原標題：垂直起降物流無人機劍指電池續航瓶頸

前不久舉辦的第十二屆中國國際航空航天博覽會，專門設置了無人機館，超過40家企業攜各種結構、大小、氣動布局的無人機參展。在這些琳瑯滿目的產品中，一架高1.8米、翼展3米、豎直擺放的無人機吸引了眾多參觀者的目光。這架名為“蒼鷺”的大家伙，是南方科技大學無人機團隊研制的固定翼垂直起降物流無人機。

無論從外形還是參數來說，它都顯得有些與眾不同。流線型機身被略顯夸張的十字形垂尾支撐著，像一枚等待發射的火箭，瘦長的機翼伸展開，左右各有一臺螺旋槳。

“這樣的設計是為了‘蒼鷺’兼顧垂直起降、大載重和長航程的性能。”南方科技大學力學與航空航天工程系系主任單肖文教授告訴中國青年報·中青在線記者。

實際上，“蒼鷺”的性能參數都來自市場的要求。單肖文去年曾帶領團隊成員到幾家大型物流公司調研，對方提出了垂直起降、載重10公斤、航程達到100公里等需求，市場上能夠同時滿足這三項條件的無人機產品寥寥無幾。

近幾年，中國的物流行業和電商平臺迅猛發展，無人機在物流業的應用得到了廣泛關注。據新華社報道，2017年我國快遞業務量突破400億件，連續4年穩居世界第一。

與此同時，無人機物流市場也逐漸被打開。去年6月底，順豐與江西省贛州市南康區聯合申報的物流無人機示范運行區空域申請得到東部戰區的正式批復。同年8月底，京東獲得覆蓋陜西省全境的無人機空域批文。

面對呈現井噴之勢的無人機市場，物流企業對于無人機產品提出了更多要求。對于中小型無人機來說，垂直起降是一項入門級的要求，物流公司希望無人機不依賴跑道靈活起降。

經過調研，單肖文團隊發現滿足垂直起降要求的無人機大多是多旋翼結構，耗電量很大，續航時間普遍在20分鐘左右。固定翼無人機的氣動外形更適合長航時飛行，但需要跑道起降。

他們決定研發一種能夠垂直起降的固定翼無人機，通過兩臺螺旋槳提供升力垂直起飛，之后通過垂尾的舵面控制姿態轉成平飛，到達目的地后再轉為垂直降落，這就是后來的“蒼鷺”無人機。

不同于多旋翼無人機采用一套動力系統進行垂直起降、另一套動力系統用于平飛的做法，“蒼鷺”無人機僅使用一套動力系統完成起降和飛行，結構簡單，同時減輕了自重和阻力，“續航能力明顯提升”。

攻克垂直起降問題后，隨之而來的是增加載重量和航程的難關，其中電池續航能力是一個非常關鍵的因素。

“目前無人機行業的主要問題就是電池續航能力不行。”南方科技大學力學與航空航天工程系研究助理教授王浩介紹，電池已經成為制約無人機行業發展的一個瓶頸。

這位31歲的年輕人從本科到博士階段一直鉆研無人機技術。他表示，當前電池技術發展緩慢，同樣重量下，電池的容量每年只能提升3%，短期內也看不到革命性的創新。在這樣的現實下，團隊想出了另一條思路——通過空氣動力學優化增加航程。

到南方科技大學任職前，單肖文曾在中國商用飛機公司北京研究中心負責c929遠程寬體客機的總體構型及氣動布局技術預先研究，積累了豐富的經驗。在他的帶領下，團隊很快拿出了“蒼鷺”的總體布局方案。

單肖文認為，“蒼鷺”外形的每一個部分都是為了減少阻力、增加航程而設計。長且窄的機翼，專業術語叫“展弦比比較大”，自主研發的翼形有效提升了氣動效率。機身中部有一個標準的矩形貨艙，蓋上艙蓋后沒有任何外掛設備。仔細觀察，它的螺旋槳也不像常見的固定翼無人機那樣放在機翼前方。

“螺旋槳放在機翼后邊，減少了氣流通過機翼產生的阻力，可以進一步增加有效載重，這個專利已經批下來了。”他解釋說，螺旋槳后置使氣流只通過尾部的控制舵面，提高了控制效率，使得“蒼鷺”的抗風性和穩定性也有較大提升。

目前，單肖文團隊已經申請了兩項專利，在總體布局和飛行控制邏輯方面確保了“蒼鷺”無人機兼顧垂直起降、大載重、長航程的性能。

“另外，我們還采用了拓撲優化技術配合3d打印技術實現結構減重，這樣也能增加航程。”王浩向中國青年報·中青在線記者展示了機翼的橫截面，里面大部分是中空的，僅在一些地方有類似骨架的結構用來增加強度，在驗證階段整個機身采用全3d打印，將來批量生產時也可以應用拓撲優化技術。

在30%縮比驗證機飛行測試中，單肖文團隊獲得了一系列數據：在相同電池容量下，“蒼鷺”無人機的飛行時間為50分鐘，是傳統多旋翼無人機的2.5倍；航程60公里，是傳統多旋翼無人機的6倍。

今年9月8日，“蒼鷺”1∶1原型機首飛，載重量和航程均達到了物流廠商的要求。一家物流企業曾多次到實驗室參觀，對無人機的性能和制作工藝感到“特別驚訝，評價很高”。

除了單肖文和王浩，無人機團隊里還有幾名研究生和本科生，平均年齡只有27歲。在研發過程中，這個6人團隊曾經歷痛苦的煎熬。“我們大概摔了二三十架無人機，實驗室有一堆（摔壞的），我們都保留著。”王浩笑著說。

有時，無人機摔了找不到問題，第二次飛同樣的問題再次出現，“特別糾結”。這時，團隊成員會聚到一起討論、查資料，頻率非常高。

有一次自主飛行測試，不管怎么測，無人機都不按照預定軌跡飛行。最后只剩一塊電池了，大家失去了耐心，王浩堅持再測一次，結果成功了。“后來我們發現有一個導航方向的設置問題搞反了。”王浩感慨，“當你做到最后，覺得沒戲的時候，如果再繼續往前面走一點，可能它就出來了。”

每次試飛成功雖然很激動，但他不會特意去慶祝，因為“過了這個點后還有很多點要走”。下一步，他們計劃對“蒼鷺”1∶1原型機進行密集測試，一年內將產品投入市場。

經過前期調研，他們發現市場上還沒有符合垂直起降、10公斤載重量和100公里航程的成熟無人機產品，已有的無人機要么載重量偏小，要么航程較短，應用場景相對狹窄。一些企業有意開發類似的無人機產品，目前也處于研發試驗階段。

在這次航展上，有許多企業前來詢問無人機的參數，提出自己的需求。有一家企業表示出較強的合作意向，邀請他們帶著方案和產品到廠區進行展示。

“這是我們之前沒有想到的。”王浩告訴記者，團隊的精力主要集中在原型機的測試和定型。

“目前我們的無人機主要用于物流運輸，未來還可以用于巡線、勘探、海洋救生等領域。”單肖文說，“我們的定位是做一個穩定、高效的飛行平臺，為未來的應用打下基礎。”

中國青年報·中青在線記者 王達 來源：中國青年報

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