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垂直起降物流无人机剑指电池续航瓶颈

2018年11月20日 星期二

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垂直起降物流无人机剑指电池续航瓶颈

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垂直起降物流无人机剑指电池续航瓶颈

中国青年报·中青在线记者 王达  来源:中国青年报  ( 2018年11月20日   09 版)

前不久举办的第十二届中国国际航空航天博览会,专门设置了无人机馆,超过40家企业携各种结构、大小、气动布局的无人机参展。在这些琳琅满目的产品中,一架高1.8米、翼展3米、竖直摆放的无人机吸引了众多参观者的目光。这架名为“苍鹭”的大家伙,是南方科技大学无人机团队研制的固定翼垂直起降物流无人机。

无论从外形还是参数来说,它都显得有些与众不同。流线型机身被略显夸张的十字形垂尾支撑着,像一枚等待发射的火箭,瘦长的机翼伸展开,左右各有一台螺旋桨。

“这样的设计是为了‘苍鹭’兼顾垂直起降、大载重和长航程的性能。”南方科技大学力学与航空航天工程系系主任单肖文教授告诉中国青年报·中青在线记者。

实际上,“苍鹭”的性能参数都来自市场的要求。单肖文去年曾带领团队成员到几家大型物流公司调研,对方提出了垂直起降、载重10公斤、航程达到100公里等需求,市场上能够同时满足这三项条件的无人机产品寥寥无几。

近几年,中国的物流行业和电商平台迅猛发展,无人机在物流业的应用得到了广泛关注。据新华社报道,2017年我国快递业务量突破400亿件,连续4年稳居世界第一。

与此同时,无人机物流市场也逐渐被打开。去年6月底,顺丰与江西省赣州市南康区联合申报的物流无人机示范运行区空域申请得到东部战区的正式批复。同年8月底,京东获得覆盖陕西省全境的无人机空域批文。

面对呈现井喷之势的无人机市场,物流企业对于无人机产品提出了更多要求。对于中小型无人机来说,垂直起降是一项入门级的要求,物流公司希望无人机不依赖跑道灵活起降。

经过调研,单肖文团队发现满足垂直起降要求的无人机大多是多旋翼结构,耗电量很大,续航时间普遍在20分钟左右。固定翼无人机的气动外形更适合长航时飞行,但需要跑道起降。

他们决定研发一种能够垂直起降的固定翼无人机,通过两台螺旋桨提供升力垂直起飞,之后通过垂尾的舵面控制姿态转成平飞,到达目的地后再转为垂直降落,这就是后来的“苍鹭”无人机。

不同于多旋翼无人机采用一套动力系统进行垂直起降、另一套动力系统用于平飞的做法,“苍鹭”无人机仅使用一套动力系统完成起降和飞行,结构简单,同时减轻了自重和阻力,“续航能力明显提升”。

攻克垂直起降问题后,随之而来的是增加载重量和航程的难关,其中电池续航能力是一个非常关键的因素。

“目前无人机行业的主要问题就是电池续航能力不行。”南方科技大学力学与航空航天工程系研究助理教授王浩介绍,电池已经成为制约无人机行业发展的一个瓶颈。

这位31岁的年轻人从本科到博士阶段一直钻研无人机技术。他表示,当前电池技术发展缓慢,同样重量下,电池的容量每年只能提升3%,短期内也看不到革命性的创新。在这样的现实下,团队想出了另一条思路——通过空气动力学优化增加航程。

到南方科技大学任职前,单肖文曾在中国商用飞机公司北京研究中心负责C929远程宽体客机的总体构型及气动布局技术预先研究,积累了丰富的经验。在他的带领下,团队很快拿出了“苍鹭”的总体布局方案。

单肖文认为,“苍鹭”外形的每一个部分都是为了减少阻力、增加航程而设计。长且窄的机翼,专业术语叫“展弦比比较大”,自主研发的翼形有效提升了气动效率。机身中部有一个标准的矩形货舱,盖上舱盖后没有任何外挂设备。仔细观察,它的螺旋桨也不像常见的固定翼无人机那样放在机翼前方。

“螺旋桨放在机翼后边,减少了气流通过机翼产生的阻力,可以进一步增加有效载重,这个专利已经批下来了。”他解释说,螺旋桨后置使气流只通过尾部的控制舵面,提高了控制效率,使得“苍鹭”的抗风性和稳定性也有较大提升。

目前,单肖文团队已经申请了两项专利,在总体布局和飞行控制逻辑方面确保了“苍鹭”无人机兼顾垂直起降、大载重、长航程的性能。

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