据北航新闻网消息,2021年10月,北京航空航天大学“冯如三号”团队研发的“冯如三号-100型”无人机持续飞行了80小时46分35秒,刷新了由自己保持的25-100kg级油动固定翼无人机续航时间世界纪录,跃居全世界油动固定翼无人机(重量等级无差别)续航时间的榜首。
| 01 什么是无人机?|
无人机,全称为无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle),是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机,也可以由车载计算机完全或间歇地自主操作。作为迄今为止品种最复杂、应用领域最广的航空器,无人机的分类多种多样,如:按平台构型分类,最常见的有固定翼无人机、无人直升机、无人多旋翼飞行器三种;按使用性质分类,分为军用无人机和民用无人机;按质量和尺寸大小又可分为微型、轻型、小型和大型无人机四种。
其中,民用无人机中的消费级无人机主要面向普通群众,在无人机市场呈现“一超多强”的趋势。消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台,用于航拍、游戏等休闲用途。
然而,无人机的续航能力一直饱受诟病。市面上的无人机主要是锂电池提供动力,续航时间一般在20分钟至30分钟之间。为尽可能减轻起飞的重量,无人机无法携带较重的大容量电池,因此,大多数无人机在维持二十分钟有效飞行之后,就必须更换电池或者插上充电线。这是无人机一个致命的缺陷,既影响了消费者的使用体验和购买欲望,同时也抑制了无人机产业的发展。由此可见,解决无人机续航能力迫在眉睫。
| 02 影响无人机续航能力的因素有哪些?|
影响无人机续航能力的因素有很多,包括无人机的升阻特性、发动机性能、电池容量、螺旋桨气动特性、飞机结构重量等等。以电池的选取为例,市面上大多数无人机是以锂聚合物电池作为主要动力,这种电池虽然比普通电池续航能力高一些,但是也有充电时间长、使用转化率不高等缺点。此外,电池的使用寿命对无人机续航能力也有一定的影响。电池的使用环境、充放电频次等都容易影响电池放电量,进而影响电池寿命。电池寿命越短,无人机续航能力越弱。
除了自身因素以外,外部环境因素和一些可变因素也会影响无人机的续航能力,比如任务载荷重量和能耗、飞行速度和高度、大气温度和湿度、飞行中机动动作以及风等等。无人机在空中飞得越高,飞得越快,所需能耗就越高,续航能力就会越差。温度湿度越高,空气密度越小,螺旋桨产生推力就越小,所需的功耗就越大,无人机续航能力同样会下降。
| 03 无人机续航能力不足如何解决?|
就目前研究而言,解决无人机续航能力主要聚焦于以下三个方面:其一是从电池入手,寻找更长时、更耐用的电池能源;其二是从材料着手,寻找新型轻量化材料,减少无人机重量来增强续航能力;其三是从结构下手,通过优化无人机结构,增大能源储备或者减少能源消耗来延长续航能力。
在电池选取方面,可将无人机电池更换为更有前景的电动和燃料电池,在能源选择上选择新能源(例如氢燃料能源和太阳能等)。这些能源的获取方式十分简单,并且清洁高效。也可以将制作电池或供能的材料变得更轻、更小、更高效,不仅能从载重上降低续航压力,也能进一步提升无人机的续航能力。此外,还可以在形式上进行创新,探索更多不依赖电池的续航方式,如近些年兴起的系留无人机,就是通过线缆直接供能,虽然作业范围受限,但却免除了续航危机。这也是解决无人机续航能力的一种办法。
凭借广阔的应用前景和显著的优势,无人机产业正在迅速发展,在工业、农业、救援、测绘、物流、影视、娱乐等方面都发挥了重要作用。解决无人机续航问题的答案不是只有一种,但不管是哪一种都离不开科研人员和企业的持续努力与不断付出。只有技术不断突破、政策持续鼓励、资本加速融入、市场逐步完善,我国无人机产业才会有更好的未来。