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[摘 要]随着在线消费市场的高度发展，城市货运需求越来越大。而结合城市道路交通的复杂性，货运无人机作为货运工具的重要性越来越受到人们关注。本文提出了一种新型垂直起降倾转动力固定翼货运无人机平台设计概念：该概念飞行器采用涵道风扇垂直起降结合固定翼模式完成飞行任务，满足城市起降低要求的特点和固定翼飞机高速、高效率的特点。并对货运无人机的运行、站点布置进行了规划。
[关键词]垂直起降，货运无人机平台，涵道风扇，倾转动力固定翼飞机
中图分类号：S655 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0160-01
1.绪论
随着技术的逐渐进步成熟，各种新型垂直起降飞行器概念设计层出不穷，遍及各个方面。大到城市飞行器，小到航拍器，都成为发展研究的热门话题。但上述垂直起降飞行器多以多旋翼构型为主，与直升飞机原理类似，虽能完成垂直起降，但水平飞行速度较慢，效率较低。相比之下，垂直起降结合固定翼构型作为一种用途广泛的技术，受到许多国家的重视。
随着对空中货运需求量的增加，快递企业纷纷开始研发快速便捷的空中货运平台。对于货运无人机来说，垂直起降固定翼飞行器具有速度快、运载能力强的优势，可以缩短送货周期的前提下增加货物运输量，进而增加效率。
综上，本文设计了一款新型垂直起降货运无人机平台。考虑到货运无人机主要是进行不同网点之间的配送，将货物送往人力配送较难、较慢的偏远地区，该平台采用涵道风扇垂直起降结合固定翼布局形式。同时为了满货运无人机快速拆装的需求，设计了快速拆卸货仓模块。相信该飞行器将会为未来无人机货运提供一种新的解决方案。
2.垂直起降固定翼货运无人机设计
本文设计的垂直起降货运无人机平台，机长8m，主翼翼展8.1m，机翼面积4.56m2，鸭翼翼展1.8m，涵道风扇直径1.8m。机体质量约400kg，货仓重量空载约200kg，最大起飞重量800kg，有效载荷150kg。最低飞行速度不得低于150km/h，巡航速度300km/h，满载最大航程900km。
作为货运无人机平台，需要通过提高升力来增大载货量。本研究中的设计利用涵道抽吸空气增加机翼表面流速从而达到增升效果的原理，将涵道设置于鸭翼与主翼之间，以增加水平飞行时流过主翼与鸭翼的空气流速，达到动力增升效果。空载状态重心所处点为两涵道圆心连线中点，飞机空载情况下也可实现垂直起降与独立飞行，装配货舱后利用货仓底部布置的涵道风扇进行垂起状态的调整配平，实现垂直起降。
为提高平台装卸货物的效率，本文中设计的垂直起降货运无人机采用可分离式货仓设计。可分离式货仓采用标准化设计，尺寸4m×6m×3m，底部布置升力风扇装置，由布置在货仓上的电机驱动，用于在垂直起降过程中提供升力。升力风扇进气道布置在货仓侧面，每侧两个。可分离装配效率高等特点，提高效率的同时也降低了成本。
3.垂直起降货运无人机整体操作规划
本设计中的垂直起降货运无人机采用倾转涵道螺旋桨作为动力系统和控制系统，具体操作规划分为四个阶段。
（1）装/卸阶段
快递员将各地收到快递后统一运送至转运点，进行货物分配，装入货舱，对接货舱后对货舱进行动力测试，飞行器准备完毕后适当增减配重调整重心后准备起飞。若暂时无空余飞行器运送货物，则将货舱装配完成后原地待命。
飞机到达目的地后开始进入卸载程序。飞行器由飞手操纵进入机库，断开电源并卸下机舱，将货物分发至快递员手中并进行配送。为无人机更换机舱重复装机阶段进行准备，更换下的机舱进行检查并重新装配货物随时待命。
（2）垂直起飞/降落阶段
起飞阶段时，机翼后的发动机下倾，位于货仓底部的发动机盖打开，机翼后发动机开始工作，飞机机身缓慢上升，随之机尾发动机开始运转，通过飞行员手动调节三个发动机的转速大小，来实现对飞机机身的调平抵消强风等外界影响因素，飞机平稳上升至指定航线高度。
同样的，降落阶段与垂起阶段过程相反。
（3）过渡阶段
飞机达到指定高度后，机尾发动机转速加快，机翼后发动机开始倾转，随着倾转角度的改变，逐渐改变机货仓底部发动机转速大小，保证机身处于悬停状态。当机翼后发动机完全处于水平状态时，关闭货舱底部发动机，关闭机身后部发动机盖，飞机进入航线，开始水平飞行。
（4）水平飞行阶段
飞机处于水平飞行阶段时，根据速度的需要调整发动机的转速，当飞机转弯时，调节左右两边发动机输出功率大小，使两边发动机出现动力差，从而实现飞机无需副翼及方向升降舵面辅助的平稳转向，使货物运送更加平稳，完成指定航线运输任务。
4.无人机货运系统规划
采用上述货运无人机进行货物运输可大大提高运输效率。但需要重新对其货运站布置、各站点无人机数量、工作过程进行规划。
（1）整体配置布局配置
每处转运点根据货运量大小自行配置机身及货仓，一般货运点配备30至50架无人机，40至60个货仓。每个固定航线最多同时运行12台无人机。每架无人机连续工作时间需根据季节及气候进行合理安排。每个城市可根据本地货运量大小安排3至5处转运点，以保证无人机的正常运营及调整。
（2）出发
甲地快递公司接到订单，由货车统一运送至转运点，装入空机货仓，将货仓接入机身，根据飞行航程选择适当的动力单元。由技术人员指定航线并输入指令，机身涵道风扇发动机倾转至垂直，货仓底部发动机启动，飞机起飞进入指定高度，完成动力倾转后，至飞机可平稳运行后进入指定航线开始飞行。
（3）运送
无人机由甲地起飞后进入航线，沿航线的转运点乙地接到消息并准备为无人机更换的电源或燃油，无人机到达乙地后，切断无人机电源，甲地飞行员停止对无人机的操控，卸下该地的货物交至各个快递员手中进行配送。无人机进行10至15分钟休息散热并更换电源或添加燃油后，若仍有货物，则由乙地飞行员操纵前往丙地。重复以上步骤。若货物已运送完毕，则由该转运点的技术人员操纵无人机按原航线返航。
5.结论
多旋翼无人机受限于运载量小、飞行效率低、起降条件受限等制约，无法满足当前快递行业货运量大、时间短的需求。因此，本文提出了一种新型垂直起降倾转动力固定翼货运无人机平台设计概念，该概念飞行器采用涵道风扇垂直起降结合固定翼模式完成飞行任务，满足城市起降低要求的特点和固定翼飞机高速、高效率的特点，同时采用可分离式机舱设计，大大提高了装/卸载效率。接下来，本文对货运无人机的运行、站點布置进行了规划，为未来无人机货运提供一种新的解决方案。
参考文献
[1] 彭江.全国首个！顺丰无人机总部基地落户双流自贸区[N].金融投资报，2017-07-14（002）.
[2] 于进勇，王超. 垂直起降无人机技术发展现状与展望[J]. 飞航导弹，2017，（05）：37-42.
[3] “猎鹰”涵道式油电混合垂直起降无人机 北京猎鹰无人机科技有限公司[J]. 传感器世界，2016，22（07）：46.
[4] 王冠林，武哲. 垂直起降技术及其在无人机上的应用[J]. 飞航导弹，2006，（06）：20-25.
作者简介
郑轩宇，2000年，男，民族：汉族，籍贯：陕西省西安市，学历：高中，研究方向：飞行器设计。
[关键词]垂直起降，货运无人机平台，涵道风扇，倾转动力固定翼飞机
中图分类号：S655 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0160-01
1.绪论
随着技术的逐渐进步成熟，各种新型垂直起降飞行器概念设计层出不穷，遍及各个方面。大到城市飞行器，小到航拍器，都成为发展研究的热门话题。但上述垂直起降飞行器多以多旋翼构型为主，与直升飞机原理类似，虽能完成垂直起降，但水平飞行速度较慢，效率较低。相比之下，垂直起降结合固定翼构型作为一种用途广泛的技术，受到许多国家的重视。
随着对空中货运需求量的增加，快递企业纷纷开始研发快速便捷的空中货运平台。对于货运无人机来说，垂直起降固定翼飞行器具有速度快、运载能力强的优势，可以缩短送货周期的前提下增加货物运输量，进而增加效率。
综上，本文设计了一款新型垂直起降货运无人机平台。考虑到货运无人机主要是进行不同网点之间的配送，将货物送往人力配送较难、较慢的偏远地区，该平台采用涵道风扇垂直起降结合固定翼布局形式。同时为了满货运无人机快速拆装的需求，设计了快速拆卸货仓模块。相信该飞行器将会为未来无人机货运提供一种新的解决方案。
2.垂直起降固定翼货运无人机设计
本文设计的垂直起降货运无人机平台，机长8m，主翼翼展8.1m，机翼面积4.56m2，鸭翼翼展1.8m，涵道风扇直径1.8m。机体质量约400kg，货仓重量空载约200kg，最大起飞重量800kg，有效载荷150kg。最低飞行速度不得低于150km/h，巡航速度300km/h，满载最大航程900km。
作为货运无人机平台，需要通过提高升力来增大载货量。本研究中的设计利用涵道抽吸空气增加机翼表面流速从而达到增升效果的原理，将涵道设置于鸭翼与主翼之间，以增加水平飞行时流过主翼与鸭翼的空气流速，达到动力增升效果。空载状态重心所处点为两涵道圆心连线中点，飞机空载情况下也可实现垂直起降与独立飞行，装配货舱后利用货仓底部布置的涵道风扇进行垂起状态的调整配平，实现垂直起降。
为提高平台装卸货物的效率，本文中设计的垂直起降货运无人机采用可分离式货仓设计。可分离式货仓采用标准化设计，尺寸4m×6m×3m，底部布置升力风扇装置，由布置在货仓上的电机驱动，用于在垂直起降过程中提供升力。升力风扇进气道布置在货仓侧面，每侧两个。可分离装配效率高等特点，提高效率的同时也降低了成本。
3.垂直起降货运无人机整体操作规划
本设计中的垂直起降货运无人机采用倾转涵道螺旋桨作为动力系统和控制系统，具体操作规划分为四个阶段。
（1）装/卸阶段
快递员将各地收到快递后统一运送至转运点，进行货物分配，装入货舱，对接货舱后对货舱进行动力测试，飞行器准备完毕后适当增减配重调整重心后准备起飞。若暂时无空余飞行器运送货物，则将货舱装配完成后原地待命。
飞机到达目的地后开始进入卸载程序。飞行器由飞手操纵进入机库，断开电源并卸下机舱，将货物分发至快递员手中并进行配送。为无人机更换机舱重复装机阶段进行准备，更换下的机舱进行检查并重新装配货物随时待命。
（2）垂直起飞/降落阶段
起飞阶段时，机翼后的发动机下倾，位于货仓底部的发动机盖打开，机翼后发动机开始工作，飞机机身缓慢上升，随之机尾发动机开始运转，通过飞行员手动调节三个发动机的转速大小，来实现对飞机机身的调平抵消强风等外界影响因素，飞机平稳上升至指定航线高度。
同样的，降落阶段与垂起阶段过程相反。
（3）过渡阶段
飞机达到指定高度后，机尾发动机转速加快，机翼后发动机开始倾转，随着倾转角度的改变，逐渐改变机货仓底部发动机转速大小，保证机身处于悬停状态。当机翼后发动机完全处于水平状态时，关闭货舱底部发动机，关闭机身后部发动机盖，飞机进入航线，开始水平飞行。
（4）水平飞行阶段
飞机处于水平飞行阶段时，根据速度的需要调整发动机的转速，当飞机转弯时，调节左右两边发动机输出功率大小，使两边发动机出现动力差，从而实现飞机无需副翼及方向升降舵面辅助的平稳转向，使货物运送更加平稳，完成指定航线运输任务。
4.无人机货运系统规划
采用上述货运无人机进行货物运输可大大提高运输效率。但需要重新对其货运站布置、各站点无人机数量、工作过程进行规划。
（1）整体配置布局配置
每处转运点根据货运量大小自行配置机身及货仓，一般货运点配备30至50架无人机，40至60个货仓。每个固定航线最多同时运行12台无人机。每架无人机连续工作时间需根据季节及气候进行合理安排。每个城市可根据本地货运量大小安排3至5处转运点，以保证无人机的正常运营及调整。
（2）出发
甲地快递公司接到订单，由货车统一运送至转运点，装入空机货仓，将货仓接入机身，根据飞行航程选择适当的动力单元。由技术人员指定航线并输入指令，机身涵道风扇发动机倾转至垂直，货仓底部发动机启动，飞机起飞进入指定高度，完成动力倾转后，至飞机可平稳运行后进入指定航线开始飞行。
（3）运送
无人机由甲地起飞后进入航线，沿航线的转运点乙地接到消息并准备为无人机更换的电源或燃油，无人机到达乙地后，切断无人机电源，甲地飞行员停止对无人机的操控，卸下该地的货物交至各个快递员手中进行配送。无人机进行10至15分钟休息散热并更换电源或添加燃油后，若仍有货物，则由乙地飞行员操纵前往丙地。重复以上步骤。若货物已运送完毕，则由该转运点的技术人员操纵无人机按原航线返航。
5.结论
多旋翼无人机受限于运载量小、飞行效率低、起降条件受限等制约，无法满足当前快递行业货运量大、时间短的需求。因此，本文提出了一种新型垂直起降倾转动力固定翼货运无人机平台设计概念，该概念飞行器采用涵道风扇垂直起降结合固定翼模式完成飞行任务，满足城市起降低要求的特点和固定翼飞机高速、高效率的特点，同时采用可分离式机舱设计，大大提高了装/卸载效率。接下来，本文对货运无人机的运行、站點布置进行了规划，为未来无人机货运提供一种新的解决方案。
参考文献
[1] 彭江.全国首个！顺丰无人机总部基地落户双流自贸区[N].金融投资报，2017-07-14（002）.
[2] 于进勇，王超. 垂直起降无人机技术发展现状与展望[J]. 飞航导弹，2017，（05）：37-42.
[3] “猎鹰”涵道式油电混合垂直起降无人机 北京猎鹰无人机科技有限公司[J]. 传感器世界，2016，22（07）：46.
[4] 王冠林，武哲. 垂直起降技术及其在无人机上的应用[J]. 飞航导弹，2006，（06）：20-25.
作者简介
郑轩宇，2000年，男，民族：汉族，籍贯：陕西省西安市，学历：高中，研究方向：飞行器设计。