盤點:無人機的九大動力系統

2017/06/09

導讀: 如果想不斷推動無人機飛行性能的發展,電池的體積必須越來越小,重量必須越來越輕。

OFweek鋰電網訊 如果想不斷推動無人機飛行性能的發展,電池的體積必須越來越小,重量必須越來越輕。當涉及到功率密度時,可以看出我們已經達到了一定的限制。鋰聚合物(Li-Po)和鋰離子電池(Li-ion)的體積已經變得很小,價格也在人們承受範圍之內,這主要是手機行業帶動的結果。因此這類的電池被廣泛使用,如今可以公平地說,絕大多數(96%)的無人機使用電池作為動力源。

如果僅僅是為無人機系統增加電池數量,這並不能延長其飛行時間以及擴展其負載能力。鑒於特定能源的現狀,想實現更高的有效載荷和更長的飛行時間需要考慮到一些事情:質量比能(每單位質量所具有的能量)和體積比能(每單位體積所具有的能量)。

僅僅考慮能量源並不是正確的方式,因為整個系統(能源+推進系統)都會影響飛行的性能。如果推進系統(如渦輪或燃料電池)非常沉重,具有極高能量密度的源(如煤油或H2)並不會起到什麼作用。

推進系統的效率因素也有很大的不同:電池供電系統將73%的能量轉化為動力,燃料電池將44%的能量轉化為動力,而燃燒發動機僅有39%的能量轉化為動力。

另一個影響能源用途的因素是其預期的使命。無人機應該飛行的時間更長還是攜帶更高的負荷?無人機應該在有限的半徑內飛行還是在遙遠的雲層之上飛行?這些問題對能源的用途有很大的影響,不同的操作方案要選擇不同的能量源。

當考慮到推進系統、任務和增加能量密度的需求時,我們要重新回到源。下圖顯示了雙對數尺度上每個源的具體的能量密度:

一、電池

對,又是電池。電池有很多優勢:可以在任何地方充電、在大多數情況下可以沒有限制條件地進行運輸、沒有溢出或發熱的情況,通過更換電池塊可以很容易地完成能量補充。

對於無人機來說,Li-Po和Li-Ion是最常見的源,但這並不意味著結束。鋰亞硫醯氯電池(Li-SOCl2)與Li-Po電池相比,每千克的能量密度是Li-Po的2倍多,而鋰空氣電池(Li-air)每千克的能量密度是其7倍多。而這兩種電池卻沒有得到廣泛的使用,歸其原因是價格太高。鋰硫電池(Li-S)可能會被Li-ion電池接替,因為Li-ion的高能量密度,同時還可以減少硫的使用成本。

二、氫燃料電池

燃料電池有很多優點:沒有直接污染、沒有聲音,這種電池是由非常強大的源H2提供能量。將液態H2與鋰離子電池的能量密度相比較,它們之間的係數是150!僅此一點足以使氫燃料無人機推向市場。

燃料電池開發商巴拉德動力系統的子公司Protonex希望利用這些機會。最近,該公司向美國航天巨頭波音公司的子公司Insitu提供了他們的質子交換膜(PEM)燃料電池,波音公司生產了軍用級和工業級的長航時固定翼無人機,如「Phantom Eye」 和 「ScanEagle」。

FSTD Singapore已經在固體氫的需求動力系統領域獲得了突破。機器人技術開發商H3 Dynamics也發布了其手動發射的固定翼無人機「Hywings」,這款無人機可以飛行10個小時,飛行範圍可達500km。

Horizon Unmanned System公司發布的Hycopter無人機可以在零負載的情況下飛行4個小時,在負載兩磅的情況下飛行2.5個小時。這款無人機利用其「中空」的結構以氫氣代替空氣儲存能量,從而消除了能源儲存量。

MicroMulticopter Aero Technology(MMC)公司專門為無人機推出商業化氫燃料電池「H-1燃料電池」。此外,MMC設計和製造了世界上第一個氫動力無人機「HyDrone 1550」。

Korean Hylium Industries公司正在開發飛行時間可達4小時的無人機;蒙特利爾的EnergyOr「H2Quad-1000」在有效載荷1公斤的情況下可以飛行2小時。

Intelligent Energy也在銷售燃料電池動力無人機被聲稱:「Intelligent Energy的風冷燃料電池系統在氫氣和環境空氣的基礎上運行,產生清潔直流電源,而電池本身結構簡單、重量輕但很堅固,並具有成本效益。這種電池要比電池為基礎的系統的能量質量比更高,並且可以在幾分鐘內充滿電。」

Urban Aeronautics的子公司Metro skyways在2017年4月宣布,該公司正在開發一款可以乘坐四人的氫動力垂直起降飛行車「CityHawk」。

三、汽油、煤油、甲醇、乙醇、液化石油氣丙烷

目前有許多成熟可用的汽油動力解決方案,其中的一些也具有卓越的飛行性能。UAV Factory公司的「Penguin C」固定翼無人機在油箱加滿時可以飛行超過20小時,Siebel的「CAMCOPTER S-100」在油箱裝滿時可以飛行6個小時.

這種能量源的優勢在於高質量比能[Wh/kg]和容積比能的結合[Wh/l]。與Li-Po電池相比,汽油的質量密度是其48倍,而容積密度是其13X倍。此外,內燃機堅固、小巧、重量輕,具有良好的耗油率。

當談到耐力時,汽油動力無人機的另一個優勢是隨著時間的推移,重量的堅強,使平台更輕,從而增加了飛行範圍。

四、氣電混合物

總部位於安大略滑鐵盧的Pegasus Aeronautics公司和德國柏林YEAIR公司的產品是氣電混合引擎最好的例子。兩家公司將電動機的快速反應和汽油動力飛行的優點相結合。

五、太陽能

在過去的幾年中,太陽能電池的效率不斷增加,從10%到近46%,達到了約175W/m2的功率比。很顯然,這需要整個機翼的表面上覆蓋大面積的太陽能板,這樣就可以和多旋翼無人機一樣進行正常的工作。

矽谷的高科技公司也在探索太陽能無人機的潛力:Facebook希望通過其 「Aquila」 (高空、長航時)太陽能無人機將無線網路帶向世界偏僻的角落,以及谷歌X現已解散的Titan項目。

空客的「西風」無人機是一個高海拔的偽衛星(HAPS)用來填補衛星和無人機之間的能力差距。「西風」無人機通過太陽能運行,可以在高於天氣和商業空中交通的位置飛行,它的飛行高度可達70000英尺。波音公司的「太陽能鷹」項目於2012年取消。

OpenRobotix Labs正在開發一款Mars航空車「XSOL-E1」,這是一款以太陽能提供動力的四軸飛行器。公司的一位發言人概述了飛行時間取決於很多因素,但一般來說,我們可以通過太陽能輔助技術將原來的15分鐘的飛行擴展到40至45分鐘。

六、太陽能混合物

太陽能混合物(太陽能+電池)的耐力驚人。Alta Devices和PowerOasis已經宣布他們正合作研發世界上第一個集成太陽能和Li-ion離子電池供電系統的小型無人機。無人機的參考架構為2-4米,使用5s-7s鋰離子電池。這款無人機的設計圖將於2017年末發布。

七、系留

系留系統可以在一個小半徑範圍內進行無限期的飛行,是監視和偵查的完美選擇。MMC公司的「T1」系留系統可以支持多數無人機,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這些公司也有類似的項目。

八、超級電容

石墨的單原子層會將超級電容帶到新的高度?2015年2月,通用電氣公司贊助超級電容的研究工作。初級能源,如內燃機、燃料電池和電池作為低功率的持續源可以很工作的很好,但是不能有效地處理峰值功率或回收能源,因為他們放電和充電都十分緩慢。超級電容器在峰值功率需求下可以提供快速爆發的能量,然後迅速存儲能量並捕獲可能會丟失的剩餘動力。

電容看起來似乎遠遠落後於電池的能量密度,但是他們似乎是一種偉大的媒介物,提升敏捷的油電混合動力配置。

九、激光

Laser Motive公司已經研發出無人機功率鏈技術,一種配備了激光接收器的功率光束無人機。2012年,洛克希德馬丁公司在Laser Motive的協助下,展示了其「Stalker」無人機,這款無人機在激光充電系統的基礎上,持續飛行了48小時。Stalker的項目經理Tom Koonce說:「像這樣的地對空系統可以讓我們為Stalker提供幾乎無限的飛行耐力,擴展Stalker可以完成的任務剖面。」

德國的Ascending Technologies公司與Laser Motive在2010年通過一架小型無人機證明了這項技術的效率,這架小型四軸飛行器持續飛行了十二小時。

結尾

所有的無人機能量源在特定的任務中都有著各自的優勢。混合解決方案(源和推進系統)符合向清潔能源過渡的需求。現如今,因為混合物可以均衡利弊成為一種單獨的技術,所以將兩個領域中最好的物質相結合似乎是一個明智的選擇。此外,從其他領先的領域(如汽車)中也可以看到這是一種明智的舉動,尤其是當涉及到降低未來大規模生產和基礎設施的成本時。

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