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盘点:无人机的九大动力系统

导读: 如果想不断推动无人机飞行性能的发展,电池的体积必须越来越小,重量必须越来越轻。

如果想不断推动无人机飞行性能的发展,电池的体积必须越来越小,重量必须越来越轻。当涉及到功率密度时,可以看出我们已经达到了一定的限制。锂聚合物(Li-Po)和锂离子电池(Li-ion)的体积已经变得很小,价格也在人们承受范围之内,这主要是手机行业带动的结果。因此这类的电池被广泛使用,如今可以公平地说,绝大多数(96%)的无人机使用电池作为动力源。

盘点:无人机的九大动力系统

如果仅仅是为无人机系统增加电池数量,这并不能延长其飞行时间以及扩展其负载能力。鉴于特定能源的现状,想实现更高的有效载荷和更长的飞行时间需要考虑到一些事情:质量比能(每单位质量所具有的能量)和体积比能(每单位体积所具有的能量)。

仅仅考虑能量源并不是正确的方式,因为整个系统(能源+推进系统)都会影响飞行的性能。如果推进系统(如涡轮或燃料电池)非常沉重,具有极高能量密度的源(如煤油或H2)并不会起到什么作用。

推进系统的效率因素也有很大的不同:电池供电系统将73%的能量转化为动力,燃料电池将44%的能量转化为动力,而燃烧发动机仅有39%的能量转化为动力。

另一个影响能源用途的因素是其预期的使命。无人机应该飞行的时间更长还是携带更高的负荷?无人机应该在有限的半径内飞行还是在遥远的云层之上飞行?这些问题对能源的用途有很大的影响,不同的操作方案要选择不同的能量源。

当考虑到推进系统、任务和增加能量密度的需求时,我们要重新回到源。下图显示了双对数尺度上每个源的具体的能量密度:

一、电池

对,又是电池。电池有很多优势:可以在任何地方充电、在大多数情况下可以没有限制条件地进行运输、没有溢出或发热的情况,通过更换电池块可以很容易地完成能量补充。

对于无人机来说,Li-Po和Li-Ion是最常见的源,但这并不意味着结束。锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)与Li-Po电池相比,每千克的能量密度是Li-Po的2倍多,而锂空气电池(Li-air)每千克的能量密度是其7倍多。而这两种电池却没有得到广泛的使用,归其原因是价格太高。锂硫电池(Li-S)可能会被Li-ion电池接替,因为Li-ion的高能量密度,同时还可以减少硫的使用成本。

二、氢燃料电池

燃料电池有很多优点:没有直接污染、没有声音,这种电池是由非常强大的源H2提供能量。将液态H2与锂离子电池的能量密度相比较,它们之间的系数是150!仅此一点足以使氢燃料无人机推向市场。

燃料电池开发商巴拉德动力系统的子公司Protonex希望利用这些机会。最近,该公司向美国航天巨头波音公司的子公司Insitu提供了他们的质子交换膜(PEM)燃料电池,波音公司生产了军用级和工业级的长航时固定翼无人机,如“Phantom Eye” 和 “ScanEagle”。

FSTD Singapore已经在固体氢的需求动力系统领域获得了突破。机器人技术开发商H3 Dynamics也发布了其手动发射的固定翼无人机“Hywings”,这款无人机可以飞行10个小时,飞行范围可达500km。

Horizon Unmanned System公司发布的Hycopter无人机可以在零负载的情况下飞行4个小时,在负载两磅的情况下飞行2.5个小时。这款无人机利用其“中空”的结构以氢气代替空气储存能量,从而消除了能源储存量。

MicroMulticopter Aero Technology(MMC)公司专门为无人机推出商业化氢燃料电池“H-1燃料电池”。此外,MMC设计和制造了世界上第一个氢动力无人机“HyDrone 1550”。

Korean Hylium Industries公司正在开发飞行时间可达4小时的无人机;蒙特利尔的EnergyOr“H2Quad-1000”在有效载荷1公斤的情况下可以飞行2小时。

Intelligent Energy也在销售燃料电池动力无人机被声称:“Intelligent Energy的风冷燃料电池系统在氢气和环境空气的基础上运行,产生清洁直流电源,而电池本身结构简单、重量轻但很坚固,并具有成本效益。这种电池要比电池为基础的系统的能量质量比更高,并且可以在几分钟内充满电。”

Urban Aeronautics的子公司Metro skyways在2017年4月宣布,该公司正在开发一款可以乘坐四人的氢动力垂直起降飞行车“CityHawk”。

三、汽油、煤油、甲醇、乙醇、液化石油气丙烷

目前有许多成熟可用的汽油动力解决方案,其中的一些也具有卓越的飞行性能。UAV Factory公司的“Penguin C”固定翼无人机在油箱加满时可以飞行超过20小时,Siebel的“CAMCOPTER S-100”在油箱装满时可以飞行6个小时.

这种能量源的优势在于高质量比能[Wh/kg]和容积比能的结合[Wh/l]。与Li-Po电池相比,汽油的质量密度是其48倍,而容积密度是其13X倍。此外,内燃机坚固、小巧、重量轻,具有良好的耗油率。

当谈到耐力时,汽油动力无人机的另一个优势是随着时间的推移,重量的坚强,使平台更轻,从而增加了飞行范围。

四、气电混合物

总部位于安大略滑铁卢的Pegasus Aeronautics公司和德国柏林YEAIR公司的产品是气电混合引擎最好的例子。两家公司将电动机的快速反应和汽油动力飞行的优点相结合。

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