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刘强东的重型无人运输机真的能颠覆物流行业吗?

出品:科普中国

制作:缪子文化 荆博

监制:中国科学院计算机网络信息中心

在京东年度例行的618促销下单额再创1600亿新高之后,京东董事局主席刘强东宣布,今年618最让他高兴的,是京东第一架重型无人机正式下线!

刘强东在6.18发表关于京东无人机的微博截图

无人重型运输机是京东首创的技术吗?

当然不是。

在刘强东发布微博后,立即引爆网络舆论,大量留言表示怀疑和否定,可谓嘲讽戏谑之声此起彼伏。而在此之前,顺丰也成功研发过类似体量的无人运输机,并在今年5月拿到商业牌照。只是因曝光度较低,影响远比此次小得多。

实际上,顺丰的无人机物流布局开始很早,几乎与亚马逊的"Prime Air"和Alphabet的"Project Wing"同步开始。两家中国企业在无人固定翼飞机的研发上均取得不俗的的成绩,应该说这是中国企业在高端制造业上的高光时刻之一。

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虽然参与无人机研发的公司以物流公司和网络购物公司为主,但也有不少像Google这种科技或者IT企业参与其中。这是因为无人飞行器其实核心技术除了飞行器本身的技术,也是人工智能技术的一部分。

无人飞行器同无人汽车一样,都是在当下设备技术发展成熟后,依靠人工智能技术代替人类进行操作的技术理念。只不过无人飞行器由于设备本身的技术门槛就非常高,当下主流技术多针对多旋翼飞行器进行研发。这一方面是因为多旋翼飞行器研发制造技术简单;此外,多旋翼飞行器飞速慢,体量小,对社会公共安全威胁小,管制程度低,便于小公司或初创公司入手。

东哥的无人机梦想很快就能实现吗?

那么,京东是不是就没有发展大型无人航空设备的必要了?目前京东将自己的无人机研发目标设定为降低偏远地区的物流运输费用,那么不妨考虑运力更大,研发难度更低的大型无人飞艇。

在上世纪20、30年代红极一时的飞艇最终被民航击败,主要原因是虽然当时的飞艇在舒适性和运力上都能甩出客机好几条街,但限于技术条件只能充氢气,常因易燃易爆而造成极为严重的后果性。

而现今在技术能力允许的条件下,使用氦气硬质飞艇,可以极大降低危险系数。此外,飞艇节能高效运力大,飞行空域也可控制在3000米甚至更低从而降低整个空管体系的运营难度,这些都是巨大的发展潜力;再加上对起降场地要求远低于固定翼飞机,只此一项,就可以节约大笔机场建设费用和用地,也使得京东免受利用无人机项目跑马圈地的指责。

现代飞艇Zeppelin NT D-LZZF in 2010

去年8月31日,全国第一张覆盖全省空域的无人机空域批文由陕西省颁发,颁发对象就是京东。京东的无人机项目也已经获得了一定的成果,不管是否实现了经济性,但确实为中国企业在商用航空方面进行了有益的探索,这些都是值得称赞的。

然而,技术发展的客观规律是谁都不能逾越的。一架飞机从前期论证到方案设计再到工程研制最后定型试飞并投入生产,至少要生产概念机、全尺寸样机、原型机三个阶段的飞机才能够批量生产机,而这些研发阶段难免会出现波折和反复,所以京东的无人机运输梦想任重而道远。

无人运输机的发展前景如何?

抛开那些我们目前无法验证的飞机性能指数,不去考虑无人运输机是否有经济效益上的可行性,只讨论其技术的合理性,那么无人运输机将如何发展呢?

在空动布局上:

现阶段的多旋翼无人机可以说谈不上空气动力学布局,为什么这么说?

常规的固定翼飞行器,其自身的形状,尤其是机翼,都是为飞行器增加升力而设计的。而多数的旋翼飞行器,旋翼既提供升力,又提供动力,其布局主要是为了在飞行过程中减少阻力。

固定翼飞行器飞行动力原理

举一个简单的例子,纸飞机的吉尼斯世界纪录飞行时长可以达到接近30秒,而飞行距离可以超过60米,这是使用木质或者竹质材料制作的竹蜻蜓难以达到的。其根本原因就是因为旋翼飞行器如果需要前进后退,需要改变自身姿态,这使旋翼的动力一部分维持竖直方向的升力同重力平衡,一部分承担前进动力。

旋翼飞行器飞行动力原理

在研发无人运输机的时候,如果单纯考虑运输成本的问题,那么固定翼一定优于旋翼,大展弦比一定优于小展弦比,大型一定优于中型更优于小型。所以无论是京东还是顺丰在研发阶段的飞行器基本上都遵从了这样的标准,只不过顺丰选择了水陆两栖飞机。

虽然目前没有官宣和具体的声明解释,但感觉顺丰的路线是一个不错的想法,利用水面作为机场,无疑可以降低固定翼飞机的机场建设费用,而且可送达的区域一下子就覆盖了中国人口最为密集的东部沿海地区。而西部也有相当数量的高原湖泊,这些都是比较理想的起降场所,既提高东部地区的运输效率,又降低了西部高原地区(当然只是一部分有高原湖泊的地区然后进行周边辐射)的运输成本。

我国最近研制成功的大型水陆两栖飞机AG600

在体量上:

虽然是越大越好,但越大所需要的技术也就越高,尤其是在材料上,大型飞机在结构上也需要更高的强度,所以依旧需要按部就班地将起飞重量和载重慢慢提高上去。

在动力系统上:

现在的多旋翼无人机多采用电能作为动力,电动力系统固然有自己的优点,但由于需要配备相应的电池组,且能量密度有限,运力和运输成本无疑成为其短板。

对于小型飞行器或微型飞行器来说,电力是一个不错的动力选择,能够驱动小型飞行器的电力装置远比其他的动力装置更轻,而且还可以使用太阳能等方式增加续航。

不过,如前所述,电力驱动飞行器最关键的问题就是电力动力装载的功率和续航都达不到经济性要求,使用电力驱动,既飞不远,也载不重。

也就是说,如果想飞得远、运得多就一定需要燃料驱动。现在很多无人机公司也开始研发燃油动力无人机,很多动力引擎也是使用进口发动机或依此改装而来。由于其飞行驱动方式多是旋翼,所以经常使用活塞发动机。

然而,活塞发动机主要使用在汽车上,在现今主流的飞行器上已经非常少见了,取其代之的则是喷气式发动机。最初使用喷气式发动机的目的有两个,一个是飞得高,一个是飞得快。飞得快是因为涡喷发动机的拉瓦尔喷管可以突破音速;而飞得高则更加关键——随着高度上升,空气越发稀薄,在超过6000米后活塞发动机就不能保证提供足够的动力,而喷气式引擎则可以较大程度上克服这个问题。

飞得高的好处显而易见,对于军用飞机,升限会直接决定战场的高度,如果你达不到,根本不配跟我战斗。而随着飞行器进入万米高空后的平流层空间,在能见度、气流稳定性以及空气阻力等方面都较下层的对流层有明显优势,这能大幅度提高飞行安全系数,降低飞行成本。

适合做大型客机和运输机推进器的高涵道比涡扇发动机

在飞控和导航上:

在飞控上,要做的工作依然很多,首先是载人飞行变成无人飞行,需要非常深厚的技术积累才能将包括电子设备、航空仪表、导航系统等整个飞行控制系统集成到远端遥控。实现远程起降等操作,要比左手油门方向舵,右手升降和副翼的人工控制要困难得多,而我们最终的目标是将所有操作都简化到只需设置好起点和终点,就能完成整段飞行。

如果进行远距离飞行,还需要相当数量的地面站进行配合,这部分虽然可以使用国家相应的配套设施,但能否满足无人运输机的需求还需要探讨,前路依然漫漫。

现代飞机飞行控制系统的一部分——导流板,结构极为复杂

笔者相信,未来的某一天,人工智能会逐渐取代人类做大多数的工作:到那时,只要输入你的需求,无需进行其他的工作,人工智能便会依照轻重缓急,调配所需的货物,安排所有的运输流程。而无人运输机只是将这批货物从甲地运输到乙地中间的一个环节,全程无需操作,没有任何因为人类疏忽而导致的问题,运输高效而节能……但眼下,距离这个梦想,我们还有非常多的困难要攻克……

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