固定翼无人机续航技术研究与进展

摘要：长续航是实现固定翼无人机作业范围广、飞行高度高、飞行速度快等特性的重要保障，主要从氢燃料、太阳能和激光3种供能方式，以及气动性布局和上升气流利用的两种不同的节能方式，对固定翼无人机长续航的影响，及在其基础方面上提升其总体性能方面有着重要应用价值。

关键词：固定翼无人机；续航技术；研究

引言

在《中国制造2025》的时代背景下，我国从固定翼无人机到多旋翼无人机得到井喷式的发展，从民用无人机到军用无人机高速的发展。固定翼无人机作为其中的一个小分支，因其在获取地理信息数据、电力巡航、通信恢复、精准农业、物流运输、环境监测、遥感监测、救援搜救等领域的巨大优势而得到广泛应用。

一、固定翼无人机续航技术研究

（一）国内外激光供能无人机的研究

燃料电池从最早的汽油类燃料，转变为现在环保的氢燃料电池。氢燃料燃烧能量释放大，最终生成水不会对环境产生影响，产生二氧化碳。因其在空中燃烧运行时是需要氧气的，当无人机的上升高度很高时，故其在海拔较高的地方氧气较为稀薄，燃料电池的燃烧效率不高，能耗的转化率不高。氢燃料对其存放的环境比较苛刻，需要高压存储氢气缓慢释放氢气给燃料电池使用。氢燃料虽然较轻，存储起来所占的体积大，无人机的体积也会因此变大从而降低其灵活性。

（二）基于太阳能获取能源的方式提高续航

固定翼无人机长续航方面的研究，是可以在机翼上用上太阳能电池板或者是太阳能新材料来给无人机提供额外的动力来源，太阳能板机翼受限制较大。能源来源是利用太阳光的辐射把光能转换为电能存储到电池，提供给无人机使用。通过白天有太阳光的时候，把电能存储起来，夜间或者是阳光不够充足的情况下提供能量。太阳能无人机具有很多优点，能源来源对于环境友好，不会对全球温室效应产生影响。

但在长时间的阴雨天的情况下飞行，其续航会受到影响，另外太阳能板轻薄等关键技术制造难度大，造价高昂。太阳能板的轻型无人机开发和应用利用无人机各种感知传感器从而实现固定翼无人机能耗的降低，因为太阳能板的加入增加了自身的重量，很大地影响了无人机的载重和无人机的长续航飞行。太阳能无人机都有一个共同点，那就是体积比较大，太阳能无人机需要比较大面积的机翼来放置太阳能板。太阳能板现阶段受限于光电材料的影响，光电的转换效率较低。（三）利用外部供能的方式增加续航

激光供能的过程类似于飞机空中加油的方式为无人机提供能量从而增加续航，激光可以向无人机传输信息的同时也向无人机传输能量。激光供能无人机受制于光电装换材料的限制，激光向电能方向的转化率低。虽说在无人机增加续航方面有一定的进步意义，但是电能转化激光再转化电能的期间的能量损耗比较大，对于电力资源浪费比较大。激光供能在使用上的局限性比较大，当空气比较中的杂质较多的时候，激光的穿透性不强，导致最终传输到无人机上的能量减弱。如果无人机与激光发射器间有遮挡的时候，激光无法穿过或者绕过中间的遮挡物。

二、固定翼无人机续航技术的发展

（一）燃料电池无人机发展

1、国外燃料电池无人机发展

美国、英国、以色列、韩国、新加坡等国家关于燃料电池无人机的研究比较早。2003 “Hornet”《燃料电池无人机由美国NASA 投资，它的出现标志着氢燃料电池驱动飞行器的可行性得到了实现，其飞行时间长达15分。2004 年，由美国加利福尼亚大学设计的燃料电池驱动的无人机，用于植被场地的遥感研究并且试飞成功。同年美国航空航天系统设计实验室和佐治亚理工大学共同开发开发燃料电池无人机的验证工具并对燃料电池无人机进行了演示。2008 年AeroVironment 公司使用Protonex 燃料电池远远超过之前电动无人机，让“Puma”无人机达到了7 h 的长时间续航。2009 年10 月美国海军实验室对“离子虎”无人机进行了进一步的优化，使得“离子虎”无人机最终飞行时间达到了23 h，并且在同年11 月飞行时间达到了26 h。同年，以色列Israel Aerospace Industrie 公司改进之前的无人机变成了燃料电池版，无人机的飞行时长延长到了6 h。2010年韩国宇宙航空研究院设计制造的混合动力燃料电池无人机“EAV-1”续航时间达到了4.5 h。2014年，以色列蓝鸟公司推出的“徘徊者B”型号的燃油喷射式无人机，其最长可以持续10小时。2016 年，新加坡ST Aerospace 公司推出的Skyblade 360 型号的燃油喷射式无人机，其最长可以持续6小时。2021 年Metcalf A 等人研究了一种用于无人机（UAV）的内燃机和固体氧化物燃料电池（SOFC）混合动力系统，使用直接液体60/40 甲醇/硝基甲烷燃料的管状SOFC 能够产生550 mW/cm2以上的最大功率是当前无人机续航记录时间200%。

2、国外燃料电池无人机发展

国内关于燃料电池无人机的研究比较晚。2012 年燃料电池无人机“飞越一号”由同济大学航空航天与力学学院和上海奥科赛飞机有限公司联合研发，其续航时间超过2 h。2014 年5 月武汉众宇动力有限公司研发了一款名为“天行者”的燃料无人机，并且续航时间达到了12 h。2016 年科比特航空科技有限公司发布了旗下的燃料电池旋翼无人机“HYDrone1800”续航4 h。宁夏优雷特公司和珠海晴航空航天科技公司联手打造的全球首架氢电池倾转螺旋桨无人飞行器，经过一番精心设计，最终取得了令人瞩目的成果：它的多螺旋桨设计能够持续2小时，而固定翼设计则能够持续6小时。2019 年12 月北京新研创新科技有限公司与中国航空合作研发的六旋翼燃料电池无人机，续航时间达到了5.5 h。

三、结语

针对现有的无人机续航时间的长短，提出可在无人机自身的空气参数方面寻找突破，同时利用新型材料或者低能耗传感器来感知空气中有利于无人机飞行的上升气流，进而降低自身能耗，提升续航时间的方案。同时，提出长续航问题应在现有电池技术的基础上结合外部能量的方法，应是未来需要追寻的热点和方向。

参考文献：

[1] 周伟，马培洋，郭正，等. 基于翼尖链翼的组合固定翼无人机研究[J]. 航空学报，2022，43（9）：598-614.

[2]艾春南，胡连信，赵田田，等. 固定翼无人机续航技术研究进展[J]. 机电工程技术，2023，52（2）：6-11. DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.002.

[3]云南寰牧无人机科技有限公司. 一种续航能力强的固定翼无人机：CN201821523417.6[P]. 2019-06-28.