已經(jīng)獲得FAA的試飛許可。納體魯斯公司認(rèn)為，在水上運(yùn)營的無人機(jī)能比較容易獲得認(rèn)證，因?yàn)樵诤Ｉ掀鸾岛惋w行可以不經(jīng)過人口稠密的城鎮(zhèn)上空。第二步是利用以上設(shè)計(jì)衍生出一架全尺寸的貨運(yùn)水上無人機(jī)，無人機(jī)全長60m，有效載荷90f，期望到2020年投入使用。此全尺寸無人機(jī)可能使用渦槳或渦扇發(fā)動機(jī)，但不大可能使用電推進(jìn)系統(tǒng)，因?yàn)榧{體魯斯認(rèn)為電動系統(tǒng)不適合用于貨運(yùn)飛機(jī)。

納體魯斯公司的最終計(jì)劃是研制一款在陸地上使用的超大型貨運(yùn)無人機(jī)，采用翼身融合體（BWB）布局，從而增加貨艙容積。納體魯斯公司認(rèn)為，現(xiàn)在傳統(tǒng)形式貨運(yùn)飛機(jī)雖然載荷較大，但貨艙的容積較小，由于電子商務(wù)的增長，貨艙常常在達(dá)到有效載荷上限之前就已被塞滿，從而浪費(fèi)了有效載荷。采用了BWB設(shè)計(jì)后，貨艙的容積可增加30%。根據(jù)公司計(jì)劃，首先制造的將是一款最大起飛重量約9.1f、能攜帶3.5～4.5f有效載荷的小型無人區(qū)域貨機(jī)，采用PT6A渦槳發(fā)動機(jī)作為動力。該機(jī)計(jì)劃在2020年進(jìn)行飛行試驗(yàn)，并按照FAA重新修訂的FAR 23部規(guī)定、在未來3年內(nèi)進(jìn)行認(rèn)證。納體魯斯下一步將研制一款有效載荷40f、尺寸相當(dāng)于波音767的貨運(yùn)無人機(jī)；而最后研制的將是相當(dāng)于波音747/777大小、能攜帶100～120t貨物的跨太平洋貨運(yùn)無人機(jī)。

“鋁質(zhì)獵鷹”垂直起降貨運(yùn)無人機(jī)

成立于2016年11月的埃爾羅伊（EIroy Air）公司，最初是想擠入eVTOL城市飛行器市場，但是在了解了客運(yùn)無人機(jī)認(rèn)證的時(shí)間框架后，決定轉(zhuǎn)向貨運(yùn)無人機(jī)市場；其目標(biāo)是能垂直起降的大型貨運(yùn)無人機(jī)，潛在客戶是飛行距離約480km內(nèi)的短程航空物流服務(wù)公司。

埃爾羅伊公司認(rèn)為，使用垂直起降貨運(yùn)無人機(jī)有兩點(diǎn)優(yōu)勢。首先是成本低，使用垂直起降的貨運(yùn)飛機(jī)，可以不必使用費(fèi)用高昂的機(jī)場等基礎(chǔ)設(shè)施，制造和運(yùn)營成本較低；其次是時(shí)效性高，例如很多貨物投遞路線的地形不適合采用卡車投送，或者用卡車投送的效率太低，而貨運(yùn)無人機(jī)飛行速度則要快得多，而且埃爾羅伊公司還計(jì)劃配備貨物裝卸的地面機(jī)器人，機(jī)器人可自動撿起裝有貨物的吊艙。任務(wù)的整個(gè)過程不需要很多人參與，只需用一名操縱員就可管理一個(gè)機(jī)隊(duì)，人工成本也大大降低。埃爾羅伊公司正在研制自動駕駛儀，并表示最初貨運(yùn)無人機(jī)原型機(jī)的飛行將由地面操縱員遙控，然后逐步添加自主飛行功能，最終的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款可由一名地面操作員管理5架貨運(yùn)無人機(jī)的無人貨運(yùn)系統(tǒng)。

埃爾羅伊公司正在研制的這款貨運(yùn)無人機(jī)被稱為“鋁質(zhì)獵鷹”，采用雙撐桿串列機(jī)翼設(shè)計(jì)，中央機(jī)身下半部為貨艙，在每個(gè)撐桿下面分別裝有3個(gè)螺旋槳用于垂直升降，機(jī)尾有一個(gè)推進(jìn)螺旋槳用于向前飛行。該機(jī)可攜帶68kg貨物，飛行速度為161km/h。埃爾羅伊公司現(xiàn)在正在制造一架縮比貨運(yùn)無人原型機(jī)，以驗(yàn)證空氣動力學(xué)和飛控系統(tǒng)，而且希望這種貨運(yùn)無人機(jī)能在城市地區(qū)運(yùn)行。雖然這種大型貨運(yùn)無人機(jī)比普通飛機(jī)飛得低，速度也較慢，但仍然會與普通飛機(jī)共享空域，因而必須為其配備空中防撞系統(tǒng)。

全尺寸“鋁質(zhì)獵鷹”原型機(jī)的升力系統(tǒng)（旋翼、電機(jī)和控制器）已經(jīng)得到驗(yàn)證，包括升力和噪聲的測量。試驗(yàn)表明，“鋁質(zhì)獵鷹”的每個(gè)旋翼都達(dá)到了預(yù)期的推力，而噪聲只比環(huán)境噪聲高了“幾分貝”。同時(shí)，由于采用了可變矩旋翼，因此允許采用更大直徑的旋翼，其轉(zhuǎn)速可以更慢，噪聲也就更低。

埃爾羅伊公司表示，“鋁質(zhì)獵鷹”縮比原型機(jī)的地面試驗(yàn)將于近期開始，而全尺寸原型機(jī)的試飛將在今年夏末進(jìn)行，期望能在2021年提供最初的客戶。

“雙足飛龍”貨運(yùn)無人機(jī)

美國“劍翼”飛機(jī)公司采取了不同的路線進(jìn)入貨運(yùn)無人機(jī)市場。該公司首先制造了稱為“天龍座”2（Draco-2）無人機(jī)的65%縮比驗(yàn)證機(jī)，設(shè)計(jì)航程可達(dá)9250km，該機(jī)將參加在2019年秋季舉行的“太平洋無人機(jī)”挑戰(zhàn)賽。該挑戰(zhàn)賽要求無人機(jī)從日本仙臺直飛美國硅谷，飛行距離達(dá)8320km。在整個(gè)飛行中，要求無人機(jī)不經(jīng)停、不加油、也不能使用熱氣球、火箭等輔助飛行方式，而且要全程無人駕駛自主飛行。

“劍翼”飛機(jī)公司表示，“天龍座”2也是公司計(jì)劃研制“雙足飛龍”（Wyvern）貨運(yùn)無人機(jī)原型機(jī)，該機(jī)的尺寸和飛行速度與賽斯納208“大篷車”相當(dāng)，但攜帶的有效載荷幾乎是“大篷車”的兩倍。

“雙足飛龍”將采用混合電動推進(jìn)系統(tǒng)，采用兩臺汽油發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，為成對安裝的8個(gè)風(fēng)扇提供電力。但“天龍座”2與“雙足飛龍”還存在較大區(qū)別，“天龍座”2不是一種垂直起降無人機(jī)，而“雙足飛龍”則可以垂直起降，不僅能攜帶更大的有效載荷，還可以超短距起飛，并在目的地垂直降落。該機(jī)不僅可以服務(wù)于與“大篷車”飛機(jī)航程范圍相同飛行距離為370～1480km的市場，而且可以深入到基礎(chǔ)設(shè)置較差的偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村。

無人駕駛電動飛機(jī)

據(jù)美國《航空周刊》2017年2月報(bào)道，迪拜的道路和運(yùn)輸管理當(dāng)局（RTA）主席馬塔爾阿爾塔耶爾表示，阿聯(lián)酋政府計(jì)劃到2030年將25%的個(gè)人出行轉(zhuǎn)變成不同形式的無人駕駛運(yùn)輸方式。來自中國的億航公司已經(jīng)完成了全尺寸億航184無人駕駛飛機(jī)的飛行測試。億航184最大起飛重量為363kg，可搭載1名乘客進(jìn)行自主飛行。該機(jī)具有垂直起降功能，在4個(gè)懸臂端安裝有4對共8個(gè)旋翼。巡航速度為100km/h，巡航高度為914m，續(xù)航時(shí)間為30min，著陸速度為4m/sec，電池充電時(shí)間為1～2h。

另據(jù)美國《航空周刊》2017年10月報(bào)道，德國Volocopter公司與RTA啟動了為期5年的自主城市出租車（AAT）項(xiàng)目，其Volocopter2X雙座電動垂直起降飛機(jī)在2017年9月25日在迪拜完成了首飛。首飛在朱美拉海難上空持續(xù)了5min。Volocopter 2×是一架18旋翼垂直起降飛機(jī)，飛行速度可達(dá)100km/h，續(xù)航時(shí)間達(dá)30min。