低成本小型貨運(yùn)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)特色及其啟示

林一平

上海交通大學(xué)

小型貨運(yùn)無(wú)人機(jī)如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，增加任務(wù)載荷，降低制造成本和使用費(fèi)用，并且還能提升飛行性能，設(shè)計(jì)出有新意和特色不是件容易的事情，經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)保無(wú)人機(jī)、紙質(zhì)無(wú)人機(jī)、貨箱無(wú)人機(jī)的實(shí)例分析，能給設(shè)計(jì)師諸多帶來(lái)啟示。

小型貨運(yùn)無(wú)人機(jī)具有用途廣泛、穿透性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在軍/民領(lǐng)域都可廣泛運(yùn)用。關(guān)于小型貨運(yùn)無(wú)人機(jī)的研究正如火如荼，不但要考慮如何揚(yáng)長(zhǎng)避短、增加任務(wù)載荷、降低制造成本和使用費(fèi)用等方面，并且還要提升飛行性能，使得設(shè)計(jì)出有新意和特色的無(wú)人機(jī)并非易事。經(jīng)過(guò)目前的環(huán)保無(wú)人機(jī)和低成本貨箱無(wú)人機(jī)的實(shí)例分析，希望能給設(shè)計(jì)師諸多有益的啟示。

“可吃”的環(huán)保無(wú)人機(jī)

面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)需要不斷創(chuàng)新，這不但需要依靠高新科技的持續(xù)注入，也需要大量的工程實(shí)踐來(lái)支撐。甚至受到某些奇思妙想的啟示，也往往還能收到事半功倍的效果。

英國(guó)一名工程師奈杰爾·吉福德（Nigel Gifford）為了設(shè)計(jì)一架用于向?yàn)?zāi)區(qū)或戰(zhàn)亂地區(qū)投遞人道救援物資的無(wú)人機(jī)，曾冥思苦想，后來(lái)受到滑翔衣的啟發(fā)而開(kāi)始投入設(shè)計(jì)制造。

通常，一名75kg重的成年人穿上滑翔衣，從高山跳下約可翱翔19.32km遠(yuǎn)。借助這個(gè)啟發(fā)，吉福德設(shè)計(jì)了一款名為“彈射器”（Pouncer）的環(huán)保無(wú)人機(jī)。這是一種采用無(wú)尾飛翼布局的小型無(wú)人機(jī)，外形酷似滑翔衣，但卻是剛體結(jié)構(gòu)。為了能夠使該無(wú)人機(jī)達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、實(shí)用、低成本、多用途、輕量化以及無(wú)污染的環(huán)保要求，吉福德嘗試了一些新做法以解決其中的關(guān)鍵難題。

基本情況

“彈射器”無(wú)人機(jī)的尺寸很緊湊，外形呈三角形（圖1），翼展長(zhǎng)約3m、機(jī)身長(zhǎng)1m，任務(wù)載荷重量為50kg。無(wú)人機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，除機(jī)翼和機(jī)身的大部件外，沒(méi)有水平尾翼、垂直尾翼和起落架，僅使用少量零件，并按照標(biāo)準(zhǔn)化要求設(shè)計(jì)，具有很好的互換性。機(jī)翼、機(jī)身全部為整體結(jié)構(gòu)，不僅氣動(dòng)性能良好，而且結(jié)構(gòu)重量輕，制造、裝配亦很簡(jiǎn)單。

圖1 “彈射器”無(wú)人機(jī)的外形。

該無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)就注重實(shí)用，設(shè)計(jì)中就盡可能去除了華而不實(shí)的部分。1架“彈射器”無(wú)人機(jī)可攜帶約50kg的食品，出動(dòng)2～3架就可解決一個(gè)連隊(duì)的吃飯問(wèn)題。

由于“彈射器”無(wú)人機(jī)的機(jī)身尺寸較小，飛行速度較快且靈活機(jī)動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)在于自身不易被雷達(dá)和目視發(fā)現(xiàn)，低空和超低空飛行時(shí)也不易遭到敵方的防空火力打擊。與使用運(yùn)輸機(jī)在距離地面目標(biāo)5000m外空投降落傘包相比，遞送物資器材的效果好很多，使用該無(wú)人機(jī)能夠更安全地將急救物質(zhì)輸送到災(zāi)區(qū)或戰(zhàn)區(qū)。

另外，“彈射器”無(wú)人機(jī)應(yīng)用的技術(shù)比較成熟、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，整體性能比較可靠，機(jī)載微型計(jì)算機(jī)和接收裝置可遵循預(yù)先規(guī)劃好的航線，飛抵目標(biāo)地點(diǎn)完成任務(wù)。可以軍民兩用，在遇到災(zāi)情或疫情、地面交通受阻的情況下，可利用該無(wú)人機(jī)往災(zāi)區(qū)或疫地運(yùn)送緊急醫(yī)療用品及疫苗等，使得其也受到一些國(guó)際救援組織和機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

由于無(wú)人機(jī)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、配置基本系統(tǒng)，且工藝成熟、使用的環(huán)保材料來(lái)源豐富，使得其容易制造，成本較低。若僅一次性使用且不考慮回收，每架無(wú)人機(jī)價(jià)格預(yù)計(jì)為187美元。該無(wú)人機(jī)采用可食用、可降解的環(huán)保材料，機(jī)身由可生物降解的淀粉基熱塑性塑料制成，再包裹蒙皮。機(jī)身內(nèi)部放置有壓縮餅干或其他真空密封包裝的食品，以及飲用水和燃料，機(jī)體可能采用硬紙板或木質(zhì)材料制成。在執(zhí)行完投遞任務(wù)后，食物可以拿來(lái)吃，機(jī)體則可以就地分解或降解掩埋。這樣整架無(wú)人機(jī)基本得到了“消化”，不再需要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行回收及后處理。

（2）下部注入管，將噴嘴降低到設(shè)計(jì)深度，并確定噴射方向和擺動(dòng)角，以確保凝結(jié)體的有效連接。應(yīng)防止噴嘴堵塞，可采用低壓給水、氣、漿時(shí)放低管道的方法，或采用塑料布或膠布纏繞的臨時(shí)防護(hù)措施。

解決關(guān)鍵問(wèn)題

“彈射器”無(wú)人機(jī)選擇的動(dòng)力裝置和起降方式是關(guān)鍵所在，該無(wú)人機(jī)有滑翔型和動(dòng)力型兩種，滑翔型在機(jī)身內(nèi)不安裝動(dòng)力裝置，動(dòng)力型則安裝有動(dòng)力裝置，可供選擇的有壓縮氣體發(fā)動(dòng)機(jī)、固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、電驅(qū)動(dòng)和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)等多種類(lèi)型。壓縮氣體發(fā)動(dòng)機(jī)和固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)均為噴氣式動(dòng)力，電驅(qū)動(dòng)和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)均為螺旋槳間接推力式動(dòng)力，而且電驅(qū)動(dòng)比活塞發(fā)動(dòng)機(jī)更清潔干凈。

動(dòng)力方面，若該無(wú)人機(jī)選擇了噴氣推進(jìn)，內(nèi)部由壓縮氣體或固體燃料提供動(dòng)力，一次可飛行35～40km。倘若選擇電驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)，小型電動(dòng)機(jī)設(shè)置在機(jī)尾，讓出前面的主貨艙安裝任務(wù)載荷，電池艙則作為壓載，確保無(wú)人機(jī)的安定性和穩(wěn)定性。

起飛方式方面，既可以選擇由飛機(jī)將其帶到3000m的高空投放，然后在下落過(guò)程中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行；也可以選擇通過(guò)地面彈射裝置直接將其彈射升空，或者選擇彈/炮裝置直接發(fā)射升空。

降落方式方面，該無(wú)人機(jī)可采取自行飛行著陸或滑翔著陸方式。前者適用于動(dòng)力控制著陸方式，后者適用于無(wú)動(dòng)力滑翔方式。

優(yōu)劣比較

由于“彈射器”無(wú)人機(jī)沒(méi)有安裝起落架，依靠動(dòng)力飛行自行著陸或滑翔著陸在最后都是機(jī)身觸地，屆時(shí)將產(chǎn)生硬摩擦，嚴(yán)重時(shí)有可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。此外，由于無(wú)人機(jī)采用了可食用材料作為機(jī)身、機(jī)翼及蒙皮，在遇到大雨、雪、狂風(fēng)等惡劣天氣時(shí)的出勤無(wú)法保證，遇到長(zhǎng)期潮濕等不良環(huán)境則可能使機(jī)體遭遇發(fā)霉或腐蝕，會(huì)降低機(jī)體的強(qiáng)度從而影響正常使用。

圖2 在地面交通受阻的情況下，可利用無(wú)人機(jī)運(yùn)送應(yīng)急物資。

與此相對(duì)，該無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是圍繞簡(jiǎn)單、實(shí)用的宗旨，機(jī)體采用極其簡(jiǎn)單的氣動(dòng)布局和結(jié)構(gòu)，可食用、可降解的環(huán)保材料制造，以及使用后可便捷處理的噴氣動(dòng)力裝置等，達(dá)到了高可靠性與低成本的統(tǒng)一，環(huán)保與創(chuàng)新的融合。

大物流時(shí)代的紙質(zhì)無(wú)人機(jī)

身處大物流時(shí)代，無(wú)人機(jī)已在交通運(yùn)輸業(yè)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于消耗量極大的快遞配送行業(yè)，迫切需要低成本、便于量產(chǎn)的大批廉價(jià)無(wú)人機(jī)。那么，如何來(lái)制造廉價(jià)無(wú)人機(jī)呢？

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師的一番努力，成功完成了紙質(zhì)無(wú)人機(jī)（圖3）。這是一種采用無(wú)尾飛翼布局的紙質(zhì)無(wú)人機(jī)，屬于無(wú)動(dòng)力滑翔型。該無(wú)人機(jī)的布局以最少的部件達(dá)到了翼身融合的最佳氣動(dòng)要求，能獲得較大的升阻比，并具備明顯的減載效果。飛翼上安裝有副翼，俯仰操縱與常規(guī)飛機(jī)類(lèi)似，翼梢小翼兼有減小誘導(dǎo)阻力和控制航向穩(wěn)定的功能。整機(jī)的貨艙就位于機(jī)身中央，能夠用于裝貨，每次可以裝載10kg的物資，包括快遞包裹、報(bào)刊雜志、藥品和醫(yī)療用品。

圖3 采取無(wú)尾飛翼布局的紙質(zhì)無(wú)人機(jī)。

該無(wú)人機(jī)的工藝設(shè)計(jì)比較巧妙，采取平面五層工程瓦楞紙板整體激光切割落料，然后經(jīng)彎折、疊拼、成型，組裝完成。采用的五層工程瓦楞紙板是基于一種蘑菇菌絲體的環(huán)保材質(zhì)，為層壓蜂窩結(jié)構(gòu)，可在幾天內(nèi)自我分解。

無(wú)人機(jī)上安裝有GPS模塊、操控裝置和編程器。使用時(shí)由飛機(jī)攜帶升空，在空中達(dá)到指定高度后被投放，之后能夠較快地穩(wěn)定自身狀態(tài)，并按照預(yù)設(shè)編程及輸入目標(biāo)地址操縱副翼徐徐滑翔降落，經(jīng)過(guò)減速接地直至著陸。無(wú)人機(jī)還可以在滑翔末段通過(guò)有WiFi功能的智能手機(jī)進(jìn)行操控。經(jīng)測(cè)量，該無(wú)人機(jī)的著陸誤差控制在15m左右。

據(jù)悉，受上述紙質(zhì)無(wú)人機(jī)飛行成功的啟發(fā)，由美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）和物流滑翔機(jī)公司共同研發(fā)了LG-1K無(wú)人駕駛滑翔機(jī)，用膠合木板和鋁材制作機(jī)體，可運(yùn)載317kg的物資，依靠GPS定位和簡(jiǎn)易的飛控裝置操縱滑翔，便能準(zhǔn)確地飛抵目的地。

優(yōu)劣比較

劣勢(shì)方面，首先，目前這種紙質(zhì)無(wú)人機(jī)無(wú)動(dòng)力裝置，機(jī)動(dòng)性會(huì)受到極大限制。其次，紙質(zhì)材料影響了無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，限制了這種無(wú)人機(jī)的大型化、重型化發(fā)展。再者，紙質(zhì)材料易受潮霉變，易遭外力破壞，不易保存，破損后就難以再次投入使用。最后，這種紙質(zhì)無(wú)人機(jī)尤其需要重視消防安全。

優(yōu)勢(shì)方面，這種紙質(zhì)無(wú)人機(jī)具有低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、低造價(jià)的優(yōu)勢(shì)，可以大規(guī)模裝備使用，大幅應(yīng)用于空運(yùn)快遞、醫(yī)療救助、人道救援、戰(zhàn)場(chǎng)支援等領(lǐng)域。該無(wú)人機(jī)工藝簡(jiǎn)單，不僅可以手工制作，還能通過(guò)工業(yè)化在短期內(nèi)批量生產(chǎn)。而且安全性和可靠性較高，最重要的是不需要花費(fèi)太多精力進(jìn)行維修，可以直接進(jìn)行換新。另外使用也很靈活，不僅可以空投滑翔接地，還可以彈射降落傘回收。最后，這種紙質(zhì)無(wú)人機(jī)的后處理也十分環(huán)保，工程瓦楞紙板既可再次移作他用，也可以回收后作無(wú)害化分解。

“會(huì)飛”的低成本貨箱無(wú)人機(jī)

不久前，美國(guó)YEC公司在第20屆英國(guó)國(guó)際防務(wù)與安全裝備展(DSEI)上推出了其貨箱無(wú)人機(jī)——“沉默之箭”GD-2000（Silent Arrow），該無(wú)人機(jī)可軍民兩用，既能用于戰(zhàn)術(shù)投送任務(wù)，也可用于人道主義救援/救災(zāi)活動(dòng)。

基本構(gòu)型

GD-2000無(wú)人機(jī)翼展8.5m，最大起飛重量1000kg，任務(wù)載荷重量達(dá)740kg。為前-中-后三段式結(jié)構(gòu)（圖4），前段為鈍頭機(jī)首，里面裝有機(jī)載設(shè)備，包括GPS定位、慣性導(dǎo)航和控制系統(tǒng)；中段為貨箱，由中空的長(zhǎng)方體組成，貨箱尺寸為0.6m×0.6m×2.4m，中間可以放入待運(yùn)貨物，上面放有蓋板；后段為機(jī)尾，由含垂直尾翼的四棱柱組成。平時(shí)呈收攏狀態(tài)的機(jī)翼和水平尾翼分別位于中段貨箱的上方。

圖4 國(guó)際防務(wù)與安全裝備展上展出的GD-2000 無(wú)人機(jī)。

該無(wú)人機(jī)能被運(yùn)輸機(jī)在距離地面457～7620m的高度釋放，被空投后自行控制住整機(jī)重心位移并保持住平衡和穩(wěn)定，然后再以較高的精度滑翔64000m后著陸，完成空運(yùn)任務(wù)。經(jīng)彈簧機(jī)構(gòu)釋放后，前后翼面會(huì)全部展開(kāi)，屆時(shí)無(wú)人機(jī)形成雙平直翼布局。通常，GD-2000無(wú)人機(jī)可用于“點(diǎn)到點(diǎn)”緊急空運(yùn)，可運(yùn)送的物資包括補(bǔ)給食品、飲用水、醫(yī)療用品、油料、急需的零配件、維修器材等。

后續(xù)發(fā)展

據(jù)悉，YEC公司目前還有計(jì)劃要研制GD-2000無(wú)人機(jī)的后續(xù)四款機(jī)型，包括可重復(fù)使用的滑翔型和電驅(qū)動(dòng)型無(wú)人機(jī)。其中，最小的GD-800無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷重量為500kg；還有一款ER-2000無(wú)人機(jī)具備從地面垂直起/降的功能，且該無(wú)人機(jī)與另外三款的區(qū)別在于使用了更堅(jiān)固耐用的玻璃纖維材料，能多次回收使用。

圖5 穩(wěn)定滑翔即將著陸的GD-2000 無(wú)人機(jī)。

另一種后續(xù)貨箱無(wú)人機(jī)為前后二段式結(jié)構(gòu)（圖6），前段為四棱柱機(jī)首，里面裝有機(jī)載設(shè)備，包括GPS定位、慣性導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。后段為貨箱，由中空的長(zhǎng)方體組成，貨箱內(nèi)可以放入待運(yùn)貨物，上面放有蓋板。機(jī)翼和水平尾翼平時(shí)呈收攏狀態(tài)，分別位于中段貨箱的上方，以縮小其在運(yùn)輸機(jī)艙內(nèi)的擺放空間或翼下吊掛空間，在空投后能自行展開(kāi)，形成錯(cuò)落有致的上單翼布局。

圖6 GD-2000后續(xù)的另一種貨箱無(wú)人機(jī)。

現(xiàn)在有許多國(guó)家不僅對(duì)GD-2000這種低成本、有特色的貨箱無(wú)人機(jī)感興趣，而且還有購(gòu)買(mǎi)意愿，英國(guó)的MEL公司還擁有獨(dú)家生產(chǎn)經(jīng)銷(xiāo)權(quán)。截至目前，MEL公司已與歐盟28個(gè)成員國(guó)以及澳大利亞、新加坡、韓國(guó)、以色列、巴西和印度等34個(gè)國(guó)家簽署了銷(xiāo)售協(xié)議。

優(yōu)劣比較

劣勢(shì)方面，GD-2000無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形不夠理想，矩形截面阻力較大，有待改進(jìn)和完善。而且其收藏式機(jī)翼和水平尾翼在展開(kāi)后，左右兩側(cè)不在同一水平線上，存在明顯的落差，不利于操控。另外還存在自主飛行能力不足的問(wèn)題。

優(yōu)勢(shì)也同樣明顯，GD-2000無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可空地兩用，集經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等特點(diǎn)，成就了“飛行集裝箱”的美譽(yù)。實(shí)用性也很強(qiáng)，既可供機(jī)載吊掛，也可以在貨艙裝載，還可以車(chē)載運(yùn)輸，用途廣泛且便利。其貨箱無(wú)人機(jī)也形成了一個(gè)系列，任務(wù)載荷重量從500kg到740kg，既有滑翔型，也有電驅(qū)動(dòng)型。這種“飛行集裝箱”設(shè)計(jì)達(dá)到了高效與創(chuàng)新的統(tǒng)一，并且還在持續(xù)完善。

結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的小型貨運(yùn)無(wú)人機(jī)沒(méi)有去追求小而全、小而貴。但即便如此，這些設(shè)計(jì)不僅能比常規(guī)無(wú)人機(jī)增加更多的任務(wù)載荷，具有更好的經(jīng)濟(jì)性，而且擁有更高的性?xún)r(jià)比、更佳的環(huán)保性和更強(qiáng)的實(shí)用性。也讓設(shè)計(jì)師擁有諸多的智慧空間，發(fā)揮出創(chuàng)造力?！澳艹浴钡臒o(wú)人機(jī)、“會(huì)飛”的貨箱無(wú)人機(jī)、紙質(zhì)的無(wú)人機(jī)等，都很好地表現(xiàn)出小型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)不入俗套的新意，展現(xiàn)出了與眾不同的特色。