物流用货运无人机应用技术发展探究

田秋丽，刘战合，王 菁，赵 辉

（1.郑州航空工业管理学院经贸学院，河南 郑州 450046；2.郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南 郑州 450046）

近年来，随着电子商务产业的迅猛发展，与之相关的快递物流业获得快速增长，涌现了专门从事物流快递业务的顺丰、申通、韵达等快递公司，与传统邮递行业的邮局一起，成为物流业的中坚力量[1,2]。同时，一些大型的网上商务平台，为了降低物流成本，也在构建独立的完整物流体系，如京东、亚马逊、苏宁等。

物流的快速、安全、私密等要求逐步成为物流安全的主要特点。随着交通运输业、电子技术发展，服务意识的快速提高，各大物流公司提供了较为优秀的产业服务。行业的复杂性、系统性、多样化、精准性等依然成为限制物流发展的重要瓶颈，物流手段的优化配置和技术提升是解决以上问题的重要途径之一。

一般的，为兼顾成本和需求，物流依然以水运、空运、陆运为主，尤其是中、近距离物流货运，主要依靠陆运结合终端用户的快递员投送方式，这一传统投运方式对投递员素质、快速投递效率等有较大要求，且不利于整体行业的快速完善。

当前，无人机成为航空工业发展一颗闪耀明星，随着飞行器设计技术[3]、飞行控制技术、自动控制技术、能源动力工程、信息化技术等的快速成熟与工程化[4-6]，使得无人机成为生产力发展的重要力量，逐步的形成以大疆无人机公司为典型代表的消费级无人机群体。而在物流快递行业，尽管无人机的发展处于初级发展过程，但无人机也必将成为重要支撑平台，必将成为未来物流的核心力量。

本文结合无人机在物流产业发展的具体需求，以无人机本体设计技术为出发点，结合物流业系统化思想，详细探究了物流用货运无人机应用技术的发展趋势及其典型特点，以期理清物流用货运无人机的发展脉络和技术途径，为货运无人机研究提供清晰思路。

1 航空物流

1.1 现代物流途径分类

从物流货运角度讲，物流货运采用的方式依然是“水陆空”结合方式，即采用传统的水运+陆运为主，结合快速投递的空运，以实现物流的整体运行。其运营成本从低到高依次为水运、陆运、空运，但及时性依次刚好相反，水运受限于水路网，陆运在中短程上具有快速灵活的优点，空运尽管速度快，但受限于机场布置，仅用于重要邮件的长距离投递。

随着国家在航空港经济的认可和投资，以航空港为出发点的物流快递获得快速发展，但主要以远距离的集中式货运为主，很难形成以物流公司相对独立的物流中心，对物流的系统化、精准化、快速化等快速的形成重要瓶颈。

1.2 航空物流作用

航空物流已经成为物流快递的重要组成部分，尤其是远距离货运，即传统意义上的航空物流形式。随着物流需求的快速增长，各大物流公司及网购平台，考虑到自身发展需求，也在谋求自身独立的物流体系，如京东、亚马逊等均在积极构建航空物流体系。

从政策方面讲，当前，无人机作为通航飞机的重要组成部分，成为民用航空产业发展的核心力量之一，《中国制造2025》提出要推进无人机和通用飞机产业化，国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中明确提出要重点发展通用飞机为主的航空装备，做大做强航空产业，《民用航空工业中长期发展规划（2013-2020）》提出积极发展通用航空产业，大力拓展通用飞机产业链，从宏观上为航空物流的发展和组建提供了持续动力。

航空物流作为现代化物流的典型技术途径，尚处于初始发展阶段，主要面向于重要性较高、时间紧迫、特殊货物需求（如冷鲜）等快递件。

1.3 航空物流飞行器

目前大多数物流公司主要通过租赁航空公司货运飞机或以客运为依托实现货物的远距离运输。以京东为主的一些大型公司，着力实现完善的航空物流体系，也在飞行器的发展利用上进行较多的尝试。图1为顺丰集团深圳物流中心购置的远航程物流货运飞机767-300BCF。

图1 顺丰集团货运飞机767-300

该机为典型客改货，承袭了其超大体积、更高载重、更远航程的特点，可以承载25辆快递车，每辆车1600个快递箱，总计可达4万个，总重5吨，航程达7000公里。

在传统货运飞机的基础上，无人机由于其快速发展及便捷性，也成为航空物流未来的重要分支，也是本文重要研究内容。

2 物流货运无人机发展现状

区别于消费级无人机，货运无人机的发展面临更复杂的技术需求、系统要求。本文以顺丰集团、京东集团等货运无人机为主，兼顾其它集团公司发展，来详细讨论。

当前，面向终端客户，京东、顺丰、申通等均采用快递人力投送方式实现，为降低投递困难，京东等开始着眼于实现无人机投递，并进行了努力，图2为京东及顺丰多旋翼无人机投递实验。

图2 多旋翼货运无人机

同时，在采用多旋翼进行无人机投递的实践过程中，多家巨头公司也在尝试其它方式。顺丰集团通过与其它航空公司合作，于2017年5月10日，成功试飞了我国首架拥有自主产权的中远程大载重应急物资运送无人机。该固定翼无人机可完成15公斤货物、80公里远程配送任务，实现目标物在15米范围内精准投放。

图3 顺丰15公斤级货运无人机

顺丰集团也在尝试中远程货运无人机试验，2017年7月12日，顺丰集团在成都附近水域进行了某型货运无人机（图4）飞行起降测试（载重250kg），采用全封闭式水陆两栖方式，为提高飞行稳定性，机翼两侧各置稳定性浮桶，该型无人机尚处于科研验证阶段。

图4 顺丰250kg级货运无人机

由图4可以看出，该型货运无人机采用水上起降方式，可大大降低对地面机场需求，尤其适用于我国南方多湖泊、多河流区域，同时，在群岛国家，具有更大的应用前景。另一方面，该型无人机为了适应陆上起降，设计成为水陆两栖方式，大大提高了实用性。

为进一步拓展货运无人机使用，顺丰集团与中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所和中国科学院工程热物理研究所合作，以P-750XSTOL轻型飞机为载体，改装成可自主飞行无人机，成为截至目前为止世界第一架大型货运无人机，该型无人机如图5所示。

图5 P-750改装后的无人机

该型无人机改装后，载重将达1吨以上，航程近2000公里，成为真正意义上的远距离重型货运无人机。在此基础上，顺丰集团也在努力发展一种3吨级别的支线货运无人机，其概念机如图6。

与顺丰集团类似，京东、亚马逊、谷歌等集团也在该方面进行积极布局。京东在货运无人机方面也做了积极尝试，并进行了多次无人机配送试验，距离实用化的程度还不够。京东的概念无人机将能够载重1吨，飞行50km，除无人机本身之外，京东已经成功研发无人机飞控中心，为真正实现落地运营提供必要技术基础。

图6 顺丰3吨级概念货运无人机

图7为京东某型货运无人机VT1方案。

图7 京东倾转旋翼货运无人机VT1

货运无人机VT1将具备200公里以上飞行距离、200公斤以上起飞重量的能力。将为京东在无人机货运方面提供重要技术支撑。

3 货运无人机分类

3.1 按总体布局

从上述货运无人机发展现状来看，结合飞行器布局技术，可将货运无人机分为：旋翼无人机、倾转旋翼无人机、固定翼无人机。

旋翼无人机对起降条件要求低，尤其是现在多旋翼无人机发展较为成熟的条件下，已经成为消费级无人机的主体形式，将成为货运无人机的首要形式。其次，与飞行器设计技术相类似，货运无人机为了综合旋翼和固定翼的优点，也在尝试倾转旋翼货运无人机的研究探索，这一点在京东、空客、亚马逊等公司均有体现。最后，货运无人机区别于侦察、打击无人机，对机动能力等要求较低，其设计具有典型的货运飞行器特点。

3.2 按航程

货运无人机与常规飞行器一样，也可以按照航程进行分类，结合物流特点，可以分为近程无人机、中程无人机、远程无人机（支线）。

近程无人机根据物流需求，可以定义为50公里以内用于货运投递的无人机，尤其适合于终端客户快点的投放；中程无人机50～200公里，可用于大型城市内部或两小城市间的物流运输；运程无人机甚至是支线级别的货运无人机，可实现200～2000公里的无人货运投放，用于中型城市或大型城市间物流运输。

3.3 按载重

按其物流需求的载重划分，可分为轻型无人机、中型无人机、重型无人机。

从当前物流无人机的使用情况和物流需求来看，轻型无人机为载重在30公斤以下的无人机，中型无人机范围在30～100公斤级别，重型无人机在100公斤以上级别。

3.4 各分类之间关系

尽管上述分类方式从不同角度进行了阐述，实际上三者之间有较为密切的关系，可以用图8来表示。

图8 各分类之间内在关系

如图8所示，一般的，近程的货运可采用多旋翼货运无人机，尤其是超近程，如小区范围内投递，该型无人机也是轻型货运无人机，一般在数公斤至二三十公斤不等，航程最远也是城市内或一个区域的农村范围投递。中程无人机一般采用小型固定翼无人机或处于研发阶段的倾转旋翼无人机实施，其载重量也会相应提高，在30～100公斤之间。远程或支线无人机可实现数百公里甚至是数千公里的运输，其载重量也会在数百公斤甚至达数吨，同时，为了提高燃油利用率和航程，一般采用固定翼布局形式。

4 货运无人机设计特点

通过前述研究，从技术角度出发，可以发现，货运无人机的技术发展路线可分为如下几种方式：1）旋翼；2）旋翼+固定翼，倾转旋翼+固定翼；3）固定翼。

4.1 旋翼

旋翼尤其是多旋翼，是当前无人机研究的热点，也是走向实用化最多的无人机形式，其载重量在25～30公斤以内，可根据实际应用情况设计载重，有四旋翼、六旋翼、八旋翼等。根据实际应用，航程较近，载重较小的多旋翼无人机在数公里甚至视距内，载重较大的可在几十公里的航程。从物流角度来讲，更适合于面向客户端的快递员使用，具有携带方便、投递方便的优点，但其缺点也较为明显，如航程小，载货量小，电池容量小等。多旋翼无人机技术成熟度较高，稳定性较好，飞行技术要求低。

4.2 旋翼+固定翼 或 倾转旋翼+固定翼

为解决中远程快速投递业务，借鉴于航空飞行器设计技术的发展，提出了旋翼+固定翼或倾转旋翼+固定翼的方式。该方式结合固定翼和旋翼的优点，可以实现垂直起降，巡航状态以固定翼提供动力，提高载重和航程。旋翼+固定翼方式，设计难度低，但在前飞过程中，其旋翼会带来飞行阻力，从而降低燃油利用率。倾转旋翼（也可采用倾转涵道风扇）+固定翼方式，可以有效结合旋翼和固定翼优点，但其设计难度较高，在旋翼倾转过程中会出现飞行不稳定性，对倾转旋翼结构设计和自动控制环节要求高，这也是该型无人机设计的难点。

该类无人机设计载重一般在15～35公斤，航程为20～80公里。其优点是起降要求较低，可实现较长距离货物运输。同时，在设计研究中，要求具备一定的飞行器设计、飞行控制技术、自动控制等技术基础和设计研究经验。

图9 旋翼（倾转涵道风扇）+固定翼

图9中左图为空客公司旋翼+固定翼货运无人机设计方案，右图为波音公司采用涵道风扇为动力的倾转旋翼方案。

4.3 固定翼

固定翼飞机具有航程远、载重大的优点，这也是远距离物流的主要需求，就当前情况来看，其载重需求在200公斤～1吨，可根据实际需求设计，航程在50～2000公里不等，可根据物流策略进行安排。固定翼无人机也有其缺点，受起降条件限制，对陆基需有通用机场或物流机场支撑，对水上起降无人机，需有安全水域进行起降。

固定翼无人机尤其是大展弦比货运无人机具有耗油率低、航程远的优势，可大幅降低物流成本，同时，其设计技术成熟，有大量丰富经验可借鉴，尤其是常规气动布局设计技术。

5 货运无人机研顶层究策略

5.1 新概念货运无人机研究

从飞行器设计角度讲，无论是多旋翼无人机还是固定翼无人机，或者是二者的结合：倾转旋翼（旋翼）+固定翼型无人机，在设计新一款无人机时，需要根据实际任务需求、设计需求，进行大量的前期总体设计、空气动力学分析、材料结构设计分析，及空气动力学试验、仿真分析，试飞试验等，设计周期较长，同时也存在技术风险大、研制周期长等缺点，技术投入和经费投资相对来说均较大。

因此，新概念货运无人机设计对物流公司来说，将需要较长的研制周期和资金投入，这对实用化来说为不利因素。

5.2 轻型飞机改装为货运无人机

对30kg以上载重货运无人机来说，尤其是100kg以上载重量无人机，目前的发展趋势是采用固定翼常规布局形式，同时，结合需求，对现有轻型飞机进行改装，通过在有人飞机增加无人飞控系统、数据链路等，升级成对应形式的货运无人机，成为目前主流物流也是货运巨头公司的选择。

以设计、飞行成熟的固定翼轻型无人机为载体，借助其原有稳定的设计概念，可提高项目技术成熟度、降低设计风险和投资风险，同时节约用于无人机前期概念设计研究的大量时间和资金投入。

一般的，可选择大展弦比轻型无人机作为改装对象，应考虑轻型飞机本身的运行情况，根据需求合理设计改装，以实现大型货运无人机的运行。

6 结论

以航空器在物流中的应用为出发点，通过对当前主要物流公司、网购平台货运无人机的研究和使用进行调研，详细分析了货运无人机的发展现状，从实际物流货运需求出发，研究了货运无人机的分类、优缺点、适用情况；以此为基础，提出了当前货运无人机技术发展路线和货运无人机的研究策略，对货运无人机研究顶层设计具有一定支撑作用。