低成本小型貨運無人機設計特色及其啟示

林一平

上海交通大學

小型貨運無人機如何揚長避短，增加任務載荷，降低制造成本和使用費用，并且還能提升飛行性能，設計出有新意和特色不是件容易的事情，經過對環保無人機、紙質無人機、貨箱無人機的實例分析，能給設計師諸多帶來啟示。

小型貨運無人機具有用途廣泛、穿透性強、機動靈活等特點，在軍/民領域都可廣泛運用。關于小型貨運無人機的研究正如火如荼，不但要考慮如何揚長避短、增加任務載荷、降低制造成本和使用費用等方面，并且還要提升飛行性能，使得設計出有新意和特色的無人機并非易事。經過目前的環保無人機和低成本貨箱無人機的實例分析，希望能給設計師諸多有益的啟示。

“可吃”的環保無人機

面對激烈的市場競爭，無人機的設計需要不斷創新，這不但需要依靠高新科技的持續注入，也需要大量的工程實踐來支撐。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。

英國一名工程師奈杰爾·吉福德（Nigel Gifford）為了設計一架用于向災區或戰亂地區投遞人道救援物資的無人機，曾冥思苦想，后來受到滑翔衣的啟發而開始投入設計制造。

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。借助這個啟發，吉福德設計了一款名為“彈射器”（Pouncer）的環保無人機。這是一種采用無尾飛翼布局的小型無人機，外形酷似滑翔衣，但卻是剛體結構。為了能夠使該無人機達到結構簡單、性能可靠、實用、低成本、多用途、輕量化以及無污染的環保要求，吉福德嘗試了一些新做法以解決其中的關鍵難題。

基本情況

“彈射器”無人機的尺寸很緊湊，外形呈三角形（圖1），翼展長約3m、機身長1m，任務載荷重量為50kg。無人機整機結構比較簡單，除機翼和機身的大部件外，沒有水平尾翼、垂直尾翼和起落架，僅使用少量零件，并按照標準化要求設計，具有很好的互換性。機翼、機身全部為整體結構，不僅氣動性能良好，而且結構重量輕，制造、裝配亦很簡單。

圖1 “彈射器”無人機的外形。

該無人機在設計時就注重實用，設計中就盡可能去除了華而不實的部分。1架“彈射器”無人機可攜帶約50kg的食品，出動2～3架就可解決一個連隊的吃飯問題。

由于“彈射器”無人機的機身尺寸較小，飛行速度較快且靈活機動，其優勢在于自身不易被雷達和目視發現，低空和超低空飛行時也不易遭到敵方的防空火力打擊。與使用運輸機在距離地面目標5000m外空投降落傘包相比，遞送物資器材的效果好很多，使用該無人機能夠更安全地將急救物質輸送到災區或戰區。

另外，“彈射器”無人機應用的技術比較成熟、系統簡單，整體性能比較可靠，機載微型計算機和接收裝置可遵循預先規劃好的航線，飛抵目標地點完成任務。可以軍民兩用，在遇到災情或疫情、地面交通受阻的情況下，可利用該無人機往災區或疫地運送緊急醫療用品及疫苗等，使得其也受到一些國際救援組織和機構的關注。

由于無人機的整體結構簡單、零部件少、配置基本系統，且工藝成熟、使用的環保材料來源豐富，使得其容易制造，成本較低。若僅一次性使用且不考慮回收，每架無人機價格預計為187美元。該無人機采用可食用、可降解的環保材料，機身由可生物降解的淀粉基熱塑性塑料制成，再包裹蒙皮。機身內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，機體可能采用硬紙板或木質材料制成。在執行完投遞任務后，食物可以拿來吃，機體則可以就地分解或降解掩埋。這樣整架無人機基本得到了“消化”，不再需要專門進行回收及后處理。

（2）下部注入管，將噴嘴降低到設計深度，并確定噴射方向和擺動角，以確保凝結體的有效連接。應防止噴嘴堵塞，可采用低壓給水、氣、漿時放低管道的方法，或采用塑料布或膠布纏繞的臨時防護措施。

解決關鍵問題

“彈射器”無人機選擇的動力裝置和起降方式是關鍵所在，該無人機有滑翔型和動力型兩種，滑翔型在機身內不安裝動力裝置，動力型則安裝有動力裝置，可供選擇的有壓縮氣體發動機、固體燃料發動機、電驅動和活塞發動機等多種類型。壓縮氣體發動機和固體燃料發動機均為噴氣式動力，電驅動和活塞發動機均為螺旋槳間接推力式動力，而且電驅動比活塞發動機更清潔干凈。

動力方面，若該無人機選擇了噴氣推進，內部由壓縮氣體或固體燃料提供動力，一次可飛行35～40km。倘若選擇電驅動螺旋槳推進，小型電動機設置在機尾，讓出前面的主貨艙安裝任務載荷，電池艙則作為壓載，確保無人機的安定性和穩定性。

起飛方式方面，既可以選擇由飛機將其帶到3000m的高空投放，然后在下落過程中啟動發動機飛行；也可以選擇通過地面彈射裝置直接將其彈射升空，或者選擇彈/炮裝置直接發射升空。

降落方式方面，該無人機可采取自行飛行著陸或滑翔著陸方式。前者適用于動力控制著陸方式，后者適用于無動力滑翔方式。

優劣比較

由于“彈射器”無人機沒有安裝起落架，依靠動力飛行自行著陸或滑翔著陸在最后都是機身觸地，屆時將產生硬摩擦，嚴重時有可能會發生危險。此外，由于無人機采用了可食用材料作為機身、機翼及蒙皮，在遇到大雨、雪、狂風等惡劣天氣時的出勤無法保證，遇到長期潮濕等不良環境則可能使機體遭遇發霉或腐蝕，會降低機體的強度從而影響正常使用。

圖2 在地面交通受阻的情況下，可利用無人機運送應急物資。

與此相對，該無人機的設計亮點是圍繞簡單、實用的宗旨，機體采用極其簡單的氣動布局和結構，可食用、可降解的環保材料制造，以及使用后可便捷處理的噴氣動力裝置等，達到了高可靠性與低成本的統一，環保與創新的融合。

大物流時代的紙質無人機

身處大物流時代，無人機已在交通運輸業得到廣泛應用。對于消耗量極大的快遞配送行業，迫切需要低成本、便于量產的大批廉價無人機。那么，如何來制造廉價無人機呢？

經過設計師的一番努力，成功完成了紙質無人機（圖3）。這是一種采用無尾飛翼布局的紙質無人機，屬于無動力滑翔型。該無人機的布局以最少的部件達到了翼身融合的最佳氣動要求，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，俯仰操縱與常規飛機類似，翼梢小翼兼有減小誘導阻力和控制航向穩定的功能。整機的貨艙就位于機身中央，能夠用于裝貨，每次可以裝載10kg的物資，包括快遞包裹、報刊雜志、藥品和醫療用品。

圖3 采取無尾飛翼布局的紙質無人機。

該無人機的工藝設計比較巧妙，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保材質，為層壓蜂窩結構，可在幾天內自我分解。

無人機上安裝有GPS模塊、操控裝置和編程器。使用時由飛機攜帶升空，在空中達到指定高度后被投放，之后能夠較快地穩定自身狀態，并按照預設編程及輸入目標地址操縱副翼徐徐滑翔降落，經過減速接地直至著陸。無人機還可以在滑翔末段通過有WiFi功能的智能手機進行操控。經測量，該無人機的著陸誤差控制在15m左右。

據悉，受上述紙質無人機飛行成功的啟發，由美國海軍陸戰隊、美國國防預研局（DARPA）和物流滑翔機公司共同研發了LG-1K無人駕駛滑翔機，用膠合木板和鋁材制作機體，可運載317kg的物資，依靠GPS定位和簡易的飛控裝置操縱滑翔，便能準確地飛抵目的地。

優劣比較

劣勢方面，首先，目前這種紙質無人機無動力裝置，機動性會受到極大限制。其次，紙質材料影響了無人機的結構強度，限制了這種無人機的大型化、重型化發展。再者，紙質材料易受潮霉變，易遭外力破壞，不易保存，破損后就難以再次投入使用。最后，這種紙質無人機尤其需要重視消防安全。

優勢方面，這種紙質無人機具有低風險、低成本、低造價的優勢，可以大規模裝備使用，大幅應用于空運快遞、醫療救助、人道救援、戰場支援等領域。該無人機工藝簡單，不僅可以手工制作，還能通過工業化在短期內批量生產。而且安全性和可靠性較高，最重要的是不需要花費太多精力進行維修，可以直接進行換新。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，這種紙質無人機的后處理也十分環保，工程瓦楞紙板既可再次移作他用，也可以回收后作無害化分解。

“會飛”的低成本貨箱無人機

不久前，美國YEC公司在第20屆英國國際防務與安全裝備展(DSEI)上推出了其貨箱無人機——“沉默之箭”GD-2000（Silent Arrow），該無人機可軍民兩用，既能用于戰術投送任務，也可用于人道主義救援/救災活動。

基本構型

GD-2000無人機翼展8.5m，最大起飛重量1000kg，任務載荷重量達740kg。為前-中-后三段式結構（圖4），前段為鈍頭機首，里面裝有機載設備，包括GPS定位、慣性導航和控制系統；中段為貨箱，由中空的長方體組成，貨箱尺寸為0.6m×0.6m×2.4m，中間可以放入待運貨物，上面放有蓋板；后段為機尾，由含垂直尾翼的四棱柱組成。平時呈收攏狀態的機翼和水平尾翼分別位于中段貨箱的上方。

圖4 國際防務與安全裝備展上展出的GD-2000 無人機。

該無人機能被運輸機在距離地面457～7620m的高度釋放，被空投后自行控制住整機重心位移并保持住平衡和穩定，然后再以較高的精度滑翔64000m后著陸，完成空運任務。經彈簧機構釋放后，前后翼面會全部展開，屆時無人機形成雙平直翼布局。通常，GD-2000無人機可用于“點到點”緊急空運，可運送的物資包括補給食品、飲用水、醫療用品、油料、急需的零配件、維修器材等。

后續發展

據悉，YEC公司目前還有計劃要研制GD-2000無人機的后續四款機型，包括可重復使用的滑翔型和電驅動型無人機。其中，最小的GD-800無人機任務載荷重量為500kg；還有一款ER-2000無人機具備從地面垂直起/降的功能，且該無人機與另外三款的區別在于使用了更堅固耐用的玻璃纖維材料，能多次回收使用。

圖5 穩定滑翔即將著陸的GD-2000 無人機。

另一種后續貨箱無人機為前后二段式結構（圖6），前段為四棱柱機首，里面裝有機載設備，包括GPS定位、慣性導航和控制系統。后段為貨箱，由中空的長方體組成，貨箱內可以放入待運貨物，上面放有蓋板。機翼和水平尾翼平時呈收攏狀態，分別位于中段貨箱的上方，以縮小其在運輸機艙內的擺放空間或翼下吊掛空間，在空投后能自行展開，形成錯落有致的上單翼布局。

圖6 GD-2000后續的另一種貨箱無人機。

現在有許多國家不僅對GD-2000這種低成本、有特色的貨箱無人機感興趣，而且還有購買意愿，英國的MEL公司還擁有獨家生產經銷權。截至目前，MEL公司已與歐盟28個成員國以及澳大利亞、新加坡、韓國、以色列、巴西和印度等34個國家簽署了銷售協議。

優劣比較

劣勢方面，GD-2000無人機的氣動外形不夠理想，矩形截面阻力較大，有待改進和完善。而且其收藏式機翼和水平尾翼在展開后，左右兩側不在同一水平線上，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題。

優勢也同樣明顯，GD-2000無人機結構簡單、可空地兩用，集經濟、高效、環保等特點，成就了“飛行集裝箱”的美譽。實用性也很強，既可供機載吊掛，也可以在貨艙裝載，還可以車載運輸，用途廣泛且便利。其貨箱無人機也形成了一個系列，任務載荷重量從500kg到740kg，既有滑翔型，也有電驅動型。這種“飛行集裝箱”設計達到了高效與創新的統一，并且還在持續完善。

結語

創新設計的小型貨運無人機沒有去追求小而全、小而貴。但即便如此，這些設計不僅能比常規無人機增加更多的任務載荷，具有更好的經濟性，而且擁有更高的性價比、更佳的環保性和更強的實用性。也讓設計師擁有諸多的智慧空間，發揮出創造力。“能吃”的無人機、“會飛”的貨箱無人機、紙質的無人機等，都很好地表現出小型無人機設計不入俗套的新意，展現出了與眾不同的特色。