支線貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀、運(yùn)行方式與關(guān)鍵技術(shù)分析

許建華，李權(quán)

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072）

（2.北京中航智科技有限公司，北京 100176）

0 引 言

近年來，基于對(duì)未來無人運(yùn)輸機(jī)廣闊應(yīng)用場(chǎng)景和巨大經(jīng)濟(jì)效益的樂觀預(yù)測(cè)，國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和公司紛紛提出了無人運(yùn)輸機(jī)發(fā)展規(guī)劃。其中，支線貨運(yùn)無人機(jī)將用于連接中心城市與偏遠(yuǎn)縣鄉(xiāng)，實(shí)現(xiàn)低成本快捷貨運(yùn)，還可在陸路交通不便的山地、高原和海島地區(qū)方便部署，可成為建設(shè)“交通強(qiáng)國”的重要一環(huán)。支線貨運(yùn)無人機(jī)被認(rèn)為是未來三級(jí)航空貨運(yùn)體系（干線有人貨運(yùn)機(jī)+支線無人貨運(yùn)機(jī)+末端小型配送無人機(jī)）的關(guān)鍵組成部分，最有希望實(shí)現(xiàn)無人化快捷運(yùn)輸，不僅能顯著提高物流效率，還可擴(kuò)展廣闊縣鄉(xiāng)級(jí)物流市場(chǎng)。

全球著名市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets于2019年1月發(fā)布的《全球無人機(jī)物流和運(yùn)輸市場(chǎng)》報(bào)告中預(yù)計(jì)全球物流無人機(jī)市場(chǎng)將在2022年達(dá)到112億美元，到2027年將增長到290.6億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年均增長率為21.01%，并預(yù)計(jì)亞太地區(qū)將引領(lǐng)無人機(jī)物流和運(yùn)輸市場(chǎng)。保守測(cè)算，未來十年中國大陸平均每個(gè)行政縣部署1架支線貨運(yùn)無人機(jī)，用于構(gòu)建端到端的便捷支線貨運(yùn)系統(tǒng)，則整個(gè)中國大陸地區(qū)就需要采購3 000余架這類無人機(jī)，直接經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過500億元人民幣。

本文對(duì)近年來國內(nèi)外開展的支線貨運(yùn)無人機(jī)研制和技術(shù)研究情況進(jìn)行回顧和總結(jié)，分析支線貨運(yùn)無人機(jī)的核心應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)行方式、主要競爭優(yōu)勢(shì)以及面臨的困難，重點(diǎn)探討支線貨運(yùn)無人機(jī)大規(guī)模商用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并給出建議。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美 國

美國軍工巨頭洛克·馬丁公司和卡曼公司于2012年合作推出了著名的K-MAX無人貨運(yùn)直升機(jī)，如圖1所示。該機(jī)采用雙旋翼動(dòng)力布局，最大載荷2.7 t，航程500 km，全自動(dòng)GPS制導(dǎo)，無需跑道，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在夜間、山地和高原區(qū)執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)輸任務(wù)。該機(jī)在阿富汗戰(zhàn)爭期間累計(jì)執(zhí)行任務(wù)485次，飛行時(shí)間500多小時(shí)，累計(jì)轉(zhuǎn)運(yùn)貨物720 t，是美軍地面分隊(duì)在復(fù)雜地形條件下實(shí)現(xiàn)快速推進(jìn)和撤退的重要支援力量，向世界展示了貨運(yùn)無人機(jī)的軍事潛力。

圖1 K-MAX無人直升機(jī)［5］Fig.1 K-MAX unmanned aerial vehicle［5］

美國加州的SabreWing公司于2019年推出了具備垂直起降能力、類似飛行汽車的無人運(yùn)輸機(jī)“Rhaegal-A”，應(yīng)用場(chǎng)景定位為戰(zhàn)場(chǎng)傷兵轉(zhuǎn)移。同年，YEC電動(dòng)航空公司推出了由三合板制造、一次性使用的無動(dòng)力滑翔飛行的貨運(yùn)無人機(jī)Silent Arrow GD-2000（如圖2所示），配置3.96 m貨艙，載重567 kg，飛行距離58 km，用于向前線投送救生物品、藥品和裝備等。

圖2 Silent Arrow GD-2000無人機(jī)［9］Fig.2 Silent Arrow GD-2000 UAV［9］

民用領(lǐng)域，美國貝爾公司在2019年推出了垂直起降貨運(yùn)飛機(jī)APT，其采用尾撐多旋翼布局，最大載重500 kg，最大飛行時(shí)速160 km，用于向偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸緊急醫(yī)療物資，其縮比驗(yàn)證機(jī)APT 70于2020年7月完成了首次視距外試飛。Xwing公司采用自主集中飛控系統(tǒng)將Cessna208B改造為無人運(yùn)輸機(jī)，并于2020年8月完成試飛，正在開展適航取證工作。傳統(tǒng)物流公司如美國的亞馬遜、UPS、美國郵政等均提出了無人機(jī)發(fā)展計(jì)劃，但主要集中在末端配送領(lǐng)域。如亞馬遜的“空中倉庫”，UPS的“卡車+無人機(jī)”送貨模式等。

目前，美國貨運(yùn)無人機(jī)在軍事領(lǐng)域已得到應(yīng)用，而民用領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)落后，主要原因是民用無人機(jī)的成熟應(yīng)用不僅需要智能安全的飛行平臺(tái)，還需要一系列完善的法律、法規(guī)、空域管理體系支持。所幸，美國航空航天管理機(jī)構(gòu)也認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，正積極制定政策促進(jìn)民用貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展。美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）2018年啟動(dòng)了無人機(jī)融合空域試點(diǎn)計(jì)劃，目標(biāo)是安全地將無人機(jī)系統(tǒng)融入到美國國家空域系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)布了200多個(gè)設(shè)施地圖開展探索演示，并簡化了商業(yè)無人機(jī)授權(quán)過程。2020年6月，美國FAA發(fā)布了首版無人機(jī)系統(tǒng)（UAM）城市空中交通概念方案，提出“從易到難，逐步實(shí)施”的總體發(fā)展路線，在保證安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在國家空域系統(tǒng)中運(yùn)行大量城市空中交通飛行器。

1.2 歐 盟

德國物流公司DHL于2014年10月就開展了使用無人機(jī)進(jìn)行包裹運(yùn)送的演示驗(yàn)證工作。西班牙Singular Aircraft公司2017年就研制并批量生產(chǎn)了大型水陸兩棲無人運(yùn)輸機(jī)Flyox MarkⅠ（如圖3所示），該機(jī)載重1.95 t，巡航速度233 km/h，由地面站控制并具備自主飛行模式，但限于歐洲法規(guī)，該機(jī)實(shí)際交付非洲的肯尼亞和盧旺達(dá)使用。

圖3 Flyox MarkⅠ兩棲無人機(jī)［12］Fig.3 Flyox MarkⅠamphibious UAV［12］

德國Volocopter公司于2019年10月成功試飛了Volo Drone物流無人機(jī)（如圖4所示），其采用電動(dòng)多旋翼動(dòng)力系統(tǒng)，旋翼直徑9.2 m，機(jī)高2.3 m，最高時(shí)速40 km，最大裝載200 kg，掛載區(qū)尺寸與歐洲包裝尺寸兼容，可為農(nóng)業(yè)、物流、公共服務(wù)等提供運(yùn)輸服務(wù)。斯洛文尼亞Pipistrel公司和美國霍尼韋爾公司合作推出了Nuuva V300大型電動(dòng)貨運(yùn)無人機(jī)（如圖5所示），該機(jī)采用串列機(jī)翼+升降旋翼布局，利用8副電動(dòng)旋翼進(jìn)行垂直起降，無需跑道，經(jīng)濟(jì)巡航速度165 km/h，可以承擔(dān)300 kg貨物300 km的運(yùn)載任務(wù)。

圖4 VoloDrone物流無人機(jī)［13］Fig.4 VoloDrone logistics UAV［13］

圖5 Nuuva V300物流無人機(jī)［14］Fig.5 Nuuva V300 logistics UAV［14］

此外，英國Windracer公司與南安普敦大學(xué)合作研制了大型無人運(yùn)輸機(jī)Windracer Ultra，該機(jī)采用常規(guī)布局和雙發(fā)活塞動(dòng)力，載重100 kg，航程1 000 km，具備短距起降能力。2020年新冠肺炎疫情期間，該機(jī)被應(yīng)用到南安普敦和懷特島之間運(yùn)送抗疫物資，降低由人傳播病毒的風(fēng)險(xiǎn)。

歐盟各國由于法規(guī)不一致，物流無人機(jī)運(yùn)行面臨諸多障礙，目前各國正在攜手制定統(tǒng)一的無人機(jī)運(yùn)營政策。2016年，歐盟內(nèi)部啟動(dòng)了“無人機(jī)空域藍(lán)圖U-Space”項(xiàng)目，該項(xiàng)目提出了從基礎(chǔ)服務(wù)、初始服務(wù)、高級(jí)服務(wù)到全面服務(wù)的一系列規(guī)劃，促進(jìn)將無人機(jī)運(yùn)行安全整合到現(xiàn)有空域管理。歐洲多家機(jī)構(gòu)和公司還聯(lián)合成立了無人貨運(yùn)飛行平臺(tái)（PUCA）組織，旨在促進(jìn)無人貨運(yùn)飛機(jī)定義、要求和發(fā)展，目前已有50多個(gè)成員。

1.3 中 國

中國國內(nèi)在電商物流蓬勃發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，貨運(yùn)無人機(jī)研制熱情高漲。中國郵政、京東、順豐等公司都相繼開展了貨運(yùn)無人機(jī)的研制和運(yùn)營體系建設(shè)工作。由于支線貨運(yùn)無人機(jī)與現(xiàn)有通用飛機(jī)在飛行器平臺(tái)、貨運(yùn)體系等多個(gè)方面存在良好的通用性，將輕型運(yùn)輸飛機(jī)進(jìn)行無人化改造無疑是一條研發(fā)捷徑。航天時(shí)代飛鵬有限公司、四川省天域航通科技有限公司和航空工業(yè)通用飛機(jī)有限責(zé)任公司等分別將采用活塞動(dòng)力的運(yùn)-5飛機(jī)改造為貨運(yùn)無人機(jī)。朗星無人機(jī)系統(tǒng)有限公司將P-750XL渦槳通用飛機(jī)改造為AT200支線貨運(yùn)無人機(jī)。航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院將小鷹500飛機(jī)改造為“探路者”無人機(jī)。

此外，國內(nèi)新研的貨運(yùn)無人機(jī)也在積極發(fā)展中。西安京東天鴻科技有限公司基于物流需求場(chǎng)景，自籌資金研制了京鴻無人運(yùn)輸機(jī)（如圖6所示），并完成了試飛測(cè)試。上海峰飛航空科技有限公司研制了大型電動(dòng)垂直起降無人貨運(yùn)飛機(jī)V400（如圖7所示），該機(jī)采用電動(dòng)復(fù)合翼布局，依靠8副旋翼實(shí)現(xiàn)垂直起降，最大起飛質(zhì)量400 kg，電動(dòng)版航程300 km，于2021年8月完成上海至舟山往返200 km演示飛行。相對(duì)有人機(jī)改造，新研無人機(jī)可更好地針對(duì)無人貨運(yùn)場(chǎng)景需求設(shè)計(jì)，比如采用兼容性更好的貨艙設(shè)計(jì)、自動(dòng)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。由于不需要有人機(jī)的駕駛艙、增壓艙、生命保障和救生系統(tǒng)等，無人運(yùn)輸機(jī)的制造和維護(hù)成本比有人機(jī)更低，且運(yùn)行效率更高，更具市場(chǎng)競爭力。

圖6 京東物流無人機(jī)［11］Fig.6 Jingdong logistics UAV［11］

圖7 峰飛V400物流無人機(jī)［16］Fig.7 Fengfei V400 logistics UAV［16］

政策方面，我國各級(jí)政府近年來積極促進(jìn)和推動(dòng)貨運(yùn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)落地和發(fā)展?！督煌◤?qiáng)國綱要》中強(qiáng)調(diào)“積極發(fā)展無人機(jī)（車）物流遞送”?！吨袊圃?025》規(guī)劃要求推進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展?！蛾P(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出“加快民用無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)和保障體系建設(shè)”，推進(jìn)民用無人機(jī)在物流快遞、應(yīng)急救援等行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用。中國民用航空局提出了“基于運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)”的無人機(jī)適航審定總體思想，組織建立了我國自主的無人機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)體系。2020年1月，中國民用航空局發(fā)布了《高風(fēng)險(xiǎn)貨運(yùn)固定翼無人機(jī)系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，指導(dǎo)貨運(yùn)無人機(jī)系統(tǒng)的適航取證工作。西安京東天鴻科技有限公司2018年2月獲得中國民用航空西北地區(qū)管理局授牌“陜西省無人機(jī)物流多式聯(lián)運(yùn)創(chuàng)新試點(diǎn)”，并授權(quán)在陜西開展無人機(jī)物流商業(yè)應(yīng)用試點(diǎn)。江西豐羽順途科技有限公司2018年3月獲得中國民用航空華東地區(qū)管理局頒發(fā)的全國第一張無人機(jī)航空運(yùn)營（試點(diǎn)）許可證，許可在指定空域內(nèi)進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營。

目前，京東集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱京東公司）和順豐控股股份有限公司（以下簡稱順豐公司）正在國內(nèi)著手布局無人機(jī)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，在支線級(jí)和末端配送級(jí)探索無人機(jī)運(yùn)輸。典型應(yīng)用如采用無人機(jī)將四川甘孜的新鮮松茸運(yùn)出山，然后再由飛機(jī)運(yùn)往全國重要城市，解決高價(jià)值農(nóng)產(chǎn)品保鮮銷售的難題。2020年新冠肺炎疫情期間，京東公司和順豐公司利用無人機(jī)非接觸特點(diǎn)，采用無人機(jī)為醫(yī)院和隔離區(qū)運(yùn)送抗疫物資。據(jù)順豐公司數(shù)據(jù)：疫情期間采用無人機(jī)在湖北包括武漢在內(nèi)的5個(gè)城市，32天運(yùn)輸了11 t物資，飛行超過3 000架次，飛行里程超過13 000 km。

1.4 其他國家和地區(qū)

以色列在無人機(jī)領(lǐng)域擁有完善的技術(shù)和豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。以色列城市航空公司（Urban Aeronautics）研制了大載重垂直起降無人運(yùn)輸機(jī)“空中騾子”（Airmule）（如圖8所示），2013年實(shí)現(xiàn)首飛。“空中騾子”無人機(jī)的出口型命名為“鸕鶿”無人機(jī)。該機(jī)構(gòu)型奇特，機(jī)身裝備2個(gè)平行于地面的涵道風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)垂直起降，尾部安裝了2個(gè)推進(jìn)涵道風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)前飛推進(jìn)，最大飛行質(zhì)量1.4 t，速度180 km/h，可在50 km半徑內(nèi)每架次運(yùn)送500 kg貨物，24 h內(nèi)完成6 000 kg貨物轉(zhuǎn)運(yùn)，主要用于短途運(yùn)輸、前線補(bǔ)給和戰(zhàn)場(chǎng)傷員運(yùn)輸。

圖8 以色列“空中騾子”無人機(jī)［19］Fig.8 Airmule UAV of Israel［19］

俄羅斯技術(shù)公司2015年推出了“水鴨”兩棲多用途無人機(jī)，該無人機(jī)最大起飛質(zhì)量達(dá)2 000 kg，飛行高度可達(dá)6 000 m，單次航程約2 500 km，飛行最高速度300 km/h，兼顧運(yùn)輸、偵察和火力打擊能力。

非洲地區(qū)由于基建落后，地面交通不發(fā)達(dá)，反而為無人機(jī)運(yùn)營提供了舞臺(tái)。美國Zipline公司于2016年研制了一款小型無人運(yùn)輸機(jī)，用于向盧旺達(dá)的偏遠(yuǎn)醫(yī)院和農(nóng)村診所運(yùn)送血液和藥物，已經(jīng)執(zhí)行了1 400余次運(yùn)輸任務(wù)，其中25%屬于緊急交付?？夏醽喰强蘸娇眨ˋstral Aviation）于2017年1月開始應(yīng)用西班牙Singular Aircraft公司研制的Flyox MarkⅠ無人貨機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，其開發(fā)的“無人機(jī)管理系統(tǒng)”（UTM）獲得了2017年國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）的運(yùn)輸創(chuàng)新獎(jiǎng)。

綜上所述，當(dāng)前全球主要的大型貨運(yùn)無人機(jī)如表1所示。相比有人運(yùn)輸機(jī)，貨運(yùn)無人機(jī)的噸位還比較小，仍處于探索階段。

表1 大型貨運(yùn)無人機(jī)項(xiàng)目一覽Table 1 List of large cargo drone projects

2 競爭優(yōu)勢(shì)

2.1 與有人機(jī)對(duì)比

無人機(jī)相對(duì)有人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于執(zhí)行“單調(diào)、骯臟、危險(xiǎn)”任務(wù)時(shí)表現(xiàn)的高可靠性、高安全性、低成本以及高效率。具體到物流場(chǎng)景，支線貨運(yùn)無人機(jī)相對(duì)有人貨運(yùn)飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）不需要座艙、增壓艙及生命保障系統(tǒng)，降低了制造和維護(hù)成本，節(jié)省機(jī)艙空間，減輕重量；

（2）可連續(xù)高效地從事枯燥乏味的運(yùn)輸工作，出勤率高，經(jīng)濟(jì)性好；

（3）無駕駛員，維護(hù)簡單，使用成本低，隨著智能化水平的提高，使用成本還將進(jìn)一步降低；

（4）無人駕駛，不受飛行員數(shù)量限制，可大量裝備，快速形成運(yùn)力；

（5）可深入山地、高原高寒、復(fù)雜氣象等惡劣環(huán)境地區(qū)，從事常態(tài)化運(yùn)輸作業(yè)，降低生命損失風(fēng)險(xiǎn)；

（6）可進(jìn)入高風(fēng)險(xiǎn)、高威脅環(huán)境執(zhí)行支援補(bǔ)給任務(wù)，減少高價(jià)值有人機(jī)和飛行員損失；

（7）可深入有人機(jī)難以進(jìn)入的核生化污染區(qū)，從事運(yùn)輸、救援、采樣和災(zāi)難評(píng)估等工作。

2.2 與陸地運(yùn)輸對(duì)比

支線貨運(yùn)無人機(jī)相對(duì)陸地運(yùn)輸?shù)谋容^優(yōu)勢(shì)如下：

（1）貨運(yùn)無人機(jī)能克服地形限制，深入公路不便和鐵路不達(dá)的區(qū)域，如邊陲基地、偏遠(yuǎn)縣鄉(xiāng)等；

（2）對(duì)于作業(yè)航程500～800 km的支線市場(chǎng)，載重2 t以內(nèi)，貨運(yùn)無人機(jī)運(yùn)輸相對(duì)陸地運(yùn)輸在時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢(shì)，更適宜偏遠(yuǎn)地區(qū)的物流市場(chǎng)；

（3）支線貨運(yùn)無人機(jī)運(yùn)行體系的部署和維護(hù)成本遠(yuǎn)低于同航段的公路和鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，一般通用機(jī)場(chǎng)或簡易跑道就可滿足起降要求，建設(shè)周期短，選址靈活，絕大多數(shù)縣級(jí)區(qū)域都具備建設(shè)和運(yùn)營條件；

（4）小批量高價(jià)值貨物（如救援藥品、電子芯片、商業(yè)快件）在重要城市間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸，貨運(yùn)無人機(jī)運(yùn)輸更高效，是陸地運(yùn)輸?shù)闹匾a(bǔ)充。

3 運(yùn)行方式

支線貨運(yùn)無人機(jī)投入使用首要解決的是運(yùn)營安全性問題，其次是成本控制問題。無人機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)主要源于3個(gè)方面：（1）內(nèi)部系統(tǒng)或設(shè)備故障，比如導(dǎo)航設(shè)備故障、空速管故障、發(fā)動(dòng)機(jī)故障等；（2）遭遇突發(fā)意外，比如結(jié)冰、障礙物、鳥撞等；（3）受到外部干擾，比如導(dǎo)航欺騙、電磁干擾、鏈路劫持等。按照目前無人機(jī)的技術(shù)成熟度，以上風(fēng)險(xiǎn)還不能完全解決，飛控系統(tǒng)也無法達(dá)到人的智能化水平，目前的貨運(yùn)無人機(jī)實(shí)際上還只是具有一定自動(dòng)飛行能力的遠(yuǎn)程控制飛行器。因此，支線貨運(yùn)無人機(jī)相對(duì)安全的運(yùn)行方式是在遠(yuǎn)離人口密集區(qū)建立“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的管道飛行”體系，全程監(jiān)督，嚴(yán)格限制無人機(jī)的活動(dòng)范圍。未來隨著自主飛控技術(shù)或智能技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)嚴(yán)格審定后，再考慮放寬限制。

“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的管道飛行”運(yùn)行方式具體如下：

（1）運(yùn)營中心和空管部門充分論證，確定貨運(yùn)無人機(jī)部署的機(jī)場(chǎng)端點(diǎn)和點(diǎn)到點(diǎn)之間的飛行管道（空域），確定管道的空間范圍和運(yùn)行時(shí)間等，無人機(jī)一般只允許在管道內(nèi)飛行；

（2）為應(yīng)對(duì)故障情況，管道沿線每隔一定距離（如50 km）設(shè)置備降點(diǎn)或安全區(qū)；

（3）為保障飛行過程中導(dǎo)航和數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定和安全，除采用衛(wèi)星外，每隔一定距離需要設(shè)置地面基站作為補(bǔ)充；

（4）每個(gè)端點(diǎn)機(jī)場(chǎng)布置2～3名地勤人員，由地勤人員負(fù)責(zé)完成飛機(jī)的裝卸和起飛/著陸前的檢查，將飛機(jī)推入或推出跑道，引導(dǎo)飛機(jī)自主起降；

（5）在航路段，飛機(jī)正常按預(yù)定航線飛行，能夠智能探測(cè)意外情況（如遭遇障礙物、飛機(jī)故障、結(jié)冰、強(qiáng)風(fēng)等）并報(bào)告飛管中心，根據(jù)指令或自主作出調(diào)整；

（6）地面飛管中心在整個(gè)飛行過程中無間斷地進(jìn)行飛行監(jiān)控，保持“人在回路上”的干預(yù)機(jī)制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并給飛機(jī)下達(dá)指令；

（7）地面中心對(duì)潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)充分評(píng)估，制定應(yīng)急措施。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 支線貨運(yùn)無人機(jī)適航體系和支撐技術(shù)

盡管各國適航機(jī)構(gòu)都在積極推動(dòng)支線貨運(yùn)無人機(jī)的適航取證工作，但是支線貨運(yùn)無人機(jī)滿足適航規(guī)范的很多技術(shù)障礙仍未清除。傳統(tǒng)商用航空器依靠飛行員進(jìn)行飛行控制和安全決策，無人機(jī)因?yàn)槿嗽诳刂骗h(huán)路外，操作手不能按照第一感官對(duì)飛機(jī)進(jìn)行判斷和操作，主要依靠自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行飛行。而自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)則可能面臨導(dǎo)航失靈、數(shù)據(jù)鏈中斷和被劫持、遭遇極端天氣等復(fù)雜意外情況。無人機(jī)雖然機(jī)上無人，但這些意外均有可能導(dǎo)致飛機(jī)失控進(jìn)而對(duì)外部環(huán)境造成毀傷，導(dǎo)致災(zāi)難性事件發(fā)生。按照適航精神，無論有人機(jī)還是無人機(jī)，都必須堅(jiān)決避免災(zāi)難性事件發(fā)生，不能滿足這一要求，也就不具備規(guī)?；逃眠\(yùn)營前提。

大型無人機(jī)由于機(jī)上無人的典型特征，傳統(tǒng)針對(duì)乘員安全的相關(guān)適航條款要求降低了，但針對(duì)系統(tǒng)安全的條款及相應(yīng)適航技術(shù)體系卻更加復(fù)雜了。中國民用航空局2020年1月發(fā)布了《高風(fēng)險(xiǎn)貨運(yùn)固定翼無人機(jī)系統(tǒng)適航標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，一定程度上放寬了單機(jī)適航取證的復(fù)雜性，便于現(xiàn)階段企業(yè)開展探索工作，但實(shí)際的商業(yè)化規(guī)模運(yùn)行還有很長的道路要走。對(duì)于大型無人機(jī)商用化運(yùn)行，歐美適航當(dāng)局表現(xiàn)得較為審慎，不僅考慮單機(jī)適航認(rèn)證，而且從全系統(tǒng)出發(fā)，開展嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定系統(tǒng)性策略以防范風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。目前，國內(nèi)盡管一些地方開展貨運(yùn)無人機(jī)的試運(yùn)行，但是飛行控制邏輯、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防策略和相關(guān)技術(shù)措施還不能證明其完全具備預(yù)防災(zāi)難性事件發(fā)生的能力。監(jiān)管部門應(yīng)嚴(yán)把風(fēng)險(xiǎn)管控，引導(dǎo)企業(yè)規(guī)范發(fā)展，完善無人機(jī)適航技術(shù)體系和安全運(yùn)行法律法規(guī)，促進(jìn)無人機(jī)積極向全系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)逼近。

4.2 飛行器平臺(tái)創(chuàng)新技術(shù)

“綠色航空”是現(xiàn)代民用航空技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)之一。由全球航空運(yùn)輸業(yè)組織和公司組成的世界航空運(yùn)輸行動(dòng)小組（Air Transport Action Group，簡稱ATAG）于2020年9月發(fā)布了全球航空業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的2050路線圖報(bào)告，目標(biāo)到2050年全球航空業(yè)二氧化碳排放量比2005年減少一半，到2060年左右達(dá)到凈零碳排放。歐美各國憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也會(huì)制定更嚴(yán)苛的碳排放限制指標(biāo)。屆時(shí)不滿足碳排放指標(biāo)的飛行器將不得不退出民航市場(chǎng)。支線貨運(yùn)無人機(jī)未來必然與其他航空器一樣，將面臨節(jié)能、減排、降噪等強(qiáng)制性指標(biāo)約束。

未雨綢繆，支線貨運(yùn)無人機(jī)的發(fā)展需要采用先進(jìn)的飛行平臺(tái)創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減排、降噪等綠色航空目標(biāo)。電動(dòng)航空器或氫燃料航空器在運(yùn)行期間無排放，具備低成本、低噪聲的優(yōu)勢(shì)，未來將成為支線貨運(yùn)航空器的主要形式。美國電動(dòng)機(jī)制造商Magnix將Cessna 208飛機(jī)改造為電動(dòng)飛機(jī)，已經(jīng)完成多次飛行測(cè)試，正在適航取證。國內(nèi)遼寧銳翔通用航空公司也研制了“銳翔（RX2X）”雙座電動(dòng)通用飛機(jī)，航時(shí)達(dá)到2.5 h，已經(jīng)取得適航證。

隨著同級(jí)機(jī)型增多，市場(chǎng)競爭加劇，無人機(jī)若要贏得市場(chǎng)，必須在經(jīng)濟(jì)性、便捷性、可靠性和安全性等方面增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。這些要求需要先進(jìn)的飛行器平臺(tái)技術(shù)支持，需要在飛行器總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料、工藝、發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域不斷取得突破。除了新型電動(dòng)（新能源）航空技術(shù)外，層流技術(shù)是另一個(gè)重要發(fā)展方向，層流設(shè)計(jì)可有效提高飛機(jī)氣動(dòng)效率，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。美國OTTO Aviation公司的Celera 500L飛機(jī)采用全外形層流設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了比相似常規(guī)外形減小阻力59%。

新工藝/新材料技術(shù)也是重要的努力方向。實(shí)踐表明，新型高模量輕質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用可顯著降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，已經(jīng)成為新一代飛行器材料技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。對(duì)于貨運(yùn)無人機(jī)，復(fù)合材料用量很可能大幅超出傳統(tǒng)飛機(jī)，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料機(jī)身。2021年6月，威海光威復(fù)合材料股份有限公司向航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院交付了TP500貨運(yùn)無人機(jī)全復(fù)合材料機(jī)身和尾翼。

4.3 智能控制技術(shù)

無人機(jī)在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)遇到各種突發(fā)意外情況，包括強(qiáng)風(fēng)、鳥撞、結(jié)冰、發(fā)動(dòng)機(jī)停車、機(jī)載系統(tǒng)故障、通信中斷、導(dǎo)航丟失等。無人機(jī)安全運(yùn)行必須解決所有可能意外下的飛機(jī)控制和決策問題。有人機(jī)由駕駛員對(duì)飛機(jī)實(shí)現(xiàn)全權(quán)限實(shí)時(shí)操控；無人機(jī)飛行中主要依靠自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。自動(dòng)飛控的前端是通過各類傳感器識(shí)別飛機(jī)狀態(tài)，依賴于傳感器和分析算法的效能；決策端依靠機(jī)載計(jì)算機(jī)，取決于機(jī)載計(jì)算機(jī)性能和飛行控制算法水平；執(zhí)行端主要依靠各類作動(dòng)機(jī)構(gòu)。自動(dòng)飛行控制技術(shù)的核心集中在前端和決策端，即傳感器技術(shù)、機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)和飛行控制算法。自動(dòng)飛控的發(fā)展方向是智能控制，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)由自動(dòng)控制飛行向自主決策飛行發(fā)展。無人機(jī)自主飛行需要的復(fù)雜避障能力、多機(jī)協(xié)同能力、路徑規(guī)劃能力、自主起降能力等都取決于未來智能控制技術(shù)的發(fā)展水平。在越復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，要求飛機(jī)的智能化水平越高、自主決策能力越強(qiáng)。智能控制技術(shù)正在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域積極推進(jìn)，以目前技術(shù)能力而言，還滿足不了安全運(yùn)行要求。短期內(nèi)無人機(jī)飛行還是主要依賴于人在回路上的自動(dòng)控制策略，為確保飛行安全，大型無人機(jī)在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須避免因單點(diǎn)失效導(dǎo)致系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。影響飛行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備必須采取可靠性或冗余度設(shè)計(jì)策略，這與一般的單余度小無人機(jī)系統(tǒng)框架不同。

4.4 數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)

支線貨運(yùn)無人機(jī)遠(yuǎn)距離執(zhí)行任務(wù)，必須保證數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性和安全性。數(shù)據(jù)鏈路不管采用衛(wèi)星通信還是地面基站傳輸，實(shí)質(zhì)都是微波通信，其存在信號(hào)遮蔽、干擾、欺騙等問題，特別是在山區(qū)和戰(zhàn)區(qū)。采用余度配置和信息加密是保證數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定安全和穩(wěn)健的一種方法。

無人機(jī)運(yùn)行中需要不斷上行/下行數(shù)據(jù)，某些特殊任務(wù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量特別大。這樣，數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)就需要保障高通量大寬帶的數(shù)據(jù)傳輸，并且保證滿足任務(wù)要求的低延遲。5G通信和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無人機(jī)高通量數(shù)據(jù)傳輸提供了解決之道。但5G通信存在傳輸距離限制，不適合大范圍區(qū)域推廣。馬斯克的“星鏈”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)最近取得了突破性進(jìn)展，2021年第二季度在美國的平均上傳速度為13.89 Mpbs，在加拿大的平均下載速度為115.22 Mpbs，延遲僅為45 ms，幾乎與固定寬帶速度一樣快，理論上已經(jīng)解決了無人機(jī)需要的高通量數(shù)據(jù)傳輸問題，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性仍面臨很多挑戰(zhàn)，特別是要防止鏈路被入侵截獲和干擾。歐盟在U-Space項(xiàng)目中還設(shè)計(jì)了一種結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的混合架構(gòu)，確保使用U-Space服務(wù)的無人機(jī)可靠和安全運(yùn)行。

數(shù)據(jù)鏈路還包括周圍大量運(yùn)行的無人機(jī)之間、無人機(jī)與有人機(jī)之間、無人機(jī)與其他設(shè)備之間的通信和信息共享。通過與周圍設(shè)備的互通互聯(lián)，共享數(shù)據(jù)，提高無人機(jī)全域態(tài)勢(shì)感知能力。支持智能控制系統(tǒng)高效決策，是未來無人機(jī)通信鏈路和信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。而這些設(shè)備如何互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)如何共享傳輸將由貨運(yùn)無人機(jī)運(yùn)行體系的指揮管理系統(tǒng)和空中交通管理系統(tǒng)共同定義。

4.5 導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)最重要的機(jī)載系統(tǒng)之一，其為無人機(jī)提供方位、高度、速度和時(shí)間等信息，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程飛行、異地起降、多機(jī)協(xié)同等能力的重要保障。支線貨運(yùn)無人機(jī)飛行路徑遠(yuǎn)，為保證導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性，一般采用衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航結(jié)合的組合導(dǎo)航方式。主導(dǎo)航系統(tǒng)需要采用余度配置，提高系統(tǒng)的可靠性。

此外，從安全角度，支線貨運(yùn)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)具備防欺騙、電子圍欄等能力，確保飛機(jī)運(yùn)行在規(guī)定的區(qū)域和航段。因此，貨運(yùn)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)還應(yīng)配置基于地面基站的無線電導(dǎo)航定位方式，個(gè)別地區(qū)甚至需配置基于人工智能的地形（圖像）匹配導(dǎo)航定位方式，對(duì)主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行檢查或修正，確保導(dǎo)航定位萬無一失。當(dāng)主導(dǎo)航系統(tǒng)完全失靈，無人機(jī)可借助磁航向、空速、地形匹配、路徑記錄等信息，采用航路推算方式進(jìn)行路徑規(guī)劃，具備原路返程或在指定機(jī)場(chǎng)備降的能力。

4.6 自主起降技術(shù)

自主起降能力是貨運(yùn)無人機(jī)走向大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。通過自主起降技術(shù)，地面人員只需清理出跑道并進(jìn)行必要引導(dǎo)，飛機(jī)便可自主完成起降操縱，無需額外配置無人機(jī)飛手，這在很大程度上降低了對(duì)地面人員的技能要求，使無人機(jī)具備大范圍的適應(yīng)能力。美國海軍在K-MAX無人直升機(jī)項(xiàng)目中，支持開發(fā)自主空中貨運(yùn)/多用途系統(tǒng)（AACUS），該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)（敵對(duì)）和各種天氣條件下，無論白天和黑夜，均能自主導(dǎo)航找到簡易著陸地點(diǎn)并降落，無需地面控制員幫助。

5 結(jié)束語與建議

當(dāng)前支線貨運(yùn)無人機(jī)取得了可喜發(fā)展，在不少地區(qū)進(jìn)入了演示驗(yàn)證階段，但大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用依然面臨很多問題。除技術(shù)層面不斷攻關(guān)，支持無人機(jī)發(fā)展的法律法規(guī)、各項(xiàng)技術(shù)和管理系統(tǒng)也在完善之中，而最終應(yīng)用效果需待市場(chǎng)檢驗(yàn)。對(duì)于支線貨運(yùn)無人機(jī)研制和發(fā)展有以下建議：

（1）支線貨運(yùn)無人機(jī)發(fā)展離不開運(yùn)行體系支持，包括相關(guān)法律法規(guī)、空域劃分、飛行管理系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)設(shè)施等，而這些需要政府部門和監(jiān)管機(jī)構(gòu)統(tǒng)一組織、協(xié)調(diào)、規(guī)劃并開展運(yùn)行體系建設(shè)。

（2）積極推動(dòng)支線貨運(yùn)無人機(jī)系統(tǒng)的適航技術(shù)體系和規(guī)范的建立和完善。當(dāng)前運(yùn)行體系下，支線貨運(yùn)無人機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)有人飛機(jī)?，F(xiàn)有基于風(fēng)險(xiǎn)的適航規(guī)范不能完全保證支線貨運(yùn)無人機(jī)商業(yè)化運(yùn)營安全，必須從運(yùn)營全流程、全要素角度全面分析風(fēng)險(xiǎn)因素，制定和完善適航規(guī)范和運(yùn)行體系標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)決避免災(zāi)難性事件發(fā)生。

（3）無人化運(yùn)輸是物流發(fā)展的大趨勢(shì)，工業(yè)部門應(yīng)積極布局和開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)，建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，掌握發(fā)展先機(jī)。

（4）無人貨運(yùn)飛機(jī)是傳統(tǒng)航空制造業(yè)與電子信息化產(chǎn)業(yè)深度融合發(fā)展的產(chǎn)物，傳統(tǒng)航空制造業(yè)是機(jī)體，信息化產(chǎn)業(yè)賦予其靈魂。無人貨運(yùn)飛機(jī)應(yīng)用推廣需要加快5G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、人工智能等信息化產(chǎn)業(yè)成果的部署和完善。