固定翼无人机续航技术研究进展_艾春南.pdf

基金项目：中法水域空间生态环境观测技术联合实验室项目；中法国际合作CoMix基金项目（2021-2022）收稿日期：20220510固定翼无人机续航技术研究进展*艾春南1，胡连信1，赵田田1，刘紫怡2，王泽峰1（1.湖州师范学院-湖州市水域机器人技术重点实验室，浙江湖州313000；2.湖州师范学院 信息工程学院，浙江湖州313000）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，在提升其总体性能方面有着重要应用价值。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，及在其基础上的使用成本、环境影响、能量转换和续航能力4个方面的综合发展情况进行了概述。同时对比分析以上5种方式，在固定翼无人机续航能力提升方面进行了论述。由此提出固定翼无人机应在利用清洁能源的基础上，使用新型轻薄气流感知材料，从而觉察外部气流，减轻自身重量，降低不必要的能量消耗，改善其续航能力的方案。最后，对未来固定翼无人机续航能力提升的发展方向进行了总结和展望。关键词：固定翼无人机；氢燃料电池；太阳能电池；激光供能；上升气流；长续航中图分类号：V279文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02000606Research Progress of Fixed-wing UAV Endurance TechnologyAi Chunnan1，Hu Lianxin1，Zhao Tiantian1，Liu Ziyi2，Wang Zefeng1（1.Huzhou Key Laboratory of Waters Robotics Technology,Huzhou University,Huzhou,Zhejiang 313000,China;2.Information Engineering College,Huzhou University,Huzhou,Zhejiang 313000,China）Abstract:Long endurance is an important guarantee to realize the characteristics of fixed-wing UAVs such as wide operating range,high flightaltitude and good stealth performance,and has important application value in improving their overall performance.It was outlined from theimpact of three energy supply methods,namely hydrogen fuel,solar energy and laser,and two different energy-saving methods,namelyaerodynamic layout and updraft utilization,on the long endurance of fixed-wing UAVs,and the comprehensive development of four aspects,namely cost of use,environmental impact,energy conversion and endurance,based on them.A comparative analysis of the above fiveapproaches was also discussed in terms of fixed-wing UAV range enhancement.Which led to a proposal that fixed-wing UAVs should use newlightweight airflow sensing materials based on clean energy,so as to perceive external airflow,reduce their own weight,reduce unnecessaryenergy consumption,and improve their range.Finally,the development direction of the future fixed-wing UAV range improvement wassummarized and prospected.Key words:fixed-wing UAV;hydrogen fuel cell;solar cell;laser power supply;updraft;long endurance2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.002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（02）：6-11.0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1。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。在各种应用行业，固定翼无人机在航速、续航、载重、航程，自身构造等多个方面有着独特优势，能够在多旋翼无人机无法适应的环境下完成相关的任务。对于环境保护方面固定翼无人机可以搭载氢燃料电池，能量释放量大、电池质量轻，可以实现其长续航的需求。如Intelligent Energy无人机配备轻型800 W燃料电池动力模块，电池质量仅0.93 kg2。氢燃料电池是通过使用燃料的方式来给无人机提供能量来源，然而在基于太阳能续航的无人机领域，Zephyr S在2018年创造了25天23 h 57 min的持续飞行记录，昼夜飞行高度2116.7 km，刷新了太阳能无人机最长续航时间记录3。太阳能无人机对于飞行的高度有要求，在低空领域通过激光供能的方式为其提供额外能量来源，激光照射无人机激光感应区域进行光电转换，以此提高其滞空时间，面向一个集群的时候运用较好的激光供能调度算法是提高其工作效率的关键4。上述情况都是外部直接增加有限能源的方式，从自身来看改变其气动性布局减小空气阻力从而降低能耗，提高电池效应，增加续航。刘靖5针对无人机的排气问题，进行了全机气动性减阻优化设计，在最大速度状态 6下生阻比增加0.44，气动阻力有明显改善。然而太阳能无人机造价成本较高，无人机存储氢燃料情况受阻，激光供能技术传输距离受限，相关技术不成熟，气动性布局仅仅改变本身的飞行特性降低飞行阻力。目前急需探索一种基于现有无人机实际情况且能充分利用环境中能量来实现无人机长续航降低能耗的新方法。1国内外研究现状1.1燃料电池无人机发展1.1.1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年美国NASA资助的“Hornet”燃料电池无人机，验证了氢燃料电池驱动飞行器的可能性，飞行时间达到15 min6。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7。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8。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9。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 h10。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 h11。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 h12。2014年以色列蓝鸟公司设计制造的“徘徊者B”燃料电池无人机续航时间达到了10 h13。2016年，新加坡ST Aerospace公司制造的Skyblade 360燃料电池无人机续航时间达到了 6 h14。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%15。国外燃料电池无人机续航发展如表1所示。1.1.2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 h16。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 h17。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 h18。同年宁夏优雷特公司与珠海晴航空航天科技公司合作完成的全球首架氢燃料电池倾转旋翼无人机试飞成功，在多旋翼状态下可以续航2 h，在固定翼情况下续航时间可以达到6 h19。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 h20。国内燃料电池无人机续航发展如表2所示。1.2太阳能无人机发展1.2.1国外燃料电池无人机发展在国外，1974年11月4日太阳能无人机Sunrise在太阳能电池的驱动下试飞成功，总重12.5 kg，完成了3 h的续航时间，标志着太阳能无人机时代的到来21。1975年9月12日Sunrise试飞成功，总重量为10.2 kg，该飞机在 Sunrise的基础上让无人机的电池效率提升了14%22。美 国 AC Propulsion 公 司 的 创 始 人，资 助 了“SoLong”太阳能无人机项目，该无人机的重量为5.6 kg，翼展为 4.75 m，加上太阳能电池总重量达到了 12.6 kg。为了极大地增加无人机的续航时间，6位飞手来远程控制该无人机，极大地避免空气中的下降气流，寻找上升气流，最终让该无人机在科罗拉多沙漠飞行了 48 h23。洛桑联邦理工学院设计制造的超轻太阳能自主无人机“天空水手”，该无人机翼展3.2 m，总重2.4 kg。2005年首次飞行成功，2008 年，续航时间高达 27 h24。2013年，美国 AeroVironment公司对燃料电池“PumaAE”无人机改造成为太阳能无人机，续航时间达到了9 h，自身重量只有6.5 kg25。2015年，瑞士苏黎世联邦理工大学制造的太阳能锂电池混合动力的无人机“AtlantikSo1ar”总的重量为6.9 kg，能够比较好地适应恶劣的气象条件，最终续航时间达到了 81.5 h，航程为 2 333 km26。2020年沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学纳泽克埃尔阿塔布等设计的波纹超柔性硅太阳能电池，根据“AtlantikSo1ar”无人机的飞行耐久性，对波纹电池和商用半柔性电池的性能进行了理论比较，前者比商用的半柔性电无人机HornetPuma离子虎EAV-1徘徊者BSkyblade 360学校/公司NASAAero Vironment美国海军实验室韩国宇宙航空研究院以色列蓝鸟新加坡ST Aerospace续航时间15 min7 h26 h4.5 h10 h6 h表1国外燃料电池无人机续航发展无人机飞越一号天行者HYDrone1800倾转旋