中國是無人機大國,佔據全世界無人機70%的市場份額。消費級無人機世界領先,工業級無人機也發展迅猛,捷報頻傳。
全球首款噸位級大型貨運無人機,中國的AT200於2017年在陝西蒲城內府機場首飛。其有效載荷1.5噸,續航時間長達8小時、航程2183公裡。2018年10月26日,歷時3個小時飛越秦嶺,完成了陝西蒲城往返丹鳳的載貨轉場飛行實驗。
2018年,航天時代電子與順豐共同開展了飛鴻-98大型物流無人機演示飛行試驗;2020年,豐鳥航空使用飛鴻-98進行大型物流無人機載貨轉場飛行,成功從寧夏到達內蒙古。
2018年6月18日,京東第一架大型貨運固定翼無人機總裝下線。這款名為JDY-800的無人機於11月成功首飛。2020年11月,京東在四川自貢鳳鳴通用機場順利進行了載貨檢飛,取得了京東支線物流無人機試驗的階段性成果。
中國民航局適航審定司與時俱進、積極研究,提出了基於風險的無人機審定原則,並出臺了試行的《高風險貨運固定翼無人機系統適航標準》。在此標準的指導與要求下,2020年12月,鴻雁(HY100)大型無人機在全國率先獲得民航局的「設計生產批准函」,這是我國大型無人機適航工作的一個裡程碑,具有重大意義。將為後續大型無人機適航標準的制定和完善提供參考,也將激勵更多機構加快大型貨運無人機的研製。
【大型貨機無人機的探索】
與有人客機和貨機相比,無人貨機具備明顯的技術、性能、成本優勢,特別在消除飛行員人為因素方面更是具有巨大的潛在優勢。無需考慮飛行員的疲勞、生病等其它人為意外問題,受天氣條件的限制少,減少駕駛員人為因素事故,時刻安排靈活;減少與駕駛員相關的配套設計,如空調系統、氧氣系統等,提高商載;減少空勤人員的工資及福利,解決飛行員短缺及人體疲勞極限,降低研製和運營成本。
不僅中國的順豐、京東等物流、快遞公司在加快大型無人貨機的研發與布局,國外亞馬遜、聯邦快遞等巨頭都在積極研發、探討具體技術細節。聯邦快遞創始人史密斯多次表示,希望能將公司的有人貨機機隊轉換成無人機隊。在重視翼身融合體新概念無人貨機的同時,還積極參與將有人飛機改裝成無人駕駛的研究。不久前,聯邦快遞聯手Reliable Robotics,正嘗試將Cessna 172和Cessna 208打造成自動駕駛貨運飛機;荷蘭還成立了一個研究組織,叫做「無人貨運飛機平臺(PUCA)」,其成員單位提出了多個渦槳和噴氣貨運無人機方案;英國政府資助了一項名為「與航空評估有關的自主式系統技術(ASTRAEA)」的研究項目,該項目團隊通過地面操作員遙控,於2013年成功完成一架「噴氣流」飛機往返500英裡的試飛。
【技術路徑1——全新設計】
一款新的無人貨機,能從一開始就按專為物流場景設計,以滿足貨物運輸這個最重要的功能。
無人貨機可以取消駕駛艙、押運艙等與人相關的設計與布置,不必採用全密封艙結構,無需客機那樣為保證乘客的自由呼吸而進行增壓,降低艙內噪聲設計要求,能簡化機體結構,降低設計難度;可以採用新概念布局,減阻減重,增大可用空間和貨艙容積。國內外提出了很多無人貨機方案,有的還只是概念方案,有的已經試飛。比如斯洛維尼亞飛機製造商 Pipistrel 推出的混合動力無人機-Nuuva V20和Nuuva V300採用類似聯接翼、尾部螺旋槳布局;
義大利Avio Aero公司的聯接翼、翼吊螺旋槳、V尾布局;
北航、長鷹信質提出的多機身、機頭進貨無人貨機方案等。
它們都有兩個共同點,一是機身不再為圓形截面,而是比較方,相應地其貨櫃不必為了適應圓形機身而上部切角,增大可用空間和貨艙容積,能容納更大的貨櫃和更多的貨物,也更方便貨物的打包。比如,我國騰盾科技的無人貨機,以及京東JDY-800「京鴻」無人貨機,其機身就是一個頭部整流過的大方腔。二是貨物對飛行時間的忍耐力比旅客強多了,因此無人貨機的巡航速度可以降下來,從客機的跨音速降為亞音速。基於這樣設計的需求,機翼均為不帶後掠角的平直翼,渦輪螺旋槳發動機,追求高升阻比,儘量省油,油耗經濟性指標較好。
未來電動飛機技術成熟以後,無人貨機的動力裝置還可以採用混合動力模式——用傳統燃氣機帶動發電機發電,再驅動分布式電動機,帶動螺旋槳轉動,運營成本將大為降低。
【技術路徑2——改裝設計】
當前市場上的貨運飛機,要麼是基於客機構型改進設計的原裝貨機,要麼是對退役客機進行改裝而來的客改貨,都沒有專為運貨而設計,比如,737-800BCF、777F等。通過改進和改裝,可以降低開發風險,減少關鍵技術的攻關,縮短研製和生產周期;降低適航審查費用、技術工作量和審查時間,減少設計和工藝裝備的工作量,降低成本;還能保持不同用途飛機之間的通用性,降低客戶使用經驗、維修設備配套及人員培訓方面的投入,可謂事半功倍。
前文中提到的AT200貨運無人機就是在紐西蘭PAC公司的P-750XL通用飛機基礎上改裝的。飛鴻-98是以我國自行研製的多用途雙翼運輸機運5B為平臺。ASTRAEA項目也是改裝一架「噴氣流」雙發渦槳式支線運輸機。
【展望】
儘管無人駕駛技術已經達到了實際應用的水平,但據市場調查,僅有17%的民眾願意乘坐沒有駕駛員的客機。不管折扣有多低,航空公司都可能無法說服乘客登上無人駕駛客機。
比起人們對客運航空的敏感,貨機已經初步進入無人駕駛階段。可以預測,未來10-20年,大型無人機貨運仍然將是無人駕駛飛機的最佳應用場景。當今先進的客機駕駛系統早已經實現了高度智能化,在感知並躲避其他飛機的改裝中具有天然的優勢。因此,把退役客機改裝成無人貨機,將成為一種趨勢。通過在駕駛艙內和機身上加裝許多相機以及機載傳感器,地面操控人員可以實時獲得高清晰度畫面,以及捕捉到飛機及其周圍大氣的關鍵信息,就和坐在駕駛艙操縱飛機一樣。只要提高通信數據鏈的安全級別,降低地面操作人員的人為事故誘因,無人貨機就能安全運營。從而積累更多無人駕駛的經驗與數據,提升人們對無人駕駛安全上的信心,促進無人貨機和無人駕駛客機的發展。