林一平

近年來，無人運(yùn)輸機(jī)作為軍民融合典型的無人機(jī)型，不僅擁有巨大的市場需求，而且取得了很多試驗(yàn)成果。按有效載荷分類，無人運(yùn)輸機(jī)有有效載荷從小到數(shù)千克的快遞無人機(jī)，也有大到數(shù)噸重的無人運(yùn)輸機(jī)，發(fā)展勢頭迅猛。無人運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)涉及戰(zhàn)略定位、主導(dǎo)類型、主流模式、新技術(shù)應(yīng)用、系列化發(fā)展等方面，在使用中也形成了各自不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

航空史上不乏有先研制出新機(jī)型再去找市場的做法，不乏有技術(shù)成功而商業(yè)并不成功的實(shí)例。這樣做不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力十分被動(dòng)，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。現(xiàn)今無人運(yùn)輸機(jī)的研發(fā)之路不同以往，其從頂層設(shè)計(jì)開始就緊密聯(lián)系著市場需求，對標(biāo)清晰，使得用戶就在身邊，有用戶全程參與項(xiàng)目，有用戶樂于使用新機(jī)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(nèi)著名快遞企業(yè)順豐控股（集團(tuán)）股份有限公司的無人運(yùn)輸機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略就是計(jì)劃以湖北省的鄂州市為中心，形成干線飛機(jī)支線大型無人機(jī)末端小型無人機(jī)組成的“大中小”、“遠(yuǎn)中近”三段式對接的空運(yùn)鏈條，飛行半徑覆蓋國內(nèi)中部、東部、南部、北部一部分區(qū)域，建立起全國36h通達(dá)的航空物流網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)2h內(nèi)覆蓋中國900的GDP城市和區(qū)域。

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

正是由于順豐控股（集團(tuán)）股份有限公司、北京京東世紀(jì)貿(mào)易有限公司這些物流大企業(yè)有明晰的無人運(yùn)輸機(jī)發(fā)展的戰(zhàn)略定位，經(jīng)營業(yè)務(wù)有廣闊的市場需求和強(qiáng)大的技術(shù)支撐，保證了無人運(yùn)輸機(jī)批產(chǎn)投入使用后就有用戶，就能夠投入實(shí)際運(yùn)營，并產(chǎn)生出經(jīng)濟(jì)效益。通過差異化發(fā)展形成優(yōu)勢互補(bǔ)的良性競爭。

垂直起降呈現(xiàn)主流

由于國內(nèi)外各地機(jī)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(yùn)輸機(jī)更多地傾向于采用垂直起降型的設(shè)計(jì)。并且，事實(shí)上目前垂直起降型的無人機(jī)不僅機(jī)型占優(yōu)，而且數(shù)量龐大，呈現(xiàn)主流。其中，四旋翼無人運(yùn)輸機(jī)還成為基本型，在技術(shù)上日趨成熟，普及面廣，應(yīng)用領(lǐng)域眾多。

圖1是四旋翼無人機(jī)垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)的原理圖。其作為入門級機(jī)型，用戶通過改變四旋翼之間的動(dòng)升力及其矢量值，調(diào)整扭矩、利用差動(dòng)微調(diào)等來操控?zé)o人機(jī)，技術(shù)并不復(fù)雜，也都能在短時(shí)間內(nèi)掌握得很好。

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

對這類無人運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)一使用要求：

可垂直起降——實(shí)現(xiàn)無機(jī)場運(yùn)作，簡化勤務(wù)保障;

有效載重大——以滿足更多用戶的實(shí)際需求;

能自主飛行——提高自動(dòng)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\(yùn)任務(wù)的順利完成;

可全天候飛行——能夠在復(fù)雜氣象條件下飛行;

續(xù)航力持久——留空時(shí)間長，航程遠(yuǎn);

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

抗干擾性強(qiáng)——可在復(fù)雜環(huán)境及強(qiáng)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(jī)使用對接。

多旋翼機(jī)占據(jù)主導(dǎo)

通常，垂直起降型的無人機(jī)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(dòng)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(jī)來保障整體達(dá)到大功率電機(jī)的功效，可降低技術(shù)難度，并分散技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)上容易上手，能較快取得成果，主導(dǎo)了當(dāng)前無人機(jī)的發(fā)展。

圖3是一種六旋翼無人運(yùn)輸機(jī)，它攜帶著標(biāo)準(zhǔn)外包裝紙箱的快件正在飛行途中。其六旋翼連同驅(qū)動(dòng)電機(jī)均布在懸臂端部，共同產(chǎn)生動(dòng)升力來分擔(dān)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(jī)操控時(shí)的安穩(wěn)性。其6條懸臂根部均匯聚在中央盤盒，符合力學(xué)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(yùn)輸機(jī)。其創(chuàng)新處在于采用Y型懸臂拓展，增強(qiáng)了旋翼無人機(jī)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(gè)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(qū)動(dòng)電機(jī)和旋翼，就成為了地道的八旋翼無人運(yùn)輸機(jī)。很顯然，若與同等配置的四旋翼無人運(yùn)輸機(jī)相比較，其效能提高了1倍。雖然這里展示的只是裸機(jī)，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(jī)輕量化的途徑。

圖5是一種六旋翼無人機(jī)平臺，其6對電機(jī)與旋翼組呈60°夾角均布。其機(jī)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(jié)構(gòu)，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(jī)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(gè)大涵道旋翼安裝在中央，下方吊掛了一個(gè)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(biāo)，跟蹤目標(biāo)。

圖7為上海交大16旋翼無人機(jī)及便攜式機(jī)站。該機(jī)懸臂及旋翼按4*4矩陣加對角斜撐格局分布，是迄今國內(nèi)旋翼數(shù)量最多的旋翼無人機(jī)。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(yù);巡航速度50km/h，最大飛行高度500m，續(xù)航時(shí)間30min。飛行定位精度0.5m，操縱方式可采取手機(jī)安卓系統(tǒng)、IPhone、IPad（IOS）。

該16旋翼無人機(jī)懸掛彩旗、標(biāo)語曾經(jīng)常出現(xiàn)在上海交大校慶活動(dòng)中，并被“五四”農(nóng)場訂購了2架用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研。

中小型機(jī)普及迅猛

根據(jù)多方的統(tǒng)計(jì)資料，中小型無人運(yùn)輸機(jī)數(shù)量已經(jīng)占據(jù)了無人運(yùn)輸機(jī)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(jià)不高、技術(shù)并不復(fù)雜、比較實(shí)用、經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸機(jī)酷似縮小版的普通飛機(jī)，升力部件和操縱面齊全，整個(gè)飛行過程也與普通飛機(jī)相類似，并且有在常規(guī)總體布局基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的三翼面布局的無人運(yùn)輸機(jī)。非常規(guī)型總體布局的無人運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)。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(jī)翼為界，4前4后，這種均布結(jié)構(gòu)能夠使它獲得更平穩(wěn)的垂直起降性能。它的機(jī)身除了可以安裝下較多的機(jī)載設(shè)備和系統(tǒng)，艙內(nèi)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(dòng)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(jī)相比較它具有更強(qiáng)的運(yùn)載能力。

圖9用于快遞的組合布局無人運(yùn)輸機(jī)。它采用三垂尾構(gòu)架式布局，后三點(diǎn)起落架，構(gòu)架式載貨平臺。其整體結(jié)構(gòu)緊湊合理，強(qiáng)、剛度有保證，可以滿足使用要求。其外露件少，氣動(dòng)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(jìn)，飛行性能更優(yōu)。

飛翼式布局也是無人運(yùn)輸機(jī)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(dòng)阻力小，具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能，飛翼有很好的卸載功能，適合制成大型的翼內(nèi)貨艙。

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

復(fù)合布局異軍突起

近幾年，集旋翼無人機(jī)與常規(guī)無人機(jī)之大成的復(fù)合式布局的無人機(jī)大行其道，作為異軍突起的新秀，風(fēng)靡無人機(jī)業(yè)界。原因是它既具有旋翼無人機(jī)可垂直起降、空中懸停的功能，又具備常規(guī)無人機(jī)出色的巡航功能，二者合二為一地體現(xiàn)在同一架無人機(jī)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于旋翼無人機(jī)。

圖11是四旋翼單槳推進(jìn)無人機(jī)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(shí)際還縱向做了前伸，中間與機(jī)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(jī)身依然位于中央。從總體設(shè)計(jì)分析，其在提高飛行性能的同時(shí)，仍然注重氣動(dòng)減阻和結(jié)構(gòu)輕量化。

圖12是另外一種四旋冀無人機(jī)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(jī)身和后機(jī)身處，供四旋翼前后安裝在基座上。機(jī)翼采取斜撐桿結(jié)構(gòu)，與機(jī)身相連接。起落架為輪式后三點(diǎn)。其擁有大型載荷艙的機(jī)身，V型尾翼就安裝在機(jī)身尾部。從總體設(shè)計(jì)分析，其在提高飛行性能的同時(shí)，同樣注重氣動(dòng)減阻和結(jié)構(gòu)輕量化。

圖13是一種采用大展弦比飛翼式復(fù)合布局的無人機(jī)平臺，它可垂直起降。該機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由4副旋翼]個(gè)推進(jìn)式螺旋槳組成。4副旋翼通過雙細(xì)桿對稱布置在左右兩側(cè)機(jī)翼的前后方，分別由4臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要用于產(chǎn)生垂直起降和空中懸停時(shí)的動(dòng)升力。該無人機(jī)飛抵一定高度后，則主要靠位于機(jī)尾中央后延伸端的推進(jìn)式螺旋槳提供水平飛行和巡航的驅(qū)動(dòng)力。

該機(jī)的襟翼和副翼位于機(jī)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(jìn)縱向穩(wěn)定性與操縱性。雙立尾式翼梢小翼可在減小誘導(dǎo)阻力，改善巡航性能的同時(shí)，起到提供方向穩(wěn)定與操縱的功能。這個(gè)實(shí)例可以視為前述飛翼式布局單發(fā)推進(jìn)的無人機(jī)的升級版和改進(jìn)版。它揭秘了飛翼式復(fù)合布局的無人機(jī)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(jī)平臺的技術(shù)升級、擴(kuò)容、改裝和使用。

大重型機(jī)受到重視

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

圖14是國產(chǎn)AT200常規(guī)布局的貨運(yùn)無人機(jī)。該機(jī)由原來有人駕駛型飛機(jī)改裝成無人機(jī)。采用單發(fā)螺旋槳下單翼常規(guī)氣動(dòng)布局，前三點(diǎn)起落架，內(nèi)置貨艙。翼展13m，機(jī)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(jī)更適合“干重活”。

圖15是俄羅斯第一種重型無人機(jī)Altius，其外形酷似一架縮小版的雙發(fā)螺旋槳運(yùn)輸機(jī)。該無人機(jī)采用雙發(fā)上單翼V型尾翼布局，前三點(diǎn)起落架。整機(jī)動(dòng)力裝置為小型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，配三葉螺旋槳。其起飛重量達(dá)5000kg，可攜帶2000kg有效載荷。單有效載荷就占了整機(jī)的40%，其運(yùn)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(xì)節(jié)和短板，注重發(fā)揮自己的航空傳統(tǒng)優(yōu)勢，應(yīng)用于無人運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)中，把航材一結(jié)構(gòu)一動(dòng)力與成熟的制造一工藝一經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，力爭在無人機(jī)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(jī)。它可以折疊，放進(jìn)6m長貨物集裝箱，可花10min組裝。該機(jī)長2.2m，翼展5.2m，最大飛行速度為每小時(shí)70km，升限為3000m，能夠高效地?cái)y帶181kg重的負(fù)載，最大續(xù)航可達(dá)8h。其自主飛行控制的精度則在30cm左右。動(dòng)力裝置使用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，最大可將重物送到350km遠(yuǎn)的地方。圖16為該集裝箱型無人運(yùn)輸機(jī)懸吊大型物件在與貨船配合作業(yè)。

集裝箱型無人運(yùn)輸機(jī)的誕生，徹底改變了人們的習(xí)慣思維。這種看似簡陋、陳舊的構(gòu)架式結(jié)構(gòu)，以及復(fù)合三角支架的應(yīng)用不僅保障力學(xué)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(shí)用性要求。給人的啟迪是集裝箱可制成無人機(jī)，集裝箱也能飛上天;更何況其他……設(shè)計(jì)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(yùn)輸機(jī)，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(yùn)輸機(jī)的系統(tǒng)化、體系化發(fā)展也是頂層設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。它不再歸屬單機(jī)的總體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不再滿足于搞單打獨(dú)斗式的演示，而要考慮多機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)和協(xié)同，批量裝備的使用。包括能夠支持多機(jī)編隊(duì)飛行，有明確的任務(wù)、航線，互相之間能夠抗干擾、有序飛行、避碰撞、重復(fù)飛行、安全降落等項(xiàng)要求。

無人運(yùn)輸機(jī)作為軍民融合的機(jī)型，其頂層設(shè)計(jì)牽涉到戰(zhàn)略定位，新技術(shù)應(yīng)用、系列化發(fā)展。其機(jī)型類別、大小、數(shù)量多少由空運(yùn)市場需求、由用戶要求決定。無人運(yùn)輸機(jī)作為可持續(xù)發(fā)展的機(jī)型，研究其主導(dǎo)類型、主流模式、設(shè)計(jì)風(fēng)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(shí)意義。