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无人机的九大动力系统

时间:2017-6-9 11:14:14编辑:无人机之家来源:互联网栏目:科普名词点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  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。

  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。

  五、太阳能

  在过去的几年中,太阳能电池的效率不断增加,从10%到近46%,达到了约175W/m2的功率比。很显然,这需要整个机翼的表面上覆盖大面积的太阳能板,这样就可以和多旋翼无人机一样进行正常的工作。

  硅谷的高科技公司也在探索太阳能无人机的潜力:Facebook希望通过其 “Aquila” (高空、长航时)太阳能无人机将无线网络带向世界偏僻的角落,以及谷歌X现已解散的Titan项目。

  空客的“西风”无人机是一个高海拔的伪卫星(HAPS)用来填补卫星和无人机之间的能力差距。“西风”无人机通过太阳能运行,可以在高于天气和商业空中交通的位置飞行,它的飞行高度可达70000英尺。波音公司的“太阳能鹰”项目于2012年取消。

  OpenRobotix Labs正在开发一款Mars航空车“XSOL-E1”,这是一款以太阳能提供动力的四轴飞行器。公司的一位发言人概述了飞行时间取决于很多因素,但一般来说,我们可以通过太阳能辅助技术将原来的15分钟的飞行扩展到40至45分钟。

  六、太阳能混合物

  太阳能混合物(太阳能+电池)的耐力惊人。Alta Devices和PowerOasis已经宣布他们正合作研发世界上第一个集成太阳能和Li-ion离子电池供电系统的小型无人机。无人机的参考架构为2-4米,使用5s-7s锂离子电池。这款无人机的设计图将于2017年末发布。

  七、系留

  系留系统可以在一个小半径范围内进行无限期的飞行,是监视和侦查的完美选择。MMC公司的“T1”系留系统可以支持多数无人机,例如MMC的“TDrone 1200”、大疆“Matrice 600”、 DJI “S1000”、 Yuneec“Typhoon H”、Intel “Falcon 8+”、Microdrones的“md4-1000”等等。Bluevigil、 Elistair、 Drone Aviation Corp和SPH Engineering这些公司也有类似的项目。

  八、超级电容

  石墨的单原子层会将超级电容带到新的高度?2015年2月,通用电气公司赞助超级电容的研究工作。初级能源,如内燃机、燃料电池和电池作为低功率的持续源可以很工作的很好,但是不能有效地处理峰值功率或回收能源,因为他们放电和充电都十分缓慢。超级电容器在峰值功率需求下可以提供快速爆发的能量,然后迅速存储能量并捕获可能会丢失的剩余动力。

  电容看起来似乎远远落后于电池的能量密度,但是他们似乎是一种伟大的媒介物,提升敏捷的油电混合动力配置。

  九、激光

  Laser Motive公司已经研发出无人机功率链技术,一种配备了激光接收器的功率光束无人机。2012年,洛克希德马丁公司在Laser Motive的协助下,展示了其“Stalker”无人机,这款无人机在激光充电系统的基础上,持续飞行了48小时。Stalker的项目经理Tom Koonce说:“像这样的地对空系统可以让我们为Stalker提供几乎无限的飞行耐力,扩展Stalker可以完成的任务剖面。”

  德国的Ascending Technologies公司与Laser Motive在2010年通过一架小型无人机证明了这项技术的效率,这架小型四轴飞行器持续飞行了十二小时。

  结尾

  所有的无人机能量源在特定的任务中都有着各自的优势。混合解决方案(源和推进系统)符合向清洁能源过渡的需求。现如今,因为混合物可以均衡利弊成为一种单独的技术,所以将两个领域中最好的物质相结合似乎是一个明智的选择。此外,从其他领先的领域(如汽车)中也可以看到这是一种明智的举动,尤其是当涉及到降低未来大规模生产和基础设施的成本时。

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关键字:无人机 动力系统
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