物流用貨運無人機應用技術發展探究

田秋麗，劉戰合，王 菁，趙 輝

（1.鄭州航空工業管理學院經貿學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州航空工業管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046）

近年來，隨著電子商務產業的迅猛發展，與之相關的快遞物流業獲得快速增長，涌現了專門從事物流快遞業務的順豐、申通、韻達等快遞公司，與傳統郵遞行業的郵局一起，成為物流業的中堅力量[1,2]。同時，一些大型的網上商務平臺，為了降低物流成本，也在構建獨立的完整物流體系，如京東、亞馬遜、蘇寧等。

物流的快速、安全、私密等要求逐步成為物流安全的主要特點。隨著交通運輸業、電子技術發展，服務意識的快速提高，各大物流公司提供了較為優秀的產業服務。行業的復雜性、系統性、多樣化、精準性等依然成為限制物流發展的重要瓶頸，物流手段的優化配置和技術提升是解決以上問題的重要途徑之一。

一般的，為兼顧成本和需求，物流依然以水運、空運、陸運為主，尤其是中、近距離物流貨運，主要依靠陸運結合終端用戶的快遞員投送方式，這一傳統投運方式對投遞員素質、快速投遞效率等有較大要求，且不利于整體行業的快速完善。

當前，無人機成為航空工業發展一顆閃耀明星，隨著飛行器設計技術[3]、飛行控制技術、自動控制技術、能源動力工程、信息化技術等的快速成熟與工程化[4-6]，使得無人機成為生產力發展的重要力量，逐步的形成以大疆無人機公司為典型代表的消費級無人機群體。而在物流快遞行業，盡管無人機的發展處于初級發展過程，但無人機也必將成為重要支撐平臺，必將成為未來物流的核心力量。

本文結合無人機在物流產業發展的具體需求，以無人機本體設計技術為出發點，結合物流業系統化思想，詳細探究了物流用貨運無人機應用技術的發展趨勢及其典型特點，以期理清物流用貨運無人機的發展脈絡和技術途徑，為貨運無人機研究提供清晰思路。

1 航空物流

1.1 現代物流途徑分類

從物流貨運角度講，物流貨運采用的方式依然是“水陸空”結合方式，即采用傳統的水運+陸運為主，結合快速投遞的空運，以實現物流的整體運行。其運營成本從低到高依次為水運、陸運、空運，但及時性依次剛好相反，水運受限于水路網，陸運在中短程上具有快速靈活的優點，空運盡管速度快，但受限于機場布置，僅用于重要郵件的長距離投遞。

隨著國家在航空港經濟的認可和投資，以航空港為出發點的物流快遞獲得快速發展，但主要以遠距離的集中式貨運為主，很難形成以物流公司相對獨立的物流中心，對物流的系統化、精準化、快速化等快速的形成重要瓶頸。

1.2 航空物流作用

航空物流已經成為物流快遞的重要組成部分，尤其是遠距離貨運，即傳統意義上的航空物流形式。隨著物流需求的快速增長，各大物流公司及網購平臺，考慮到自身發展需求，也在謀求自身獨立的物流體系，如京東、亞馬遜等均在積極構建航空物流體系。

從政策方面講，當前，無人機作為通航飛機的重要組成部分，成為民用航空產業發展的核心力量之一，《中國制造2025》提出要推進無人機和通用飛機產業化，國務院頒布的《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中明確提出要重點發展通用飛機為主的航空裝備，做大做強航空產業，《民用航空工業中長期發展規劃（2013-2020）》提出積極發展通用航空產業，大力拓展通用飛機產業鏈，從宏觀上為航空物流的發展和組建提供了持續動力。

航空物流作為現代化物流的典型技術途徑，尚處于初始發展階段，主要面向于重要性較高、時間緊迫、特殊貨物需求（如冷鮮）等快遞件。

1.3 航空物流飛行器

目前大多數物流公司主要通過租賃航空公司貨運飛機或以客運為依托實現貨物的遠距離運輸。以京東為主的一些大型公司，著力實現完善的航空物流體系，也在飛行器的發展利用上進行較多的嘗試。圖1為順豐集團深圳物流中心購置的遠航程物流貨運飛機767-300BCF。

圖1 順豐集團貨運飛機767-300

該機為典型客改貨，承襲了其超大體積、更高載重、更遠航程的特點，可以承載25輛快遞車，每輛車1600個快遞箱，總計可達4萬個，總重5噸，航程達7000公里。

在傳統貨運飛機的基礎上，無人機由于其快速發展及便捷性，也成為航空物流未來的重要分支，也是本文重要研究內容。

2 物流貨運無人機發展現狀

區別于消費級無人機，貨運無人機的發展面臨更復雜的技術需求、系統要求。本文以順豐集團、京東集團等貨運無人機為主，兼顧其它集團公司發展，來詳細討論。

當前，面向終端客戶，京東、順豐、申通等均采用快遞人力投送方式實現，為降低投遞困難，京東等開始著眼于實現無人機投遞，并進行了努力，圖2為京東及順豐多旋翼無人機投遞實驗。

圖2 多旋翼貨運無人機

同時，在采用多旋翼進行無人機投遞的實踐過程中，多家巨頭公司也在嘗試其它方式。順豐集團通過與其它航空公司合作，于2017年5月10日，成功試飛了我國首架擁有自主產權的中遠程大載重應急物資運送無人機。該固定翼無人機可完成15公斤貨物、80公里遠程配送任務，實現目標物在15米范圍內精準投放。

圖3 順豐15公斤級貨運無人機

順豐集團也在嘗試中遠程貨運無人機試驗，2017年7月12日，順豐集團在成都附近水域進行了某型貨運無人機（圖4）飛行起降測試（載重250kg），采用全封閉式水陸兩棲方式，為提高飛行穩定性，機翼兩側各置穩定性浮桶，該型無人機尚處于科研驗證階段。

圖4 順豐250kg級貨運無人機

由圖4可以看出，該型貨運無人機采用水上起降方式，可大大降低對地面機場需求，尤其適用于我國南方多湖泊、多河流區域，同時，在群島國家，具有更大的應用前景。另一方面，該型無人機為了適應陸上起降，設計成為水陸兩棲方式，大大提高了實用性。

為進一步拓展貨運無人機使用，順豐集團與中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所和中國科學院工程熱物理研究所合作，以P-750XSTOL輕型飛機為載體，改裝成可自主飛行無人機，成為截至目前為止世界第一架大型貨運無人機，該型無人機如圖5所示。

圖5 P-750改裝后的無人機

該型無人機改裝后，載重將達1噸以上，航程近2000公里，成為真正意義上的遠距離重型貨運無人機。在此基礎上，順豐集團也在努力發展一種3噸級別的支線貨運無人機，其概念機如圖6。

與順豐集團類似，京東、亞馬遜、谷歌等集團也在該方面進行積極布局。京東在貨運無人機方面也做了積極嘗試，并進行了多次無人機配送試驗，距離實用化的程度還不夠。京東的概念無人機將能夠載重1噸，飛行50km，除無人機本身之外，京東已經成功研發無人機飛控中心，為真正實現落地運營提供必要技術基礎。

圖6 順豐3噸級概念貨運無人機

圖7為京東某型貨運無人機VT1方案。

圖7 京東傾轉旋翼貨運無人機VT1

貨運無人機VT1將具備200公里以上飛行距離、200公斤以上起飛重量的能力。將為京東在無人機貨運方面提供重要技術支撐。

3 貨運無人機分類

3.1 按總體布局

從上述貨運無人機發展現狀來看，結合飛行器布局技術，可將貨運無人機分為：旋翼無人機、傾轉旋翼無人機、固定翼無人機。

旋翼無人機對起降條件要求低，尤其是現在多旋翼無人機發展較為成熟的條件下，已經成為消費級無人機的主體形式，將成為貨運無人機的首要形式。其次，與飛行器設計技術相類似，貨運無人機為了綜合旋翼和固定翼的優點，也在嘗試傾轉旋翼貨運無人機的研究探索，這一點在京東、空客、亞馬遜等公司均有體現。最后，貨運無人機區別于偵察、打擊無人機，對機動能力等要求較低，其設計具有典型的貨運飛行器特點。

3.2 按航程

貨運無人機與常規飛行器一樣，也可以按照航程進行分類，結合物流特點，可以分為近程無人機、中程無人機、遠程無人機（支線）。

近程無人機根據物流需求，可以定義為50公里以內用于貨運投遞的無人機，尤其適合于終端客戶快點的投放；中程無人機50～200公里，可用于大型城市內部或兩小城市間的物流運輸；運程無人機甚至是支線級別的貨運無人機，可實現200～2000公里的無人貨運投放，用于中型城市或大型城市間物流運輸。

3.3 按載重

按其物流需求的載重劃分，可分為輕型無人機、中型無人機、重型無人機。

從當前物流無人機的使用情況和物流需求來看，輕型無人機為載重在30公斤以下的無人機，中型無人機范圍在30～100公斤級別，重型無人機在100公斤以上級別。

3.4 各分類之間關系

盡管上述分類方式從不同角度進行了闡述，實際上三者之間有較為密切的關系，可以用圖8來表示。

圖8 各分類之間內在關系

如圖8所示，一般的，近程的貨運可采用多旋翼貨運無人機，尤其是超近程，如小區范圍內投遞，該型無人機也是輕型貨運無人機，一般在數公斤至二三十公斤不等，航程最遠也是城市內或一個區域的農村范圍投遞。中程無人機一般采用小型固定翼無人機或處于研發階段的傾轉旋翼無人機實施，其載重量也會相應提高，在30～100公斤之間。遠程或支線無人機可實現數百公里甚至是數千公里的運輸，其載重量也會在數百公斤甚至達數噸，同時，為了提高燃油利用率和航程，一般采用固定翼布局形式。

4 貨運無人機設計特點

通過前述研究，從技術角度出發，可以發現，貨運無人機的技術發展路線可分為如下幾種方式：1）旋翼；2）旋翼+固定翼，傾轉旋翼+固定翼；3）固定翼。

4.1 旋翼

旋翼尤其是多旋翼，是當前無人機研究的熱點，也是走向實用化最多的無人機形式，其載重量在25～30公斤以內，可根據實際應用情況設計載重，有四旋翼、六旋翼、八旋翼等。根據實際應用，航程較近，載重較小的多旋翼無人機在數公里甚至視距內，載重較大的可在幾十公里的航程。從物流角度來講，更適合于面向客戶端的快遞員使用，具有攜帶方便、投遞方便的優點，但其缺點也較為明顯，如航程小，載貨量小，電池容量小等。多旋翼無人機技術成熟度較高，穩定性較好，飛行技術要求低。

4.2 旋翼+固定翼 或 傾轉旋翼+固定翼

為解決中遠程快速投遞業務，借鑒于航空飛行器設計技術的發展，提出了旋翼+固定翼或傾轉旋翼+固定翼的方式。該方式結合固定翼和旋翼的優點，可以實現垂直起降，巡航狀態以固定翼提供動力，提高載重和航程。旋翼+固定翼方式，設計難度低，但在前飛過程中，其旋翼會帶來飛行阻力，從而降低燃油利用率。傾轉旋翼（也可采用傾轉涵道風扇）+固定翼方式，可以有效結合旋翼和固定翼優點，但其設計難度較高，在旋翼傾轉過程中會出現飛行不穩定性，對傾轉旋翼結構設計和自動控制環節要求高，這也是該型無人機設計的難點。

該類無人機設計載重一般在15～35公斤，航程為20～80公里。其優點是起降要求較低，可實現較長距離貨物運輸。同時，在設計研究中，要求具備一定的飛行器設計、飛行控制技術、自動控制等技術基礎和設計研究經驗。

圖9 旋翼（傾轉涵道風扇）+固定翼

圖9中左圖為空客公司旋翼+固定翼貨運無人機設計方案，右圖為波音公司采用涵道風扇為動力的傾轉旋翼方案。

4.3 固定翼

固定翼飛機具有航程遠、載重大的優點，這也是遠距離物流的主要需求，就當前情況來看，其載重需求在200公斤～1噸，可根據實際需求設計，航程在50～2000公里不等，可根據物流策略進行安排。固定翼無人機也有其缺點，受起降條件限制，對陸基需有通用機場或物流機場支撐，對水上起降無人機，需有安全水域進行起降。

固定翼無人機尤其是大展弦比貨運無人機具有耗油率低、航程遠的優勢，可大幅降低物流成本，同時，其設計技術成熟，有大量豐富經驗可借鑒，尤其是常規氣動布局設計技術。

5 貨運無人機研頂層究策略

5.1 新概念貨運無人機研究

從飛行器設計角度講，無論是多旋翼無人機還是固定翼無人機，或者是二者的結合：傾轉旋翼（旋翼）+固定翼型無人機，在設計新一款無人機時，需要根據實際任務需求、設計需求，進行大量的前期總體設計、空氣動力學分析、材料結構設計分析，及空氣動力學試驗、仿真分析，試飛試驗等，設計周期較長，同時也存在技術風險大、研制周期長等缺點，技術投入和經費投資相對來說均較大。

因此，新概念貨運無人機設計對物流公司來說，將需要較長的研制周期和資金投入，這對實用化來說為不利因素。

5.2 輕型飛機改裝為貨運無人機

對30kg以上載重貨運無人機來說，尤其是100kg以上載重量無人機，目前的發展趨勢是采用固定翼常規布局形式，同時，結合需求，對現有輕型飛機進行改裝，通過在有人飛機增加無人飛控系統、數據鏈路等，升級成對應形式的貨運無人機，成為目前主流物流也是貨運巨頭公司的選擇。

以設計、飛行成熟的固定翼輕型無人機為載體，借助其原有穩定的設計概念，可提高項目技術成熟度、降低設計風險和投資風險，同時節約用于無人機前期概念設計研究的大量時間和資金投入。

一般的，可選擇大展弦比輕型無人機作為改裝對象，應考慮輕型飛機本身的運行情況，根據需求合理設計改裝，以實現大型貨運無人機的運行。

6 結論

以航空器在物流中的應用為出發點，通過對當前主要物流公司、網購平臺貨運無人機的研究和使用進行調研，詳細分析了貨運無人機的發展現狀，從實際物流貨運需求出發，研究了貨運無人機的分類、優缺點、適用情況；以此為基礎，提出了當前貨運無人機技術發展路線和貨運無人機的研究策略，對貨運無人機研究頂層設計具有一定支撐作用。