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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。
“另外，我们还采用了拓扑优化技术配合3D打印技术实现结构减重，这样也能增加航程。”王浩向中国青年报·中青在线记者展示了机翼的横截面，里面大部分是中空的，仅在一些地方有类似骨架的结构用来增加强度，在验证阶段整个机身采用全3D打印，将来批量生产时也可以应用拓扑优化技术。
在30%缩比验证机飞行测试中，单肖文团队获得了一系列数据：在相同电池容量下，“苍鹭”无人机的飞行时间为50分钟，是传统多旋翼无人机的2.5倍；航程60公里，是传统多旋翼无人机的6倍。
今年9月8日，“苍鹭”1∶1原型机首飞，载重量和航程均达到了物流厂商的要求。一家物流企业曾多次到实验室参观，对无人机的性能和制作工艺感到“特别惊讶，评价很高”。
除了单肖文和王浩，无人机团队里还有几名研究生和本科生，平均年龄只有27岁。在研发过程中，这个6人团队曾经历痛苦的煎熬。“我们大概摔了二三十架无人机，实验室有一堆（摔坏的），我们都保留着。”王浩笑着说。
有时，无人机摔了找不到问题，第二次飞同样的问题再次出现，“特别纠结”。这时，团队成员会聚到一起讨论、查资料，频率非常高。
有一次自主飞行测试，不管怎么测，无人机都不按照预定轨迹飞行。最后只剩一块电池了，大家失去了耐心，王浩坚持再测一次，结果成功了。“后来我们发现有一个导航方向的设置问题搞反了。”王浩感慨，“当你做到最后，觉得没戏的时候，如果再继续往前面走一点，可能它就出来了。”
每次试飞成功虽然很激动，但他不会特意去庆祝，因为“过了这个点后还有很多点要走”。下一步，他们计划对“苍鹭”1∶1原型机进行密集测试，一年内将产品投入市场。
经过前期调研，他们发现市场上还没有符合垂直起降、10公斤载重量和100公里航程的成熟无人机产品，已有的无人机要么载重量偏小，要么航程较短，应用场景相对狭窄。一些企业有意开发类似的无人机产品，目前也处于研发试验阶段。
在这次航展上，有许多企业前来询问无人机的参数，提出自己的需求。有一家企业表示出较强的合作意向，邀请他们带着方案和产品到厂区进行展示。
“这是我们之前没有想到的。”王浩告诉记者，团队的精力主要集中在原型机的测试和定型。
“目前我们的无人机主要用于物流运输，未来还可以用于巡线、勘探、海洋救生等领域。”单肖文说，“我们的定位是做一个稳定、高效的飞行平台，为未来的应用打下基础。”
中国青年报·中青在线记者 王达
