京東無人機首席科學家:已解決無人機長航時問題
無人機開啟空中物流新時代
—— 訪飛行器系統工程與集成專家、京東無人機首席科學家李小光教授
作者簡介
李小光,南京航空航天大學教授、博導,飛行器系統工程與集成研究中心主任。曾任北京理工大學飛行器工程系講師、副教授。歷任美國通用電氣公司飛機引擎公司、美國波音公司、美國諾斯羅普·格魯門公司(Northrop-GrummanCorp.)等公司的高級/資深工程師、總工程師、項目團隊經理等職,參與和主持過波音737-800客機及P-8A反潛機、波音747-8客貨機、波音787-9客機、美國第五代隱形戰機F-35等國際領先航空產品項目的設計研發工作。2013年入選國家“千人計劃”特聘專家,在中國商飛作為高級特聘專家從事C919國家大型商用飛機的研發工作。2015年12月被聘為南航航空宇航學院國家“千人計劃”專家特聘教授,并創辦了“飛行器系統工程與集成研究中心”。2018年7月起任京東無人機首席科學家,負責京東物流無人機發展規劃與研發設計,并帶領京東無人機研發團隊推動京東空地一體智能物流體系建設。
航空制造網:今年 7 月下旬,您開始擔任京東無人機首席科學家,你們的關注點是什么?目前采用無人機配送價格昂貴,數倍于人工成本,您怎么看待成本問題?
李小光:京東致力于打造無人機智慧三級物流體系(干線、支線、末端),像偏遠山區、鄉鎮、農村道路不是特別發達,無人機的使用彌補了人工的不足,打通物流的最后一公里。
任何一個科技產品剛面世時,都會存在成本比較昂貴的問題,電腦的發展就是最好的例子,隨著產品的普及,成本隨之降低。目前的無人機更多的還是單件或少量生產,沒有規模化、批量化,成本肯定很高,但這是暫時的,從大規模和常態化的運營來看,成本會逐步降低。從德國評估的數據來看,針對日常80%的包裹都是不會超過1kg的小物件,使用無人機的成本為3~4美分/千米,旋翼類100kg以下無人機成本也是能和人工成本相抗衡的,甚至會更低。未來無人機批量化生產,規模化、常態化的運營,人力成本的增加,無人機的成本會更有競爭力。我們目前并不是特別關注成本,而是產品的應用,實現產品送達性和時效性。時間對物流是非常重要的,無人機能快速實現,對我們來講,成本略高是能包容的,但是目前增加的成本我們是沒有轉嫁到客戶身上的。
航空制造網:為什么說無人機物流體系的建立是市場迫切需要的必然?未來的產業布局和研究重點是什么?
李小光:航空產品向智能化、無人化發展是大勢所趨,一是技術的發展;二是社會需求,老齡化導致人員成本增加,且新技術可以有效的規避人為錯誤,在這種情況下,做不做是不能改變這種趨勢的,我們必須抓住這個趨勢。從市場來看,美軍在未來戰爭中實現1小時全球快速打擊,而我們的目標是短的4~6小時,最長不超過24小時實現送達。我們目前擁有13萬的快遞人員來支撐,在城市交通比較便利,使用無人機可能會有不便,優勢不能突出,但是在鄉鎮、村莊、山區、邊防等末端交通不發達,人工配送效率低、成本高,物流市場需求比較迫切,無人機可以很好的解決這一問題。
從軍民需求來看,市場都是非常巨大的。我國的邊防線很長,我們與很多邊防哨所簽訂了合作協議,為他們提供補給,解決生活必須問題;還有很多類似懸崖村的偏遠山區,單靠快遞員,一天估計只能送一件,采用無人機只需要十幾分鐘就能送達;在提供急救物品方面,也發揮著巨大作用。
我們打造的三級無人機智慧物流體系,第一層級是干線無人機,我們要擁有20~60噸有效載荷,起飛重量超過100噸的干線無人機,其制造并不比C919、運-20等大飛機容易,運-20最大載荷66噸,最大起飛重量220噸,是軍用運輸機,隨著軍民融合的不斷推進,軍轉民、有人改無人也是努力的方向。第二層級是支線無人機,有效載荷1~20噸。第三層級是末端,主要是旋翼無人機,制造技術相對比較簡單,使用方便、快捷、靈活,因為大型固定翼無人機都需要機場、跑道、后勤保障等,旋翼無人機能夠垂直起降、自由懸停、控制靈活,尤其適用于偏遠地區的物流保障。
我目前負責京東無人機的規劃、產品定位、組織架構調整、項目管理、產品推入市場的規模化運營、批量化生產等。根據飛機的類別對無人機研發中心進行了調整,北京無人機研發中心主要負責旋翼類無人機研發,包括多旋翼無人機、單旋翼帶尾槳式直升機、共軸雙旋翼直升機,有效載荷從20kg到噸級;陜西西安無人機研發中心負責大載荷(上噸級)固定翼無人機研發,有使用機場和后勤保障的價值,降低成本。
我們已經在陜西獲得了覆蓋全省空域無人機物流許可,另外青海、廣東、福建、江蘇等地的申請也得到許可,擁有30~100kg載荷的旋翼無人機的先進產品和核心技術,在打通最后一公里上積極布局,保證常態化的運營。618我們的第一架重型無人機“京鴻”下線,目前在準備地面的各種試驗,滿足適航的要求,年底之前會進行首飛。固定翼無人機由于國內的通航機場沒有完全開放,配套設施建立不完善等原因適用范圍還是受限的。從整個產品布局來看,我們擁有30kg、100kg長航時旋翼無人機,同時在聯合開發200~300kg有效載荷無人機,固定翼無人機“京鴻”將首飛,1~5噸無人機在方案論證中,20~60噸無人機在尋找戰略合作伙伴。
有人擔心無人機的大規模應用導致快遞人員面臨著失業的風險?這是機械化發展所有企業面臨的道德問題,為此,我們對部分快遞人員進行了培訓,轉化角色,據我所知,目前至少1000名人員變成無人機飛控師,操縱無人機進行物流運輸。未來會對更多的快遞人員進行培訓,為此我們專門建立了飛行服務中心,用于培訓飛控師,實現職業的轉型。
航空制造網:應用于不同領域的無人機研發重點不同,請簡單為我們介紹一下無人機中涉及的關鍵技術?
李小光:無人機并不是新生事物,美國“全球鷹”、“捕食者”等在偵查、打擊方面充分發揮其優勢,得到廣泛的應用,國內無人機也得到充分的應用和發展,“彩虹”、“翼龍”甚至出口到其他國家,但是民用領域,尤其是物流行業,是近幾年開始嘗試和發展的。未來科技產品的發展就是無人化、智能化,人工智能的發展將賦予無人機自主識別、自主編隊、深度學習、自主判斷等功能。
飛控系統是其中的核心,前期我們也購買飛控系統,但是缺陷反饋以后不能得到及時的調整,導致我們工作效率低,因此我們研發了一套具有自主知識產權的天馬飛控系統,在物流無人機中,我們的飛控系統走在前沿。針對航線規劃、導航、遠航程、同一航線多架次無人機實現自動識別和編隊等都有相應的技術儲備。我們已經完成了16萬千米飛行距離的配送任務,獲得大量的測試數據,充分發揮無人機的時效性,真正應用于生活中。
我們現在解決了無人機長航時問題,坦白說,這個也不是秘密,單靠電池是解決不了續航的問題。任何航空產品在氣動外形、總體布局上、產品系統集成都要達到最優化,遵循最佳實踐,將最好的技術應用到產品中去。
航空制造網:我們知道,在擔任京東無人機首席科學家之前,您是南航的特聘教授,請簡要介紹一下目前的研究重點以及飛行汽車的研究現狀。
李小光:目前在南航還有16個研究生,包括兩個法國留學生,我們團隊兩年半時間申請了33個專利,其中包括15個國家發明專利、17個實用新型專利、還有1個外觀專利;負責民機電傳飛控系統的適航驗證以及C929起落架試驗驗證項目,完成工業級無人機樣機制造和試飛,針對飛行汽車作了很多設計和驗證工作,采用3D打印完成了產品模型。基本都是圍繞著大飛機、無人機來展開的。加盟京東,我比較看重的是京東的應用實踐和真實的剛性需求,作為高校老師,會做一些前瞻性的研究,有技術和產品概念,如果能將其轉化為科技成果,在市場中得到應用,滿足社會需求,作為研究人員是非常自豪的,將研究與市場緊密結合,研究才有價值和意義。
飛行汽車是未來地面汽車與通用航空小飛機結合的創新產品,開啟新的出行方式。吉利收購了美國Terrafugia公司研發飛行汽車,京東目前的產品布局有無人車和無人機,車和機結合解決物流地空一體化是必然需求,所以飛行汽車這個項目不會中斷,會持續往前推動。
20世紀60年代,波音就開始研究飛行汽車,現在西雅圖波音博物館中還珍藏著紅色的汽車改型的飛行汽車,它的設計原理比較簡單,在汽車上增加了固定機翼使其能夠飛行。最近幾年,飛行汽車無論是美國、歐洲還是中國,研究都比較火熱。吉利飛行汽車將在2019年上市,從發布的產品來看,Transition是對固定翼和折疊翼進行改造,加上汽車的輪子;荷蘭公司PAL-V推出了其最終量產版飛行汽車,并開始在其公司網站上接受預訂,也將在2019年上市,這款外觀類似三輪車加上大旋翼。這兩家公司在2019年都會量產飛行汽車,改變出行方式不是所謂的夢想。
從我的技術設計來看,還是比較先進的,只有這樣的設計才能滿足道路3m左右的限制,同時對前后左右的人或物體不會產生干擾。若采用大旋翼,對周圍產生的影響較大;若采用固定翼,尤其是在道路很擁擠的情況下,折疊翼無法展開,跑道也不能達到起飛要求,實用性方面會差很多。荷蘭推出的飛行汽車在應用上有一定的局限性,價格約為400萬人民幣,但可能會贏得一部分小眾市場,比如收藏、航空愛好者等。我在最初設計階段就考慮了應用場景、地面和空中的各項法規,滿足實用性的需求,才是真正意義的創新產品。
我的研究生都在圍繞著工業無人機和飛行汽車展開,工業無人機和飛行汽車都是重載荷的飛行器,工業級無人機的升力系統、傳動系統、動力系統完全可以引入到飛行汽車中。飛行汽車只是把地面行駛和空中的升力系統結合到一起,如果升力系統通過工業級無人機驗證成功,那么與汽車底盤和行駛部分相結合就很容易實現了。基于此,如果工業級無人機能做得很成功,其中60%~70%的技術可以在飛行汽車中實現。這兩個產品并不矛盾,是連貫的研究過程。
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我設計的這款飛行汽車具有雙旋翼,基于F-35的雙涵道技術,實現Freeman的研制成功,至少要3年,因為其中涉及的技術比把固定翼小飛機改造成飛行汽車的原理是完全不同的,需要時間來驗證和測試,從原理驗證到產品設計都在推進中。樣機對資金需求不是特別大,但是從產業化、成本控制、市場化、滿足客戶的需求、技術成熟度等方面來考慮,投入會比較大,周期也相對較長。吉利的第二代飛行汽車是基于美軍的傾轉旋翼技術,相當于是軍用轉為民用,產品推出預計也需要3~5年時間。
來源:《航空制造技術》雜志 記者:李丹丹
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