痛点聚焦:无人机续航问题如何解决?

宇辰网
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2016-09-06 19:32
[ 亿欧导读 ] 无人机的续航时间一直是被人诟病,以目前的技术,无人机续航时间普遍在30分钟内。那么针对这一痛点,哪一种材料更能解决无人机续航的问题呢?
无人机续航问题,无人机,续航,石墨烯 图片来自“视觉中国”

无人机领域,虽然视觉定位、高清图传、感知壁障等一系列先进技术不断发展,续航这个根本问题却始终没有得到有效解决。

市面上的消费级无人机续航时间普遍在30分钟以内,如果是经验老道的飞手可能还能比较充分的利用这20多分钟,但是新手如果不能很好的节约能源,从无人机开机到起飞可能就需要好几分钟,再加上返航的时间,无人机根本飞不了多远。

电力巡线、警用侦察、搜索救援等工业级无人机对续航时间的要求更高,有业内人士表示,航时是工业级无人机解决一切作业难题的先决条件,一旦解决了航时问题,将会极大地扩展工业级无人机的应用场景和用途。

无人机的飞行原理不同于民航客机,客机可以靠机翼上下的空气压强差提供垂直方向的力,实现客机的飞行。大部分无人机是多旋翼飞行器,完全依靠螺旋桨的拉力把机身提起来,属于自己把自己提起来,意味着小小机身却需要大量能量来维持动力。

锂电池是无人机最常见的动力来源,可由于能量密度的限制,目前不可能取得大的突破,所以无人机想要解决续航问题,只能从别的方向下手。

氢燃料电池

氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢在阳极变成氢离子(质子)通过电解质转移到阴极,同时放出电子通过外部的负载到达阴极,与氧气发生反应生成水。

无人机续航问题

燃料电池一直以能量密度大著称,目前已经有氢燃料电池应用于无人机。类似于“飞行时间破了记录,把飞手都飞哭了”的事件已经见诸报端。那么,氢燃料电池是不是解决无人机续航的理想方案呢?

去年,英国智能能源(Intelligent Energy)公司宣布创造了一种针对小型无人机的最优化燃料电池,通过在典型电池里添加氢燃料电池,公司表示它能够将无人机的飞行时间从20分钟扩展到至少2小时。由于利用压缩氢可以对电池进行充电,因此对耗尽的电池更换新燃料只需几分钟即可完成,相比之下对典型的无人机电池进行再充电需要40分钟至1小时。

今年2月份,苏格兰海洋科学协会(SAMS)在苏格兰机场成功进行了第一架使用固态氢动力系统无人机的飞行测试,起飞10分钟运行200英尺,并平稳着陆。它采用的是Cella公司的氢动力气体发生器和Arcola集成的燃料电池。这个电池的运行原理为:气体发生器使用专有的固态物质,将该物质加热到100℃以上时可将释放出大量的氢气。

在国内,武汉众宇动力系统科技有限公司于2014年底就开始尝试在无人机上应用燃料电池技术,2016年3月,搭载众宇动力燃料电池系统HyLite®的六旋翼无人机在野外实际飞行中实现了4小时33分的续航能力。

氢燃料的高效能有目共睹,其发电效率通常能达到32%至70%,所提供的续航能力远超锂电池。但氢燃料电池系统开发成本高、可靠性和耐久性低、供氢系统成本高等,都是掣肘氢燃料电池发展的主要因素。

太阳能动力

太阳能同样被无人机行业所看好,“动力阳光”使用太阳能作为动力环球飞行的消息更是让航空业为之振奋。无人机界最著名的太阳能无人机当属Facebook的联网无人机Aquila,其目标就是在空中持续飞行90天。

无人机续航问题

自上世纪八十年代,人们就开始对太阳能飞机的尝试,其中多款有人驾驶飞机和无人机在航空业上,留下了重要一笔。

此外,今年4月,美国Alta Devices公司宣布将太阳能电池转化效率的记录提高到了31.6%,创造世界纪录。这一突破将重新定义太阳能电池的使用,尤其是在无人机市场的使用。据公司介绍,对于典型的高空长航时无人机,Alta Devices的薄膜材料与其它薄膜技术相比,产生相同能量时,所需的面积不到其一半,重量也只有其四分之一。

虽然可以大幅延长续航时间,但太阳能无人机过于受到环境影响,且面临着诸多技术瓶颈:1.设计问题,包括适合加载太阳能基材的飞机设计、大展弦比机翼结构设计、无人机控制等等。2动力问题,我国业内对于太阳能电池阵列与系统的耦合研究较少,严重地制约了长航时无人机的电源整体论证,对无人机总体的飞行程序、任务轨迹、飞行动力的确定造成了较大的困难。而且,由于目前太阳能电池的国内转换效率还集中在18.5%-21%,电池的厚度在200—260μm,电池的转换效率和面密度水平有待进一步提升。

超级软磁

华博易造日前推出了一款新型材料——“易造”超级软磁,并与汽车公司达成合作,将为其首批打造50万台新能源车的轮轴电机,而且将在3年内扩大到500万台。

业内人士称,与传统材料不同,这一超级软磁新材料有望在综合性能、设计思路及工艺路线等多方面颠覆传统制造业,让电机、变压器、逆变器变得更轻、更小、更高效,或将为电动汽车、无人机、航天、医疗器械、空调、输变电、轮船等诸多领域带来革命性的转变。

无人机续航问题

“易造”超级软磁因其密度和磁通量的可调节性及天然粉末状的外形特征,只需简单的冷压和烧结工艺让高端制造变得非常容易,其核心原因在于易造材料的饱和磁通量可达到2.06特斯拉、压制密度高达7.69c㎥,远超软磁材料最高标准创立者日本日立非晶材料(日本日立非晶材料的实际测得最高饱和磁通量为1.64特斯拉、密度为7.18g/c㎥)。

另据易造研究院首席研究员黄穗介绍,软磁材料还具备轻小的优势,以市面上某国际知名品牌纯电动车为例,其设计值是整车重量950公斤,但是实际上线销售后,整车重量1120公斤左右,如果使用易造轮轴电机作为改良的话,可以把整车重量降到约650公斤,在其他参数不变的情况下,续航里程能翻倍。

从报道来看,易造材料的优势和前景都比较可观,产业化的消息更是让业内为之兴奋,基于这种超级软磁而制造的电机、变压器等产品,能否解决包括电动汽车、无人机在内的众多领域的续航短、功效低等核心问题,待控股集团50万台新能源汽车问世后,或许就可以得到初步答案。

石墨烯材料

石墨烯是一种超薄的材料,其厚度只有头发丝的几十万分之一,但坚实程度却是钢的200倍,具有优良的导热性能、力学性能、较高的电子迁移率、较高的比表面积和量子霍尔效应等性质。

无人机续航问题

凭借着极薄、强韧、导电导热性好等优越性能,石墨烯一经问世便成为21世纪最有前途的新材料,被认为可广泛应用于微电子、物理、能源材料、化学、生物医药、航空航天、环保等领域。

乐观的观点认为,在制造工艺中加入石墨烯后,智能手机的触摸屏或将更薄、更轻,却又不易碎;手机充电或许只要几秒钟;计算机处理器的运转速度或将提高数百倍等等。2014年有报道称,西班牙Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研制出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是当时市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。

试想,如果石墨烯能应用于无人机,或许也将有助于减轻无人机自重,同时提供长时间的续航。

然而,我们也经常能听到“石墨烯在锂电池上的应用前景渺茫”、“从实验室到工厂再到市场,它还有很远的路要走”等一系列并不看好该材料的声音。清华能源互联网研究员刘冠伟表示,“石墨烯电池”这个技术接近于不存在,石墨烯只有在理论上能够提高充放电速率,而对于容(能)量的提升基本没有任何帮助,其噱头意义远大于实用价值。而且石墨烯材料本身纳米材料的高比表面积等性质与现在的锂离子电池工业的技术体系是不兼容的,应用的希望十分渺茫。

另外,制备技术难题也是桎梏石墨烯产业化的一大障碍。曼彻斯特大学的教授们首次提取出石墨烯,是直接从石墨中剥离而来,但这种传统方式显然不适用于大规模生产。后续,化学气相沉积法(CVD)、溶剂剥离法、液相氧化还原法等工艺手段相继诞生,但在质量、成本、产率等方面各有优劣。目前,科学家们依然在寻找最佳的产业化制备方法。

系留无人机

不用于前面的新材料和新能源,系留无人机的特点主要在于结构和技术。

无论国内外,均已出现了很多系留无人机平台。比如,CyPhy Works公司的无人机Parc,采用六旋翼,搭载了高分辨率红外相机,可以在夜间进行拍摄,其下方由一种系览连接,不仅可以时刻和外界保持数据传输(数据传输速率为10Mbps),还可以源源不断地从外部发电机、车辆、或者其他设备获得电力。

无人机续航问题

据CyPhy Works公司网站介绍,这种无人机技术最早是为军方打造的,由于采用有线传输数据,无人机与地面控制站相连后,两者之间的通讯将无法被拦截,因为可以有效保护通信安全。

这种系留结构对于系览的重量、载流量、耐电压能力、抗拉力等要求较高,且还有一个明显的弊端就是无人机无法飞的太远。

目前市面上的多旋翼无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力,续航能力一般在20分钟至30分钟之间,因技术方面不同有所差别,大部分续航时间都是在45分钟以内。航时的限制对无人机的推广应用产生了重要影响,延长续航一直是业内最为棘手的难题。以上几种方案,有些还处于理论阶段,有些正迈向产业化进程,也有则已经开始投入应用。技术的发展成熟总是一个漫长过程,从实验室到市场,无人机还有更广阔的未来值得探索。

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