科普|动力系统的历史与未来

来源:宇辰网 作者:宇辰网 时间:2017-02-10 分享至:
[宇辰导读]动力系统不仅改变了地面上跑的汽车,终将改变天上飞的无人机。

有人说,是汽车改变了城市的格局,那又是什么改变了汽车呢?汽车这个概念是动力系统发展到一定阶段的产物。先看一下动力系统的时间线:

712年,英国人托马斯·纽科门发明了蒸汽机,被称为纽科门蒸汽机。

1680年,英国科学家牛顿设想了喷气式汽车方案,但未能成型。

1769年,法国人N·J·居纽制造了世界上第一辆蒸汽驱动的三轮汽车。

1794年,英国人斯垂特首次提出把燃料和空气混合,以供燃烧的设想。

1828年,由匈牙利工程师阿纽什·耶德利克在实验室完成了电传装置。

1832年到1839年间,由美国人安德森制造了全球第一辆电动车。

1866年,德国工程师尼古拉斯·奥托试制出立式四冲程内燃机。

1885年,德国人G.戴姆勒继把这种内燃机先后装在自行车和四轮马车上。同年,德国人卡尔·本茨把汽油内燃机装上了三轮车……

由此可见,动力系统的发明创新在汽车的发展史中扮演了不可替代的角色。动力系统,让车轮滚动起来,同样,也将无人机送上了天。

无人机的用途五花八门,形态也千姿百态,为什么有的能高空翱翔,有的只能低空盘旋,有的甚至能静止不前……原来,这背后是千差万别的动力系统。

1916年9月12日,第一架无线电操纵的无人驾驶飞机在美国试飞。

20世纪80年代,现代技术的发展为无人机更高的飞行性能、更好的可靠性提供了条件,其中包括智能化、高速带宽、更轻的材料和传感器、更强的续航能力等多方面因素。

20世纪末,中小型固定翼和旋翼战术无人机系统出现,其体积小、价格更低、机动性好,标志着无人机进入大规模应用时代。

一. 油动无人机

伴随着动力技术的不断发展,无人机燃气动力装置已发展出了包括活塞式发动机、涡喷发动机、涡轴发动机、涡桨发动机、涡扇发动机等几大门类。活塞式发动机只适用于低速、低空及质量轻的无人机;对更大使用范围的无人机而言,燃气涡轮发动机应是首选的动力装置。

目前,油动系统产品拥有适用于飞行时间较短的中高空、高速系列,中低空、低速短距系列,高空长航时系列的无人机产品,据悉,油动无人机的续航时间可达30多个小时。对于民用无人机而言,大都采用了中小型燃油发动机。

根据燃料的不同,油动无人机可分为甲醇、汽油、重油无人机三种类型。无人机领域专家、北京红鹏天绘公司总裁徐鹏表示,以甲醇为动力的发动机损耗率高,导致成本较高,基本上已被淘汰,如今只有小型航模级无人机仍会采用。他指出,油动无人机动力系统目前正朝着载人航空飞机动力系统的小型化演变,以提升安全、稳定性。与徐鹏的观点有所不同,北京韦加天地通公司总工程师杨铭表示,油动系统将向汽车发动机方向发展,逐步发展为汽车上的四冲程发动机系统。

应用范围:广泛应用于军事领域,民用领域应用也很普遍,诸如农业植保、航测、环保监测等应用。

趋势:推力变化范围大、耗油率低、高空性能好的涡扇发动机,在无人机动力装置中将占有重要地位;以航空重油燃料为动力的无人机将是油动无人机发展的一大趋势;油动无人机的市场份额将面临被电动和混合动力无人机蚕食的局面。

优点:抗风能力强,续航能力强,飞行速度快,效率高

缺点:1. 稳定性差;2.操作复杂;3.高原性能不足;4.场地适应能力差;5.震动大;6.危险性大。

二.电动无人机

正如电动汽车的出现,电动无人机头顶节能环保、小巧轻便的光环横空出世。由于传统的电机采用的是电池供电,动力不够强劲,一般被用在小型、微型无人机上。备受关注的无人机品牌,诸如大疆创新、零度智控、亿航等都采用的是电动无人机系统。杨铭表示,随着起飞重量逐步降低,电动系统在无人机的占有率逐渐攀升。在7kg以下的小型无人机领域,90%采用的都是电动系统。

电动系统主要包含电机、电调、螺旋桨以及电池。无人机电机可分为有刷和无刷两种,市面上主要以无刷电机为主,一头固定在机架力臂的电机座,一头固定螺旋桨,通过旋转产生向下的推力。不同大小、负载的机架,需要配合不同规格、功率的电机,但并不代表电机越大越好,效率才是王道。

据悉,电池依然是小型、微型无人机最常用也是最现实的动力源,在镍镉电池、镍锌电池、锂电池、固态氧化物燃料电池中,要属锂离子聚合物电池的应用范围更为普遍,但它每次充电只能达到40分钟的续航时间。锂离子聚合物电池不能充分满足无人机对持久动力的需要,高能电池的需求迫在眉睫,因此,新能源动力系统问世。

徐鹏认为,电动无人机使用的是清洁能源,电机结构简单,造价低,事故率低,但他更看好燃料电池动力系统,只是以此动力的无人机尚未发展成熟。纵观全球,许多国家都在积极致力于燃料电池无人机的研发,他相信,未来一年内,以氢气为动力的无人机产品将有望从实验室产品变成工业化成熟产品。

优点:1.清洁能源,2,电机结构简单,3,造价低,4,事故率低

缺点:1,锂电池技术瓶颈难以突破,2,能量密度低,3,续航时间短。

三.固态氧化物燃料无人机

2012年,由同济大学十余名研究生、本科生于参与的“飞跃一号”,翼展5米,起飞重量20公斤,有效载荷1公斤,巡航速度为30公里每小时,采用的正是一个1千瓦的质子交换膜燃料电池作为动力。

甚至,核动力也一度成为无人机的发展方向。2012年,美国科学家开始研发核动力的无人机,但具体进展并未向外界透露。

2014年,波音公司及其合作伙伴研制的续航时间可达10天的高空长航时无人机(HALEUAV) ,正是采用了氢燃料,实际上,无人机还可充入普通空气或氦气作为动力源。

2015年,一家名为HUS的无人机研发公司推出了使用氢动力的新一代无人机,标志着以固态氧化物燃料电池为动力源的民用无人机时代已经到来。

在更早的2011年,武汉众宇动力系统科技有限公司就成立了,其主要从事氢燃料电池的技术开发、产品生产及销售等。作为目前国内第一家具备“制氢、加压、储氢、氢燃料电池”全产业链技术的公司,众宇动力拥有自主的、核心的燃料电池技术和专利。

目前所开发和拟开发的产品包括十几瓦到1.3千瓦氢燃料电池空冷电堆、5到50千瓦水冷氢燃料电池电堆、备用电源系统、离网电源、单兵电源、大巴动力系统、兆瓦级固定电站、无人机动力系统等,部分产品的水平已经领先于国外,并且都有实际使用案例。

公司已经参与了17项燃料电池国家标准的制定,另外还承担制定了船舶用燃料电池系统规范指南等重要标准。公司目前研发的无人机动力系统,其技术已在全球属于领先地位,也被中央新闻联播做重点技术报道。

优点:1.清洁能源,2,续航时间长,3,满足多种需求,4,极端环境下仍能工作

缺点:1,造价昂贵,2,产业化程度低。

四.太阳能无人机

与此同时,太阳能无人机也取得了突破性进展。2007年,由英国防务公司吉内蒂克(Qinetiq)研制的西风号太阳能无人机已取得14天飞行航时记录。如今,空客防务与空间公司正与之合作,联合开展对西风号太阳能无人机的改造工作。

2015年,谷歌公司开展的 “泰坦”无人机项目测试失败,一架大型太阳能无人机Solara 50在新墨西哥州坠毁,尽管如此,谷歌依旧期望通过使用太阳能驱动无人机为偏远地区居民提供互联网服务。此前,北京普洛特飞行器科技有限公司总裁李强也曾在接受3sNews采访时表示,正与其它客户合作研发太阳能无人机。

其实,太阳能无人机的关键技术有两种:一是要有效地将太阳能收集起来,并高效地转换为电能;二是解决夜间和太阳光微弱时的能源供应。它主要在20~30km高空飞行,仍然是大气层内飞行。阳光虽然比地表强烈得多,但仍然受到大气影响,比外层空间弱得多。由于从地面起飞,阳光受到大气层的影响更大。要想在这种条件下收集太阳能,必须要有高效的太阳能电池,此后,将太阳能转化为飞机动力由电动机实现,一般采用的是无刷电动机。

应用范围:覆盖民用领域的方方面面,诸如其中,太阳能无人机主要应用于资源勘察、环境监测、交通监管、通信平台、国界巡逻等多个领域。

趋势:以太阳能、氢气等新能源为动力源的无人机将会层出不穷,续航时间将大大延长,稳定性也将逐步提升。

优点:1. 安全,可靠性高,震动小;2. 使用维护简单,轻便灵活;3.使用成本低;4. 高原性能优越;5. 清洁能源

缺点:1. 抗风力弱;2. 续航能力弱(针对当前普遍采用的锂电池无人机);3. 载重重量少;4. 高空低温的条件下有时不能正常工作,还有高空结冰等问题(针对太阳能无人机)。

五.混合动力无人机

混合动力无人机,是一种新型双动力无人机。其动力系统由电驱动和常规发动机两种动力系统构成,以实现良好的起飞、爬升性能和静音、超长航时的结合。其动力系统由电驱动(太阳能或蓄电池)和常规发动机(喷气或螺旋桨发动机)两种动力系统构成,以实现良好的起飞、爬升性能和静音、超长航时的结合。

徐鹏表示,起飞降落的时候,宜采用油动发动机系统,飞行过程中,能源消耗需求不大,宜采用电动发动机系统。混合动力系统能够克服单一动力系统的缺陷,融合了二者的优势,取长补短,将是未来无人机动力系统的主要发展方向。

混合动力系统的工作原理是:由汽油发电机为电池充电、电池再发动电力引擎。动力可来自电池、汽油发电机、或者由两者同时提供,比单一的汽油引擎更小型、更高效。但它不像混合动力汽车一样,能从刹车中收集能量。

2010年,由台湾成功大学航天工程学系赖维祥教授团队研发的“灰面鹫号”,就采用了1千瓦燃料电池与5400mAh锂电池混合动力,试飞成功。2015年3月,Draper 实验室和MIT 的研究人员成立的Top Flight公司研制出了一种混合动力无人机,可以飞行两个半小时、约160公里的距离,最高负重达20磅其飞行时间是无线电控制、汽油发动的小型直升机的两倍,比目前市场上最流行的四旋翼无人机多出数倍。

应用范围:军事上可用于边界巡逻和国内安全警戒、搜索救援、可见光/热辐射侦察和前沿空中控制等场合,其潜在民用领域则包括灾害监测、自然资源勘探、空中执法、运输管道和电力线路巡视、广域气候监控、空中摄像、通信和数据中继。

趋势:作为动力系统的集大成者,未来终将无人机市场的占据大半壁江山。

优点:1. 电机更为小型化;2. 效率高;3. 航时长;4. 起飞便捷;5. 爬升性能强。

缺点:系统复杂,故障率高,尚未投入大规模使用,但未来终将无人机市场的占据大半壁江山。

结语:一如汽车的发展史,无人机也在时间的车轮下滚滚前进,不断发展演变。据说,林林总总的无人机动力系统,都能归入到这几大类之中。

注:本文主体内容转载自泡泡网《科技解密:无人机的动力系统之进化实录》(原文链接:http://www.pcpop.com/doc/1/1115/1115454.shtml


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