《预测促成大规模货运无人机的技术趋势与影响》报告

无人机用于物资补给的研究由来已久。虽然多种提供小型有效载荷的无人机配送系统已投入实际使用，但大规模货运无人机尚未被采纳。一系列挫折导致了这一现状，包括阻碍其应用的技术和操作挑战。本文从概念建模的角度评估了这些挑战，以预测一旦这些障碍被克服后无人机的适用性。该研究采用技术趋势建模和文献计量活动图谱方法论，来预测目前被识别为操作挑战的特定技术的适用性。特别针对货运无人机，本文模拟了电池技术和飞机控制技术改进的趋势，以预测其影响，并聚焦于着陆区自主性和动力系统。该预测也关注混合动力技术的现状以及着陆区操作所需的更高层级自动化水平。这些模型通过多个已发表的小型送货无人机案例研究进行了验证，随后被用于评估大型货运无人机的可行性与约束。本文提出了一个案例研究——对一款足以运输海运集装箱的大型货运无人机的概念设计，用以阐明将大型货运无人机从概念转变为操作现实所需的关键技术。大规模货运无人机所需的关键技术尚未积累起足够体量的研究活动，尤其是在着陆区自主性和动力系统方面。此外，超越技术和操作挑战之外的额外约束可能包括自主性限制、认证障碍、监管复杂性，以及对更高社会信任度和接受度的需求。

货运无人机的开发已超过六十年，涵盖小型和大型规模[1–5]。其商业逻辑是合理的：减少人工干预、及时交付、提高效率、提升安全性、实现供应链自动化、降低成本等[2]。一旦技术规模化，其影响将是深远的。首款无人直升机，吉罗丁QH-50直升机，于1960年首飞，展示了其在救援和备件运送方面的潜力。在2000年代中期，卡曼公司与洛克希德·马丁公司合作，开始研发其K-MAX直升机的无人版本。目标是创建一种可选有人驾驶或全自主的货物运输系统。该项目源于降低危险环境中人员风险以及更高效执行补给任务的需求。2008年的首次无人飞行演示了无人K-MAX的能力，成功展示了起飞、着陆和货物运送[6]。同年晚些时候，它展示了能够自动着陆并投放3,000公斤负载的能力。一对无人K-MAX直升机在2011年至2014年间被部署进行长期评估[7]。

2022年，一架搭载西科斯基公司可选有人驾驶系统进行改装的UH-60A“黑鹰”直升机，首次在无任何机组人员的情况下完成了飞行[8,9]。2025年，西科斯基公司宣布其已持续推进此项开发[10]以制造无人型UH-60L[11]。“黑鹰”可吊运10,000公斤有效载荷。K-MAX和“黑鹰”属于“中型起重”直升机，中型起重定义为1,000至10,000公斤有效载荷。在无人货运飞机的小型端，历史上也不乏商业成功的案例。2013年，一家跨国物流公司使用其“包裹无人机”运送药品[12]。随后短时间内，出现了一系列其他实例，例如谷歌Wing、亚马逊Prime Air和Zipline[13]，这三者均在2014年至2016年间开始了初步运营。小型包裹配送系统设计为最大起飞重量低于25公斤，以符合EASA和FAA的分类与法规，这导致其有效载荷通常低于10公斤。

这些小型包裹配送机队的成功基于多个技术领域的成熟，包括更强大、更轻的锂离子电池的发展，以及大约在2018年前后电池充电优化问题的解决[14,15]。此外，在2017年，小型包裹配送采用了自动飞行控制，包括改进的航空电子设备、电传飞控系统以及优化的飞行器路径规划[12,16–19]。关键机载机械包括由多个电机和旋翼构成的分布式电力推进系统，从而实现更稳定、更高效的垂直飞行[20–24]。这些无人机也由碳纤维和其他复合材料等轻质材料制成。

自这些突破以来的短短几年内，构成小型包裹配送无人机的主要商业技术，在创新和适应的速度与规模上已迈出了革命性的步伐。如今的包裹配送服务由四个关键技术子集构成：(1) 轻质机身；(2) 通过解决“电池-充电器问题”实现的轻量化高能量密度电池；(3) 通过解决“车辆路径问题”实现的多机协同无人机控制系统和无人机交通管理系统。为适用于大型货运无人机（此处定义为一次可运输500-1,000公斤物资的无人机），这些技术需要在规模和能力上进行升级。演进需要在五个关键技术子集上发生[25]：

(1) 与传统空中交通整合的自主飞行操作，包括探测规避和感知规避技术； (2) 自主着陆区操作（包括用于该角色的传感技术）； (3) 与大规模货运角色相适应的动力系统发展，包括混合动力装置； (4) 监管与认证； (5) 社会许可与接受。

后两个技术子集包括对未来自主武器系统的监管[26–28]、其伦理考量[29–33]以及守法国家的社会接受度。社会接受度对于自动飞行出租车和空中救护等角色将至关重要。

要预测大型货运无人机的应用，审视和评估关键挑战非常重要。本文认为，最关键的改进在于电池技术和飞行器控制，其主要限制性影响体现在着陆区自主性和动力系统上。具体而言，预测重点关注混合动力技术的现状以及着陆区操作（特别是全自主操作）所需的更高层级自动化水平。识别这些技术并预测其未来适用性，需要理解创新随时间推移的轨迹。小型包裹配送无人机的革命仍然具有启发性，特别是该领域内研究突破与公众使用之间的滞后现象。这些无人机技术通过文献综述与文献图谱、行业参与和活动分析来考察。讨论关键技术旨在分析每项技术如何演进，最终目的是定性讨论并更好地预测大型货运无人机的适用性。一款大型货运无人机“蜻蜓”的案例研究概念设计被用来例证关键技术挑战的影响。该案例研究阐述了对混合动力、超大型自适应涵道风扇发展，以及为更高功率的垂直起飞、向前飞行及其转换所需的自主控制等未来依赖。