无人运输机发展综述

林一平

近年来，无人运输机作为军民融合典型的无人机型，不仅拥有巨大的市场需求，而且取得了很多试验成果。按有效载荷分类，无人运输机有有效载荷从小到数千克的快递无人机，也有大到数吨重的无人运输机，发展势头迅猛。无人运输机的设计涉及战略定位、主导类型、主流模式、新技术应用、系列化发展等方面，在使用中也形成了各自不同的设计风格。

航空史上不乏有先研制出新机型再去找市场的做法，不乏有技术成功而商业并不成功的实例。这样做不仅费时费力十分被动，而且还反映出其战略缺位，缺乏市场意识，且不可持续发展。现今无人运输机的研发之路不同以往，其从顶层设计开始就紧密联系着市场需求，对标清晰，使得用户就在身边，有用户全程参与项目，有用户乐于使用新机型，并且有明确的战略定位，能够持续发展。

发展战略

国内著名快递企业顺丰控股（集团）股份有限公司的无人运输机发展战略就是计划以湖北省的鄂州市为中心，形成干线飞机支线大型无人机末端小型无人机组成的“大中小”、“远中近”三段式对接的空运链条，飞行半径覆盖国内中部、东部、南部、北部一部分区域，建立起全国36h通达的航空物流网，实现2h内覆盖中国900的GDP城市和区域。

国内另外一家著名快递企业北京京东世纪贸易有限公司无人运输机的发展战略就是计划以陕西省为试点，创新模式、建立二大中心、三级物流、四省运营，打造无人机+通航全域物流网络。北京京东世纪贸易有限公司也是物流界自发提出研制无人运输机的大型物流企业。在引进专业人才、成立无人机研究所、自主开发适合快递空运的新机型、保护知识产权、注重无人机体系建设等方面均进行了大量前期工作，并在依托飞机城优势，巩固西部“根据地”，稳步推进物流网络建设方面，正在取得令人瞩目的成绩。

正是由于顺丰控股（集团）股份有限公司、北京京东世纪贸易有限公司这些物流大企业有明晰的无人运输机发展的战略定位，经营业务有广阔的市场需求和强大的技术支撑，保证了无人运输机批产投入使用后就有用户，就能够投入实际运营，并产生出经济效益。通过差异化发展形成优势互补的良性竞争。

垂直起降呈现主流

由于国内外各地机场资源的稀缺，加上难以找到理想的场地及跑道等使用、受多种管理制度的限制，无人运输机更多地倾向于采用垂直起降型的设计。并且，事实上目前垂直起降型的无人机不仅机型占优，而且数量庞大，呈现主流。其中，四旋翼无人运输机还成为基本型，在技术上日趋成熟，普及面广，应用领域众多。

图1是四旋翼无人机垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动的原理图。其作为入门级机型，用户通过改变四旋翼之间的动升力及其矢量值，调整扭矩、利用差动微调等来操控无人机，技术并不复杂，也都能在短时间内掌握得很好。

图2为四旋翼无人机携载物件正在抵近降落地点。从中可见其气动外形设计不仅保持简洁，而且在减小空气阻力方面下了功夫，机身前后围均经过整流处理，快件被夹持在机腹中央，很好地控制了载荷重心位置，再配上角撑式四点式起落架，不仅整个结构连续一流畅一紧凑，而且总体设计趋向合理。

对这类无人运输机的设计一使用要求：

可垂直起降——实现无机场运作，简化勤务保障;

有效载重大——以满足更多用户的实际需求;

能自主飞行——提高自动控制和智能化水平;

系统可靠性高——一方面提高子系统可靠性，另一方面系统本身具有冗余度;

飞行安稳性好——可确保空运任务的顺利完成;

可全天候飞行——能够在复杂气象条件下飞行;

续航力持久——留空时间长，航程远;

系列化发展——保持技术的延续性，丰富空运市场需求，使用戶有更多的选择;

抗干扰性强——可在复杂环境及强电磁波干扰条件下维持正常飞行;

可智能识别——可识别大人/小孩、性别、人脸、指纹、声音等;

终端扫描签收——能与手机使用对接。

多旋翼机占据主导

通常，垂直起降型的无人机大多采用多旋翼总体布局，其带来的好处是由分布式的多旋翼提供动升力来满足垂直起降和水平飞行的需要，通过局部多台小功率电机来保障整体达到大功率电机的功效，可降低技术难度，并分散技术风险，技术上容易上手，能较快取得成果，主导了当前无人机的发展。

图3是一种六旋翼无人运输机，它携带着标准外包装纸箱的快件正在飞行途中。其六旋翼连同驱动电机均布在悬臂端部，共同产生动升力来分担夹挂在下方的有效载荷，能够有效地控制重心位置，确保无人机操控时的安稳性。其6条悬臂根部均汇聚在中央盘盒，符合力学受力要求。并且外包整流罩，还有助减阻。

图4由四旋翼延展出的八旋翼无人运输机。其创新处在于采用Y型悬臂拓展，增强了旋翼无人机的功能。从图中可见，原来只是4条主悬臂，后来在4条主悬臂外端部再分别增加了4个V型臂，这样就将原来的4旋翼延展出了8悬臂，再在8悬臂上分别安装配套的驱动电机和旋翼，就成为了地道的八旋翼无人运输机。很显然，若与同等配置的四旋翼无人运输机相比较，其效能提高了1倍。虽然这里展示的只是裸机，但是它却揭示了4悬臂变成8悬臂，4旋翼变成8旋翼的奥秘。通过在悬臂四周开孔，还揭示了无人机轻量化的途径。

图5是一种六旋翼无人机平台，其6对电机与旋翼组呈60°夹角均布。其机身外形呈多棱角平面状，航材含吸波特性，有一定的隐身功能。其起落架为外趴式杆状结构，保持一定的离地高度，以便携带较大的有效载荷。

图6为五涵道旋翼无人机平台。其中，四涵道旋翼属于同一规格，呈90°夹角均布，安装在悬臂梁端部。另外，那个大涵道旋翼安装在中央，下方吊挂了一个光电球探测器（也可以是其他有效载荷），可全景观察和拍摄外景，搜索目标，跟踪目标。

图7为上海交大16旋翼无人机及便携式机站。该机悬臂及旋翼按4*4矩阵加对角斜撑格局分布，是迄今国内旋翼数量最多的旋翼无人机。其最大起飞重量20kg，有效载荷8kg。能够垂直起降;全程自主飞行，无须人工干预;巡航速度50km/h，最大飞行高度500m，续航时间30min。飞行定位精度0.5m，操纵方式可采取手机安卓系统、IPhone、IPad（IOS）。

该16旋翼无人机悬挂彩旗、标语曾经常出现在上海交大校庆活动中，并被“五四”农场订购了2架用于农业生产和科研。

中小型机普及迅猛

根据多方的统计资料，中小型无人运输机数量已经占据了无人运输机总量的90%左右。其原因有市场需求，贴近用户、使用灵活、制造成本可承受、售价不高、技术并不复杂、比较实用、经济性较好。

从总体布局看既有常规型的，也有非常规型的;既有依靠跑道助飞的，也有依靠弹射器助飞的，还有靠自行起降的。

常规型总体布局的无人运输机酷似缩小版的普通飞机，升力部件和操纵面齐全，整个飞行过程也与普通飞机相类似，并且有在常规总体布局基础上进一步发展的三翼面布局的无人运输机。非常规型总体布局的无人运输机形式多样，有无尾型、飞翼型、环翼型、飞碟型、气垫型的。

图8是垂直起降三翼面布局的无人运输机。它采取8旋翼对称布置，三翼面双尾翼布局。双杆8旋翼以机翼为界，4前4后，这种均布结构能够使它获得更平稳的垂直起降性能。它的机身除了可以安装下较多的机载设备和系统，舱内还可以安装下较大、较重的有效载荷，空气阻力亦更小。双尾翼可提供良好的方向稳定性和操作性。三翼面布局作为常规布局的拓展，保持了更佳的气动性能，具有更好的安稳性，更优的巡航性能。与目前大多数无人机相比较它具有更强的运载能力。

图9用于快递的组合布局无人运输机。它采用三垂尾构架式布局，后三点起落架，构架式载货平台。其整体结构紧凑合理，强、刚度有保证，可以满足使用要求。其外露件少，气动性能尚好，空气阻力亦小，安稳性也有保障。它能够垂直起降，并由中央尾桨推进，飞行性能更优。

飞翼式布局也是无人运输机理想的总体布局之一，它可以是常规飞翼式总体布局，也可以是无尾飞翼式总体布局。飞翼式布局升力系数大，外形简洁，气动阻力小，具有优良的气动性能，飞翼有很好的卸载功能，适合制成大型的翼内货舱。

图10是飞翼式布局单发推进的无人机平台，亦可作为中小型无人运输机使用。其采用无尾设计，扁平化的机身可用来安装机载设备、有效载荷、动力装置。推进式螺旋桨就位于机尾中央，提供该机的水平飞行和巡航的驱动力。该机的襟翼和副翼就位于机翼后缘，在拥有优良的横向稳定性与操纵性的同时，通过机翼后掠，增加重心移动范围，改进纵向稳定性与操纵性。通过设置双立尾式翼梢小翼在达到减小诱导阻力，改善巡航性能的同时，还起到了提供方向稳定与操纵的功能。

复合布局异军突起

近几年，集旋翼无人机与常规无人机之大成的复合式布局的无人机大行其道，作为异军突起的新秀，风靡无人机业界。原因是它既具有旋翼无人机可垂直起降、空中悬停的功能，又具备常规无人机出色的巡航功能，二者合二为一地体现在同一架无人机身上，具有使用中的便捷性和灵活性，而且平飞速度、有效载重、续航力、升限、巡航性能、航程等项技术指标均优于旋翼无人机。

图11是四旋翼单桨推进无人机平台。它采用平直上单翼配倒V型尾翼，类似双尾撑的布局。而与双尾撑不同之处是该双尾撑实际还纵向做了前伸，中间与机翼相连，供四旋翼前后安装在基座上，双尾撑再与倒V型尾翼相连接。其所拥有的大货舱机身依然位于中央。從总体设计分析，其在提高飞行性能的同时，仍然注重气动减阻和结构轻量化。

图12是另外一种四旋冀无人机平台。它采用平直上单翼配V型尾翼，前后双横梁的布局。该双横梁分别位于前机身和后机身处，供四旋翼前后安装在基座上。机翼采取斜撑杆结构，与机身相连接。起落架为轮式后三点。其拥有大型载荷舱的机身，V型尾翼就安装在机身尾部。从总体设计分析，其在提高飞行性能的同时，同样注重气动减阻和结构轻量化。

图13是一种采用大展弦比飞翼式复合布局的无人机平台，它可垂直起降。该机动力系统由4副旋翼]个推进式螺旋桨组成。4副旋翼通过双细杆对称布置在左右两侧机翼的前后方，分别由4台电机驱动，主要用于产生垂直起降和空中悬停时的动升力。该无人机飞抵一定高度后，则主要靠位于机尾中央后延伸端的推进式螺旋桨提供水平飞行和巡航的驱动力。

该机的襟翼和副翼位于机翼后缘，可提供良好的低速性能和横向稳定性与操纵性，改进纵向稳定性与操纵性。双立尾式翼梢小翼可在减小诱导阻力，改善巡航性能的同时，起到提供方向稳定与操纵的功能。这个实例可以视为前述飞翼式布局单发推进的无人机的升级版和改进版。它揭秘了飞翼式复合布局的无人机同样也可垂直起降、空中悬停的奥秘，并且极大地方便了用户对该无人机平台的技术升级、扩容、改装和使用。

大重型机受到重视

近几年，不仅大型无人运输机受到重视，而且重型无人运输机也受到重视，有效载荷达到数吨级，甚至还出现了集装箱型的无人运输机。

图14是国产AT200常规布局的货运无人机。该机由原来有人驾驶型飞机改装成无人机。采用单发螺旋桨下单翼常规气动布局，前三点起落架，内置货舱。翼展13m，机长12m。货舱10m³。最大有效载荷1500kg。巡航速度260km/h，最大航程2000km。显然比多旋翼无人机更适合“干重活”。

图15是俄罗斯第一种重型无人机Altius，其外形酷似一架缩小版的双发螺旋桨运输机。该无人机采用双发上单翼V型尾翼布局，前三点起落架。整机动力装置为小型涡桨发动机，配三叶螺旋桨。其起飞重量达5000kg，可携带2000kg有效载荷。单有效载荷就占了整机的40%，其运力的确不可小觑。

由此可见，俄罗斯从自己国情出发，不拘泥于一些细节和短板，注重发挥自己的航空传统优势，应用于无人运输机的设计中，把航材一结构一动力与成熟的制造一工艺一经验结合起来，力争在无人机大型化、重型化方面走在世界前列。

图16是俄罗斯车载集装箱无人机。它可以折叠，放进6m长货物集装箱，可花10min组装。该机长2.2m，翼展5.2m，最大飞行速度为每小时70km，升限为3000m，能够高效地携带181kg重的负载，最大续航可达8h。其自主飞行控制的精度则在30cm左右。动力装置使用活塞发动机，最大可将重物送到350km远的地方。图16为该集装箱型无人运输机悬吊大型物件在与货船配合作业。

集装箱型无人运输机的诞生，彻底改变了人们的习惯思维。这种看似简陋、陈旧的构架式结构，以及复合三角支架的应用不仅保障力学性能恰到好处，而且还有减重效果，工艺简单，制造成本也不高，符合实用性要求。给人的启迪是集装箱可制成无人机，集装箱也能飞上天;更何况其他……设计者则需要考虑它后续的系列化发展，形成不同尺寸、重量规格的集装箱型无人运输机，满足市场需要，可供用户选择。或许，未来还可以有更大胆的创新举措出现。

无人运输机的系统化、体系化发展也是顶层设计的重要内容。它不再归属单机的总体和系统设计，不再满足于搞单打独斗式的演示，而要考虑多机的系统设计的协调和协同，批量装备的使用。包括能够支持多机编队飞行，有明确的任务、航线，互相之间能够抗干扰、有序飞行、避碰撞、重复飞行、安全降落等项要求。

无人运输机作为军民融合的机型，其顶层设计牵涉到战略定位，新技术应用、系列化发展。其机型类别、大小、数量多少由空运市场需求、由用户要求决定。无人运输机作为可持续发展的机型，研究其主导类型、主流模式、设计风格，以及创新发展，把握其趋势不仅对研发部门，而且对使用单位均具有现实意义。