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货运无人机能否打破航运僵局?

IEEE电气电子工程师学会 2020-09-22 16:39 次阅读

12月23日凌晨4点,一架MD-11货机刚刚降落在美国加州圣贝纳迪诺附近的物流基地,由于大雾,该货机着陆延迟;洛杉矶盆地的其他机场也被大雾笼罩,导致圣贝纳迪诺的许多飞机无法起飞。

为了避开亚马逊、沃尔玛等在线零售商争相发运圣诞礼物的货运高峰,地勤人员尽快卸下MD-11上的货物,将包裹装入快递卡车和小型飞机。与此同时,施工导致通往洛杉矶的10号州际高速公路发生拥堵,15号州际高速公路也因为大雾导致路况不太乐观。类似的混乱局面在全世界的拥堵点屡见不鲜,快递行业面临着诸多问题。 想象一下,MD-11在圣贝纳迪诺降落后,如果与其对接的若干架小型无人,每架都加满了足够支持一整天飞行的燃料,机上没有飞行员,也不受天气限制,情况又会如何。地勤人员将4个满载2 400公斤货物的LD-2集装箱拖进每架飞机的机头,关闭舱门,然后噗的一声,这些飞机起飞了,再大的雾也不会影响它们起飞。所有无人机起飞30分钟后即可抵达附近各个机场,比如加州的奥克斯纳德机场,之后会滑行到包裹所对应的快递公司坡道上。地勤人员随即将货物卸下、分拣,再将重新打包的包裹装上无人机,运往贝弗利山包裹分拣处。 在获准起飞之后,第一架飞机像直升机一样上升,随后前往仅有2名地勤工作人员的贝弗利山庄站点。这架外形奇特的飞机着陆时机翼可折叠起来,能够避开树枝或电线。如果此时有卡车驶进预定的着陆点,无人机会察觉到障碍物,然后上升到等待位置,待地勤人员清除该区域障碍后,再进行着陆、卸货、装载新货物,重新获准起飞。 它们如此这般地推动着供应链运转。大雾、冻雨等不良天气导致的装卸货工作瘫痪问题都会得到解决,即便临时着陆区的地面接应车辆出现故障都不再是困难。例如,一辆叉车无法驶过泥泞的田地来卸下集装箱时也没关系,地勤人员只需将无人机机头向上倾斜、放下挂钩,用起货机就可以直接拖出货物集装箱。奥克斯纳德和南加州的其他机场一天将能够进行超过15次这种分拣、装载和起飞流程,最后将4500公斤的有效载荷装载到飞往圣杯纳迪诺的飞机上。无人机只需在当天结束时加一次油。

这种以电力推进和自主飞行为基础的愿景并非科幻梦想,而是许多公司正在追求的现实项目。空客已经完成了Vahana项目的测试,这是一种电动垂直起降(VTOL)概念飞行器,专门用于城镇内部和城镇之间的低空载客飞行。还有谷歌一位经理人发明的飞行器Cora,同样也只用于短距离和低海拔运输。不过,这两种飞行器都不能运载太多货物,尤其是在恶劣气候下。 用这样的方法会比人工搬运货物容易得多。如果飞机上没有乘客,就不需要那些保障乘客安全的笨重设备。撤掉飞行员,也就省去了协助他们观测定位的仪器以及机舱的隔音设备,窗户、地板梁、舱壁的支撑设备等。在某些情况下,一架飞机使用载人相关设备会比不使用时重25%。 我的公司Sabrewing Aircraft位于加州卡马里洛,旨在利用并发挥上述优势。我们最初以不载人只载物的全新理念开启业务,因此机上不存在人员危险,竞争对手的有人驾驶飞机无法安全到达的地方,我们的飞行器都可以轻松往返。 我们的产品名为Rhaegal。如有需要,它可以像直升机一样从地面直接带起约2500公斤的货物;如果在短跑道上以标准方式起飞,它的直线飞行载重量可以高达4500公斤,承载量超过新款塞斯纳SkyCourier 408货机,而且Rhaegal飞得更高,速度也更快。此外,它还可以在不借助叉车、千斤顶或其他专用设备的情况下装卸货物。 无论地面是柏油路还是沙丘,Rhaegal都可以降落。只需把机头向上倾斜,它就可以迅速装载和固定集装箱或散装的货物。借助高浮力“坦途轮胎”和4个后置起落架,它可以降落在泥、雪、沙、沼泽或深水坑中。使用带滚轮的整体装载坡道,托盘或集装箱的装载就很简单了。 Rhaegal的最大总重量超过600公斤,在美国联邦航空管理局(FAA)第23部分的监管范围之内,该法规要求对其进行远程监控,并要求其一直与空中交通管制保持联系。操作员可以在数百英里甚至数千英里外通过卫星连接对其进行控制。这样一来,本地空中交通管制局的负责人通过飞机与操作员交谈时就像操作员坐在驾驶舱里一样。 起飞前,操作员会将空中交通管制局提供的精确飞行计划加载到计算机中,该计划包括各种天气条件下的起飞程序,还设定了飞行器到达最终目的地的频率、航线和许可。这样,即使与操作员或空中交通管制失去联系,飞行器也能顺利返航。

美国联邦航空管理局要求,传统飞机的飞行员必须观测并避让所有交叉飞行路径的空中交通航线。Rhaegal同样要遵循这一点。它必须在没有操作员输入指令的前提下自主完成这项工作。相关系统名为探测与避让(DAA)系统,该系统使用了多种传感器,包括佳明公司制造的防撞雷达、Iris Automation公司制造的基于摄像头的系统(可以识别空中交通冲突并发出避让指令)、Attollo工程公司制造的激光雷达激光测距系统(可以近距离探测电线和其他小型障碍物)。DAA系统还使用了广播式自动相关监视系统(ADS-B),这是一种由美国联邦航空管理局授权的卫星导航系统,几乎适用于在受控空域运行的所有规模的飞机。无论飞机采取何种路径,该系统都可以对其进行追踪,因此路线制定比老式地面雷达要灵活得多。

不过,并非所有的交通问题都发生在空中,有些是地面上的问题。例如,当以停车场作为着陆区时,随时可能有汽车或卡车四处移动甚至停留。Rhaegal可以使用人工智能着陆系统从上空识别障碍物,包括对车辆、人员、岩石和不平整表面的识别。这种着陆系统可以识别多种障碍物和空地,包括海上船舶的着陆垫。 传感器接口计算机从传感器获取数据,将飞机周围环境融合成单一图像,以此对附近的空中交通进行监控,并计算如何保持安全距离。如有情况发生,计算机就会发信息告知操作员潜在障碍物正在靠近,操作员随即做出决定并改变飞行路线。如果操作员不进行操作,计算机就会自行采取必要的步骤。无论飞机飞到哪里,计算机都能探测到前方的恶劣天气并将数据传送给操作员,操作员就可以在空中交通管制员的协同下变更航线。某些情况下,无人机还可以在暴风雨的上空飞行以避开暴风雨。 此外,Rhaegal采用了半自动化程序,这意味着它可以在与操作员和一般空中交通管制通信中断的情况下自行完成任务。它只需按照预先计划好的航线,在途中发现并避让交通冲突,然后降落在远处。 Rhaegal的机身采用全复合材料分段制造而成,维修人员只需少量手动工具就可以在现场快速便捷地对其进行维修甚至更换。这种模块化设计意味着,以往可能会持续数周乃至数月的飞机地面检查,如今数小时内即可完成。Rhaegal非常适合军事应用,它可以飞得很高、很快,足以避开地面火力,也可以飞得很低,从而避开雷达,能够为偏僻的部队输送重要补给。它甚至可以在人员受伤后的“最佳抢救时间”内将4名伤员和2名医护人员送往流动医院,大大增加伤者的生存机会。此外,Rhaegal还有一个专有系统,能够在推进系统受损的情况下安全着陆。它可以滑翔到安全着陆点;在悬停状态时,即使失去整个管道组的推力,它也可以着陆。

Rhaegal的动力来自涡轮轴发动机,它实际上是一种为转动旋翼专门设计的燃气涡轮机,而不是像喷气发动机那样产生推力。它驱动发电机为马达供电,使旋翼叶片像螺旋桨一样转动,而封闭式旋翼比开放式旋翼产生的推力更大,并且在着陆到灌木丛或树木附近时可以不伤及叶片和地面上的人。这种涡轮电动传动系统可以提高巡航飞行效率,并增强飞机起飞和着陆时的功率。效率的提高使得它的载荷量是SkyCourier 408货机的2倍,飞行航程是它的4倍,但是碳排量却比SkyCourier 408货机少70%。而且这种涡轮的设计使用的是生物燃料,因此更加环保。 第一架Rhaegal的机身已于2020年3月完工,我们预计会在本文英文版发表之际开始进行飞行测试。为了保障新型飞机的安全,自2017年以来,Sabrewing公司一直在与美国联邦航空管理局就该事宜进行讨论,近期将获得启动机型认证的许可。 认证并不是一件小事。即使是一架小型私人飞机的机型认证,花费也在5000万到1亿美元不等,而一架货运无人机的认证费用只是成本的一小部分。Rhaegal是首架申请认证的机型,领先于其他所有采用垂直起降的电力运货工具。 如果你在不久的某个时刻抬头看到一架Rhaegal从头顶飞过,那么不必惊讶。不久后的某个12月,它可能就会成为全世界偏远村庄和大型工业中心的孩子们的圣诞老人。

原文标题:货运无人机能否打破航运僵局?

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