低成本小型货运无人机设计特色及其启示

林一平

上海交通大学

小型货运无人机如何扬长避短，增加任务载荷，降低制造成本和使用费用，并且还能提升飞行性能，设计出有新意和特色不是件容易的事情，经过对环保无人机、纸质无人机、货箱无人机的实例分析，能给设计师诸多带来启示。

小型货运无人机具有用途广泛、穿透性强、机动灵活等特点，在军/民领域都可广泛运用。关于小型货运无人机的研究正如火如荼，不但要考虑如何扬长避短、增加任务载荷、降低制造成本和使用费用等方面，并且还要提升飞行性能，使得设计出有新意和特色的无人机并非易事。经过目前的环保无人机和低成本货箱无人机的实例分析，希望能给设计师诸多有益的启示。

“可吃”的环保无人机

面对激烈的市场竞争，无人机的设计需要不断创新，这不但需要依靠高新科技的持续注入，也需要大量的工程实践来支撑。甚至受到某些奇思妙想的启示，也往往还能收到事半功倍的效果。

英国一名工程师奈杰尔·吉福德（Nigel Gifford）为了设计一架用于向灾区或战乱地区投递人道救援物资的无人机，曾冥思苦想，后来受到滑翔衣的启发而开始投入设计制造。

通常，一名75kg重的成年人穿上滑翔衣，从高山跳下约可翱翔19.32km远。借助这个启发，吉福德设计了一款名为“弹射器”（Pouncer）的环保无人机。这是一种采用无尾飞翼布局的小型无人机，外形酷似滑翔衣，但却是刚体结构。为了能够使该无人机达到结构简单、性能可靠、实用、低成本、多用途、轻量化以及无污染的环保要求，吉福德尝试了一些新做法以解决其中的关键难题。

基本情况

“弹射器”无人机的尺寸很紧凑，外形呈三角形（图1），翼展长约3m、机身长1m，任务载荷重量为50kg。无人机整机结构比较简单，除机翼和机身的大部件外，没有水平尾翼、垂直尾翼和起落架，仅使用少量零件，并按照标准化要求设计，具有很好的互换性。机翼、机身全部为整体结构，不仅气动性能良好，而且结构重量轻，制造、装配亦很简单。

图1 “弹射器”无人机的外形。

该无人机在设计时就注重实用，设计中就尽可能去除了华而不实的部分。1架“弹射器”无人机可携带约50kg的食品，出动2～3架就可解决一个连队的吃饭问题。

由于“弹射器”无人机的机身尺寸较小，飞行速度较快且灵活机动，其优势在于自身不易被雷达和目视发现，低空和超低空飞行时也不易遭到敌方的防空火力打击。与使用运输机在距离地面目标5000m外空投降落伞包相比，递送物资器材的效果好很多，使用该无人机能够更安全地将急救物质输送到灾区或战区。

另外，“弹射器”无人机应用的技术比较成熟、系统简单，整体性能比较可靠，机载微型计算机和接收装置可遵循预先规划好的航线，飞抵目标地点完成任务。可以军民两用，在遇到灾情或疫情、地面交通受阻的情况下，可利用该无人机往灾区或疫地运送紧急医疗用品及疫苗等，使得其也受到一些国际救援组织和机构的关注。

由于无人机的整体结构简单、零部件少、配置基本系统，且工艺成熟、使用的环保材料来源丰富，使得其容易制造，成本较低。若仅一次性使用且不考虑回收，每架无人机价格预计为187美元。该无人机采用可食用、可降解的环保材料，机身由可生物降解的淀粉基热塑性塑料制成，再包裹蒙皮。机身内部放置有压缩饼干或其他真空密封包装的食品，以及饮用水和燃料，机体可能采用硬纸板或木质材料制成。在执行完投递任务后，食物可以拿来吃，机体则可以就地分解或降解掩埋。这样整架无人机基本得到了“消化”，不再需要专门进行回收及后处理。

（2）下部注入管，将喷嘴降低到设计深度，并确定喷射方向和摆动角，以确保凝结体的有效连接。应防止喷嘴堵塞，可采用低压给水、气、浆时放低管道的方法，或采用塑料布或胶布缠绕的临时防护措施。

解决关键问题

“弹射器”无人机选择的动力装置和起降方式是关键所在，该无人机有滑翔型和动力型两种，滑翔型在机身内不安装动力装置，动力型则安装有动力装置，可供选择的有压缩气体发动机、固体燃料发动机、电驱动和活塞发动机等多种类型。压缩气体发动机和固体燃料发动机均为喷气式动力，电驱动和活塞发动机均为螺旋桨间接推力式动力，而且电驱动比活塞发动机更清洁干净。

动力方面，若该无人机选择了喷气推进，内部由压缩气体或固体燃料提供动力，一次可飞行35～40km。倘若选择电驱动螺旋桨推进，小型电动机设置在机尾，让出前面的主货舱安装任务载荷，电池舱则作为压载，确保无人机的安定性和稳定性。

起飞方式方面，既可以选择由飞机将其带到3000m的高空投放，然后在下落过程中启动发动机飞行；也可以选择通过地面弹射装置直接将其弹射升空，或者选择弹/炮装置直接发射升空。

降落方式方面，该无人机可采取自行飞行着陆或滑翔着陆方式。前者适用于动力控制着陆方式，后者适用于无动力滑翔方式。

优劣比较

由于“弹射器”无人机没有安装起落架，依靠动力飞行自行着陆或滑翔着陆在最后都是机身触地，届时将产生硬摩擦，严重时有可能会发生危险。此外，由于无人机采用了可食用材料作为机身、机翼及蒙皮，在遇到大雨、雪、狂风等恶劣天气时的出勤无法保证，遇到长期潮湿等不良环境则可能使机体遭遇发霉或腐蚀，会降低机体的强度从而影响正常使用。

图2 在地面交通受阻的情况下，可利用无人机运送应急物资。

与此相对，该无人机的设计亮点是围绕简单、实用的宗旨，机体采用极其简单的气动布局和结构，可食用、可降解的环保材料制造，以及使用后可便捷处理的喷气动力装置等，达到了高可靠性与低成本的统一，环保与创新的融合。

大物流时代的纸质无人机

身处大物流时代，无人机已在交通运输业得到广泛应用。对于消耗量极大的快递配送行业，迫切需要低成本、便于量产的大批廉价无人机。那么，如何来制造廉价无人机呢？

经过设计师的一番努力，成功完成了纸质无人机（图3）。这是一种采用无尾飞翼布局的纸质无人机，属于无动力滑翔型。该无人机的布局以最少的部件达到了翼身融合的最佳气动要求，能获得较大的升阻比，并具备明显的减载效果。飞翼上安装有副翼，俯仰操纵与常规飞机类似，翼梢小翼兼有减小诱导阻力和控制航向稳定的功能。整机的货舱就位于机身中央，能够用于装货，每次可以装载10kg的物资，包括快递包裹、报刊杂志、药品和医疗用品。

图3 采取无尾飞翼布局的纸质无人机。

该无人机的工艺设计比较巧妙，采取平面五层工程瓦楞纸板整体激光切割落料，然后经弯折、叠拼、成型，组装完成。采用的五层工程瓦楞纸板是基于一种蘑菇菌丝体的环保材质，为层压蜂窝结构，可在几天内自我分解。

无人机上安装有GPS模块、操控装置和编程器。使用时由飞机携带升空，在空中达到指定高度后被投放，之后能够较快地稳定自身状态，并按照预设编程及输入目标地址操纵副翼徐徐滑翔降落，经过减速接地直至着陆。无人机还可以在滑翔末段通过有WiFi功能的智能手机进行操控。经测量，该无人机的着陆误差控制在15m左右。

据悉，受上述纸质无人机飞行成功的启发，由美国海军陆战队、美国国防预研局（DARPA）和物流滑翔机公司共同研发了LG-1K无人驾驶滑翔机，用胶合木板和铝材制作机体，可运载317kg的物资，依靠GPS定位和简易的飞控装置操纵滑翔，便能准确地飞抵目的地。

优劣比较

劣势方面，首先，目前这种纸质无人机无动力装置，机动性会受到极大限制。其次，纸质材料影响了无人机的结构强度，限制了这种无人机的大型化、重型化发展。再者，纸质材料易受潮霉变，易遭外力破坏，不易保存，破损后就难以再次投入使用。最后，这种纸质无人机尤其需要重视消防安全。

优势方面，这种纸质无人机具有低风险、低成本、低造价的优势，可以大规模装备使用，大幅应用于空运快递、医疗救助、人道救援、战场支援等领域。该无人机工艺简单，不仅可以手工制作，还能通过工业化在短期内批量生产。而且安全性和可靠性较高，最重要的是不需要花费太多精力进行维修，可以直接进行换新。另外使用也很灵活，不仅可以空投滑翔接地，还可以弹射降落伞回收。最后，这种纸质无人机的后处理也十分环保，工程瓦楞纸板既可再次移作他用，也可以回收后作无害化分解。

“会飞”的低成本货箱无人机

不久前，美国YEC公司在第20届英国国际防务与安全装备展(DSEI)上推出了其货箱无人机——“沉默之箭”GD-2000（Silent Arrow），该无人机可军民两用，既能用于战术投送任务，也可用于人道主义救援/救灾活动。

基本构型

GD-2000无人机翼展8.5m，最大起飞重量1000kg，任务载荷重量达740kg。为前-中-后三段式结构（图4），前段为钝头机首，里面装有机载设备，包括GPS定位、惯性导航和控制系统；中段为货箱，由中空的长方体组成，货箱尺寸为0.6m×0.6m×2.4m，中间可以放入待运货物，上面放有盖板；后段为机尾，由含垂直尾翼的四棱柱组成。平时呈收拢状态的机翼和水平尾翼分别位于中段货箱的上方。

图4 国际防务与安全装备展上展出的GD-2000 无人机。

该无人机能被运输机在距离地面457～7620m的高度释放，被空投后自行控制住整机重心位移并保持住平衡和稳定，然后再以较高的精度滑翔64000m后着陆，完成空运任务。经弹簧机构释放后，前后翼面会全部展开，届时无人机形成双平直翼布局。通常，GD-2000无人机可用于“点到点”紧急空运，可运送的物资包括补给食品、饮用水、医疗用品、油料、急需的零配件、维修器材等。

后续发展

据悉，YEC公司目前还有计划要研制GD-2000无人机的后续四款机型，包括可重复使用的滑翔型和电驱动型无人机。其中，最小的GD-800无人机任务载荷重量为500kg；还有一款ER-2000无人机具备从地面垂直起/降的功能，且该无人机与另外三款的区别在于使用了更坚固耐用的玻璃纤维材料，能多次回收使用。

图5 稳定滑翔即将着陆的GD-2000 无人机。

另一种后续货箱无人机为前后二段式结构（图6），前段为四棱柱机首，里面装有机载设备，包括GPS定位、惯性导航和控制系统。后段为货箱，由中空的长方体组成，货箱内可以放入待运货物，上面放有盖板。机翼和水平尾翼平时呈收拢状态，分别位于中段货箱的上方，以缩小其在运输机舱内的摆放空间或翼下吊挂空间，在空投后能自行展开，形成错落有致的上单翼布局。

图6 GD-2000后续的另一种货箱无人机。

现在有许多国家不仅对GD-2000这种低成本、有特色的货箱无人机感兴趣，而且还有购买意愿，英国的MEL公司还拥有独家生产经销权。截至目前，MEL公司已与欧盟28个成员国以及澳大利亚、新加坡、韩国、以色列、巴西和印度等34个国家签署了销售协议。

优劣比较

劣势方面，GD-2000无人机的气动外形不够理想，矩形截面阻力较大，有待改进和完善。而且其收藏式机翼和水平尾翼在展开后，左右两侧不在同一水平线上，存在明显的落差，不利于操控。另外还存在自主飞行能力不足的问题。

优势也同样明显，GD-2000无人机结构简单、可空地两用，集经济、高效、环保等特点，成就了“飞行集装箱”的美誉。实用性也很强，既可供机载吊挂，也可以在货舱装载，还可以车载运输，用途广泛且便利。其货箱无人机也形成了一个系列，任务载荷重量从500kg到740kg，既有滑翔型，也有电驱动型。这种“飞行集装箱”设计达到了高效与创新的统一，并且还在持续完善。

结语

创新设计的小型货运无人机没有去追求小而全、小而贵。但即便如此，这些设计不仅能比常规无人机增加更多的任务载荷，具有更好的经济性，而且拥有更高的性价比、更佳的环保性和更强的实用性。也让设计师拥有诸多的智慧空间，发挥出创造力。“能吃”的无人机、“会飞”的货箱无人机、纸质的无人机等，都很好地表现出小型无人机设计不入俗套的新意，展现出了与众不同的特色。