垂直起降固定翼无人机已经成为商用无人机的新方向,不过多还是油动,或者油电混动,涉及到发动机,维护成本居高不下,往往还不够环保,并且存在爆炸等隐患。Google Project Wing曝光时,纯电动的垂直起降固定翼无人机备受瞩目,使用纯电池供电,意味着不再需要发动机,采购成本低、使用维护门槛低,生命周期长,商业价值大幅提升。但这个从2012年开始进行的项目,直到目前还没有完成开发,商用很可能要等到2017年下半年以后。

国内初创公司傲势科技成立于2015年,从事无人系统的研发、设计、生产,2016年成功研制出了可以商业化的全电尾座式垂直起降固定翼飞行器,并逐步交付使用。

固定翼飞行形态是目前人类掌握最高效的飞行方式,所有动力用来克服阻力,而没有直接作为升力为飞行器提供升力源,我们常见的民用飞机就是其中一种,但往往需要需要滑动起飞或者弹射起飞,机建费用高。诸如多旋翼之类垂直起降无人机,更加灵活便捷,但飞行效率、航时都相对有限。

垂直起降固定翼飞行器,结合了两者的优势,就成了一种更高效的解决方案,包括美军、以色列军方都加大了这部分的研究。仅美国国防高级研究计划局(DARPA)近几年发起的无人机项目中,涉及垂直起降固定翼的项目就占去了一多半,其中包括了受到持续关注的TERN项目。2014年国内推出的VD200就属于这一类。除了尾座式这类的设计方案,更常规的垂直起降固定翼飞行器设计方案则是在利用固定翼航空器的气动优势的基础上,直接加装垂直起降(VTOL)套件,例如成都纵横的大鹏、以色列的Panther、德国的Songbird、美国的Arcturus都属此类。不过对于商用来说,发动机的价格、后期维护成本都比较高,整个产品生命周期的成本居高不下。使用电动推动虽然能够解决这一问题,但却一直没有相关产品问世。

2015年,预测出电池技术的发展已经能刚好满足商用纯电动垂直起降固定翼无人机的需求,郭亮与王劲、孙兆 、刘洋一起创办了傲势科技。在不到两年的时间里,团队开发出了行业级无人机X-Hawk,完全使用电池供电,巡航时速可达120千米/小时,航时可达90分钟,载荷重量可达3公斤,可在狭小范围内起降,并于2016年10月正式交付使用。

从油动垂直起降无人机到电动,背后最核心的就是要想办法提高电池的飞行效能,最大化的利用电池。提高电池飞行效能,不仅要降低飞行器自重,还要从空气动力学设计、机翼设计、机身材料等多个环节进行优化。在CEO郭亮看来,这甚至是整个航空学的改变。甚至可以尝试一些飞行器设计师理想的设计方案。X-Hound就是这样的一架无人机。它的机翼设计既不同于传统固定翼设计,也不同于传统四旋翼设计,甚至也不像标准的四旋翼+固定翼组会设计。团队将这种独特的设计称为“大展弦比前掠下反翼V尾矢量推力垂直起降无人机”。大展弦比的机翼设计使得飞机能获得更大的升阻比,这意味着飞机用更小的推力获得高效的升力。前掠翼的设计能提高大迎角的飞行能力,获得额外的大迎角机动能力,是已经论证过的高机动机翼设计方案,美国的X-29和俄罗斯的苏-47都采用过这样的方案。类似于F-22的矢量推力技术使得飞机反应更灵敏,尤其是在转弯或者完成高难度动作时。

这种大创新,意味着供应链的不成熟,也意味着大量的研发工作。比如,团队首先就遇到了螺旋桨的问题。目前市面上的螺旋桨都是常规的有人机的螺旋桨,并不能满足这款飞机的要求,也不是最优方案。最终,团队只得对市面上的螺旋桨进行优化,研发了一款低雷诺数小桨径螺旋桨翼。

为了降低飞行器自重,傲势采用了新的机身材料。一般来说,飞行器普遍采用金属材料,在郭亮看来,这其实还是有人机的思维。团队采用了泡沫夹心,外包金属的机身设计。重点减轻的同时,但也意味着机身的坚固性受到了影响,必须要使用更好的材料,必须要在成本、材料、重量之间取得平衡。

航空是一个系统工程,就像上面提到的,每一个参数的改变,都意味着整体性能的变化,需要做大量的实验。传统情况下,一般会采用风洞实验,但不仅实验周期长,成本也非常高昂。为此,团队搭建了数字化的平台,只需要改变参数既可以获得不同的实际方案在不同的工况下的飞机性能如何,摆脱了物理空间、资金的限制,缩短了研发周期。在进行了数百轮的优化后,终于达到了现在的性能和水平。

与此同时,为了使得产品更加易用,傲势科技还推出了地面站GCS,可以一键切换起飞、返航、着陆、拍照、录像等功能,同时支持HUD、图传、3D地图功能,减少了人对无人机进行直接的操纵。

目前,Google、Amazon也在做全电垂直起降无人机,傲势的主力型号之一是一架尾座式垂直起降固定翼无人机,与Google更为相似。在郭亮开来,Google、Amazon投入了大量人力、物力、财力,但产品研发的进展并不顺利,一个重要的原因就是无人机是一个系统性的工程,即需要空气动力、器动、控制、结构、航电、多个学科的专业人才,又要有总体方面的人才对各方面协调,以保证系统工程的平衡。这方面,傲势科技组建了团队70人左右,核心研发团队硕士博士比例达到90%。创始人郭亮又是总体出身,本硕博一直在南航学飞行器设计,工作之后也从事的是飞行器设计研究工作,有足够的工程控制力,而国内总体方面的人才则寥寥无几。

作为一款行业级无人机,可靠性与性价比是客户重要的考量因素。比如,为了提高产品的稳定性与可靠性,X-Hawk采用了十字型的动力系统,不仅提升了垂直起降能力,还保证了动力系统故障以后的重构能力。假如一个动力发生故障以后,系统会自动的调低它对边的动力输出,依靠剩余的动力进行应急板块。

目前,傲势科技业务涉及工业级无人机平台、地面站、数字化设计研发平台等。在工业级无人机行业,一个重要的商业指标就是产品全寿命周期成本。 郭亮告诉36氪,虽然目前的产品单价和毛利比较高,但是相比于目前的油动、油电混动行业无人机,不需要发动机,采购成本低、使用维护门槛低,生命周期延长,整个产品全生命周期的成本可以降低至少一个数量级。而目看似售价较低的多旋翼无人机,因为续航、航时等诸多原因,很多商业场景并不适合。

另一方面,团队也在考虑像波音等民用客机一样提供返修服务。目前傲势的无人机机体寿命是按照三到五年的量级设计的,当产品的生命周期结束后,可以提供返修服务。傲势预测,这部分的利润非常可观。

与很多技术领先的公司走闭源路线不同,傲势主动选择了将产品开源。2016年9月召开发布会时,就将技术验证机型X-Hawk进行了完整开源,包括设计图纸、系统源码和实验数据等均会对外开放。这款教育版的产品已被电子科技大学选为教学课件。 之所以选择这样激进的策略,一方面是因为开源意味着能吸引更多追踪者,在未来的标准制定方面会有优势,也意味着搭建生态的可能,另一方面,也是因为开源社区的竞争其实比在单一个技术细节的竞争更为激烈或者残酷,基本上不允许第二名存在。

未来,公司将继续专注于先进无人系统整体方案研究、设计、开发、生产,并提供无人系统技术咨询服务与行业解决方案。下一代产品,在全电动力基础上,任务载荷、航速可能会更大,抗风能力也将提升。

目前,傲势科技组建了70人左右的团队,核心研发团队硕士博士比例达到90%。创始人郭亮,博士毕业于南京航空航大学航空宇航学院先进设计技术国防重点学科实验室, 2016年入选《财富》(中文版)评选的“中国40位40岁以下商界精英”。总体设计团队成员曾参与前沿智能飞行器在内的设计研发工作,并多次获得国家级无人机创新奖。控制团队曾多次获得国家级无人机竞技赛大奖,仿真团队可以胜任各种气动仿真设计。公司成立于2015年,前身是BATTERMAN工作室 。2016年 1月 , 获得1000万元天使投资。

因为采访中聊到了不少专业航空知识及原理。我也将采访进行了整理,放在了本文文末,以供大家参考。

36氪:傲势及产品主要想解决的行业问题是什么?

郭亮:我们主要是做比较高性能的自主飞行器,不一定便宜,主要是针对行业级,是针对比较强调性能的用户提供的解决方案,主要特点是全电、垂直起降、高性能。大疆那种多轴也是垂直起降,它也能解决起降的问题,但我们是在垂直起降的基础上加上水平飞行,是解决高性能的问题。

概括起来,我们在做的事情可以理解为,一个是垂直起降固定翼,一个是纯电。

36氪:为什么会选择垂直起降固定翼?

郭亮:因为本身固定翼这种飞行形态还是目前我们掌握最高效的飞行方式,相当于所有用的动力是用来克服阻力的,而没有直接作为升力去克服飞行器的重力。我们以前做飞行器的时候,基本上分旋翼机和固定翼两种专业类别,现在多了一个多轴,从内涵上讲它更接近于直升机,但它用了一个比较取巧的方法,把很多我们以前直升机遇到的问题规避掉了。不过它自身也有很多的问题,本身它的动力既要克服阻力,还要克服重力的话,飞行效率低一些。

36氪:为什么会选择纯电动?

郭亮:我们是感觉整个航空领域到了一个分水岭的时间点,倒过去看,我最近也发现其实汽车是一个比较有意思的例子,就像特斯拉一样。特斯拉大概在五年前开始做的时候,那时候纯电的解决方案刚刚够作为汽车使用,然后它做出来了,各种不足,当然也被骂。到了2017年,我认为是纯电的解决方案刚刚够用在航空上,包括Uber和空客、波音都在推出全电的解决方案,我觉得航空学已经到了分水岭了,其实这是蛮有意思的。

 36氪:目前还有那些人在做纯电动垂直起降无人机,进展如何?

郭亮:准确讲Google在做的无人机和我们类似,都是电垂直起降固定翼。其实垂直起降固定翼还有两个公司在做,一个是波音,波音在1995年开始做Heliwing,做了几年没做下去,可能是波音起步太早了,1995年的时候纯电的解决方案,几乎不太可能。一个是Northrop Grumman承接的TERN项目,但其实是油动方案,当时塔偏军用,可能对航时、航程有更极端的要求,那个时代化石燃料优势更明显一些,因此没有选择纯电。

既用电又是垂直起降固定翼,Google是第一个。后来亚马逊的第二代无人机也变成了混合固定翼的布局,垂直起降,平飞的时候四个浆就不转,稍微弱一点。我们也有类似亚马逊的方案,但我们认为可能不是一个高性能的解决方案。成都纵横无人机也在做类似亚马逊的方案,应该还是做油动比较多一点,纯电有一款,但性能确实受制于这种模式,性能可能会低一点。

36氪:如何在全电动的环境下提升无人机的航时?

郭亮:其实这主要是几大方面,一是空气动力学,一个是总体设计或者结构设计,一个是基础技术。

一个是空气动力学。空气动力学谁及到升阻比,就是要以最小的阻力代价获得最大的升力。我举一个客机或者运输机的例子。波音C-17全球霸王III可能起飞重量大概300吨左右(参数:265吨),但它的发动机的推力只有20来吨的推力,也就是20吨的推力能推动300吨的一个东西飞起来。如果我们换句话说,直升机或者悬翼这种类型的飞行器,20吨的推力肯定只能推起来20多吨的东西。

我跟几个兴趣比较相投的人2013、2014年开始慢慢做工作室,就用业余时间到倒腾全电的无人系统,因为油动我们都玩了很多年了,让一个油动飞机飞两个小时一点难度没有。但后来就在摸电动的时候发现这里面能挖掘的东西真的太多了,类似于是一个全新的航空学了。首先螺旋浆,大家都看到螺旋桨都长那个样,但其实我认为现在还没有一个国家或者一个专业机构认认真真研究过这么大尺寸的螺旋桨,这么大尺寸的螺旋桨跟我们有人的一百多年德螺旋桨一米、两米长的,它是完全两个学科范畴,我们叫雷诺数,其实是整个空气对浆的黏性和惯性力的量级,那个对比都是不一样的,所以需要去死扣那个,其实能扣非常多的油水下来,这是一个方面,还有电条,这些我都不准备说特别细。

一个是总体设计或者结构设计。飞行器整个是轻质结构,在达到同样的强度和钢度的设计指标的条件下,整个全机的重量应该是越轻越好。大飞机都是了为了降低每一克重量而奋斗,十几吨、二十多吨的飞机都是一克一克的减重量;对小飞机来说,更需要追求极致的减重,这可能是消费级无人机不是特别注重的这一块。当然这里面也是辩证的,我们要节约重量肯定要用好的材料,本身成本也会提升的比较厉害,但这肯定有一个平衡点。

以前我们设计的航空结构都是基于金属的结构,一旦打破了,当飞机做比较小以后,整个结构形式也可以有很大的变化,比如直接泡沫夹心,加上辅材的外壳成型这样的轻质结构,结构很精巧,同时保证了合适的刚度。

第三个是电池的基础技术。我们前面所有做的动作是一个系数,后边这是个常数,只要后边的常数(电池密度)提升,这种解决方案的潜力会快速释放。我也理解为什么空客公司在2016年下半年公布了自己纯电的垂直起降固定翼的单人的飞行器的解决方案,也是因为他认为在未来较短时间内可以实现。

2013年、2014年,锂电池出来,我们认为这个东西挺靠谱的,特别是后来像特斯拉用了这种电池18650,能量密度已经刚刚够把它做成行业级的产品了。

36氪:如何高效的做迭代?

郭亮:现在的产品是迭代了很多很多轮之后的结果,到目前百轮肯定是有的。空气动力学其实还是一个比较微妙的问题,跟飞机表面粗糙度,空气的湿度、密度、温度都是紧密相关的,不同的条件下都不一样。可能当时设计比如这样一个峰值曲线,它的设计有可能鲁棒性不太好,当时我们优化那个点确实性能很好,但如果海拔增加了一千米、两千米,一下感觉性能不够了,这个时候需要重新做取舍,就需要让整个设计在偏离设计点以后,性能依然是可接受的,这间还是要做大量工作的,这必须用时间去换。

为此,我们开始用科学计算、仿真计算来做这件事。以前你知道航空器的研发周期非常长,其中有一个很重要的原因就是因为做空气动力学实验的,风洞实验的周期比较长,要先做一个模型放到风洞里吹,吹完看曲线,之后改,再重新做一个模型,再放到风洞里吹,莱特兄弟的机翼不就是这样诞生的,但那个效率比较低。现在我们就是用的科学计算、仿真计算的方式来做这件事。

36氪: 新一代产品是如何规划的?

郭亮:我们最大的规划还是想推出下一代的垂直起降的解决方案,不停地突破这个界限。新一代的产品肯定还是全电的,载荷、航速会更大,抗风能力提升。整个总体都不一定是四个桨,或者这些构型。

36氪:傲势的无人机产品将主要用于哪些行业?

郭亮:我们的飞机是一个平台,所有的无人系统不外乎两个作用,一个是作为信息流的载体,二是作为物流的载体。信息流就是用来监视、巡线、电力、石油管道勘探这些都提供一个信息流的平台,另外物流就是你说的送东西或者投递一些东西,这都属于物流的范畴。我们的飞机其实就跟你造一个皮卡一样的,至于它用什么,确实是垂直细分领域的客户,其实我们的客户更多的是其他的做无人机应用的公司,做具体场景的公司,我们给他提供解决方案,他用我们的平台去做他们的事情。

目前的客户还是偏公共安全领域的,主要做长时间公众巡查,其中林业、电力需求量较多。西部林区特别多,以前都是巡山员去巡山,这个需求量是非常大。

36氪:在这些领域,相比于其他的无人机,傲势的产品成本可以降低多少?

郭亮:目前这套全电动的方案具有不可比拟的全寿命周期的成本的低。我们的同事用科学的方法测算过,即使在比较保守的情况下也能降低百分之五十以上量级。

类似汽车行业,比如福特公司卖油动公司的时候至少要建一个4S的服务网络,起码一百个人里面有二十个人是修发动机的,如果是特斯拉的话,所谓修发动机就是换电池、换电机,其实跟做修修补补的工种本质上是相同的,人员成本降低了。

另外,如果用油的话,是不能泄露的。整个飞机就变得比较复杂,机电系统比较复杂,故障概率就更高,设计上有很多的维护性要求。电的话,只需要用绝缘材料一包,只要不老化,就没有太大的问题。

36氪:无人机产品的售后问题如何解决?

郭亮:像这样的飞机,我们有一个返修的概念。可能你去买空客的飞机他会告诉你,寿命周期可能是多少年多少个起落。当一个寿命周期就结束了,你可以用延寿的方式,送到大修厂会看一下以前的飞行记录,如果没受过大的损伤,简单换下零部件,返修完了,又增加了新的寿命。

我们的机体寿命我们是按照三到五年的量级设计的,但是具体的寿命其实就是换电机。这部分的利润也是航空工业附加值的一个来源。

此外,我们也会承诺未来的升级小改,也会给客户提供相应的升级服务。比如我们研发出新一代的螺旋桨,我们可以给他换新的螺旋桨、新的电机。

36氪:为什么会在研发成功之后就选择开源?

郭亮:你成为第一名以后,所有的开源社区或者开源的人才都会聚集在你的解决方案旗下,这跟Google大力推动开源是一个道理。在开源社区的竞争其实比在单个某一个技术细节上竞争更为激烈或者残酷,因为这种东西基本上不允许,也没有第二名存在的空间。

 

抢先Google一步, 傲势科技推全电尾座式垂直起降固定翼飞行器

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