Project Wing vs Prime Air，无人空域谁主沉浮？

编者注：本文作者杜昊，作者简介：Former Design Team Leader from DJI，6 years engaged in Unmanned System R&D. 他的邮箱是massiach[at]163，大家可以和他邮件交流。另外，本文乃真·技术贴，非无人机爱好者慎入。

自Project Wing（以下简称Wing）面世之后，Google成为继Amazon、DHL、SF等众多物流商后又一个公布无人机开发计划的公司，与其他公司采用的多旋翼不同的是，Google的Wing采用了固定翼与多旋翼的复合式设计方案，其与传统的多旋翼相比具有明显的航程和效率优势，在其他条件相同的情况下，Wing有望实现两倍于传统方案的运送距离，而时间减少50%。

因此，本文将从技术角度将Wing与Amazon 的Prime Air（以下简称Prime）进行对比，来说明Wing在物流运输方面的优势。

本质上讲，物流过程包含了5个变量

质量：被运对象重量

空间：完成被运对象的空间位置转换

时间：需要的时间

能量：需要的能量输入

信息：需要的信息输入

其中前三个为输出变量，或称目标变量；后两个为输入变量，或称成本变量。对于目标变量，我们希望单位成本条件下，载重更大，距离更远，位置更精确，时间更短，这是对两种方案的共同要求；对于成本变量，信息输入主要与投送精度相关，需要由导航控制系统与其它传感器实现，属于通用技术，并非两种设计方案的主要区别；能量输入取决于前三个变量和无人机能量效率的综合，重量越大，空间距离越长，时间越短，需要的必要能量就越大，无人机平台需要在实现必要目标变量的同时，尽量提高能量使用效率。

对于无人机而言，质量、空间、时间三个目标变量分别对应有效载荷、任务半径（往返航程）、航速三个设计指标，对此可以通过能量转化过程进行分析，如下图所示：

而对用于物流的无人机而言，实现能量转化的部分是其机体与动力系统，其决定了系统对能量的利用效率。单件物流任务属于点对点飞行任务，如图所示，其航程可大致分为起降段与巡航段，通常巡航段会占全航程80-90%的比例，因此提高巡航段的效率成为方案设计的重点。若要提高整机的能量效率，现有技术条件下电池的能量密度已接近理论极限，因此改善空气动力特性与动力系统特性成为性价比最高的解决方案，这也是Wing和Prime的最大区别所在。

Wing采用固定翼与多旋翼复合设计方案，在起降段采用四旋翼方式，在巡航段采用固定翼方式，固定翼的特点是高速巡航效率高，而且Wing采用的飞翼布局较常规固定翼更高效，但无法垂直起降和悬停；而多旋翼的特点是可以垂直起降，但能量效率还不如常规直升机，且水平速度越高效率越低，巡航效率通常仅有固定翼的50%乃至更低。

对于巡航段占全航程80-90%的任务而言，Wing的复合设计方案具有显著的能量效率优势。由于Wing的设计初衷是运送心脏除颤器，因此速度和航程是关键指标，而采用复合设计方案是更为合理的。相对而言，Prime若要执行与Wing相同的高速任务，需要增加至少30-50%的起飞重量与电池容量。

Wing在固定翼方式下还具有一个优点，就是利用固定翼的气动稳定性提高安全系数，若四个旋翼中的一个或两个发生故障，还可以进行滑翔降落，而多旋翼若出现动力故障，在升力裕量不足时只能自旋迫降。这一点为Wing的安全性加分不少，当然，这建立在稳定的控制系统基础之上。

对于项目的经济性而言，实际Wing与Prime的硬件成本相差不大，Wing还可能略胜一筹，但由于复合方案的系统更加新颖与复杂，相对已经成熟的常规方案将增加不少研发时间与成本，其测试与验证也将花费更多资源。

综上所述，相对Prime等常规多旋翼机，Wing以其高能效在任务半径和航速上将具有明显优势，但由于新技术的研发需要更多资源，现阶段的经济性与研发速度将稍有落后，这是很多技术革新的必经之路。下图为Wing与Prime的性能对比预测，并非真实数据，仅供参考。

新技术并非一蹴而就，对于复合式无人机而言，需要解决的技术问题较常规无人机更多，举例如下：

1.飞行控制：为实现飞行模式的转换，需要对转换过程建立可变结构控制模型，由于外界扰动的不确定性和系统参数化的困难，加上载荷的重量分布不同造成的系统重心变化，以上因素都为控制系统提出了新的课题，研发高稳定性的飞控，需要对飞行力学和控制模型具有较高的认识水平。

2.空气动力学：无人机在巡航过程和起降过程中，其气流与机体的作用方式不同，为保证两种飞行模式下都可以稳定高效地工作，需要对空气动力学参数进行协调，例如加大机翼展弦比（对于简单机翼可认为是长宽比）可以增加固定翼模式下的飞行效率，却增加了多旋翼模式下飞机对阵风的敏感性，因此需要对两种工作模式进行联合设计，获得优化设计方案。

3.能源与动力：在多旋翼模式下，一般对垂直推重比（这里指垂直推力和机体全重的比值）要求在至少1.5以上，而固定翼水平飞行时要求水平推重比（这里指水平推力和机体全重的比值）在0.3-0.8之间即可，且同一组旋翼很难在低速与高速同时满足高效率，因此需要对任务过程进行整体统筹，对动力在不同工作模式下进行加权分配设计，实现优化方案。

4.结构与材料：在多旋翼模式下，机翼属于无效重量，造成该状态下能量效率降低，若要进一步提高飞行效率，需要采用轻质高强的材料制作机翼及其他结构部件。

复合式无人机发展至今已有10多年的历史，能否在历史舞台粉墨登场，还有待于工程师的不懈努力与市场的残酷考验。面对成熟技术与革新技术一快一远的两条路，有的人选择了别人未选择的那一条，充满荆棘，却通往希望闪烁的彼岸。

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