在無人機領域，雖然視覺定位、高清圖傳、感知壁障等一系列先進技術不斷發(fā)展，續(xù)航這個根本問題卻始終沒有得到有效解決。
市面上的消費級無人機續(xù)航時間普遍在30分鐘以內，如果是經驗老道的飛手可能還能比較充分的利用這20多分鐘，但是新手如果不能很好的節(jié)約能源，從無人機開機到起飛可能就需要好幾分鐘，再加上返航的時間，無人機根本飛不了多遠。
電力巡線、警用偵察、搜索救援等工業(yè)級無人機對續(xù)航時間的要求更高，有業(yè)內人士表示，航時是工業(yè)級無人機解決一切作業(yè)難題的先決條件，一旦解決了航時問題，將會極大地擴展工業(yè)級無人機的應用場景和用途。
無人機的飛行原理不同于民航客機，客機可以靠機翼上下的空氣壓強差提供垂直方向的力，實現客機的飛行。大部分無人機是多旋翼飛行器，完全依靠螺旋槳的拉力把機身提起來，屬于自己把自己提起來，意味著小小機身卻需要大量能量來維持動力。
鋰電池是無人機最常見的動力來源，可由于能量密度的限制，目前不可能取得大的突破，所以無人機想要解決續(xù)航問題，只能從別的方向下手。
氫燃料電池
氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫在陽極變成氫離子(質子)通過電解質轉移到陰極，同時放出電子通過外部的負載到達陰極，與氧氣發(fā)生反應生成水。
氫燃料電池工作原理示意圖/圖 來源網絡
燃料電池一直以能量密度大著稱，目前已經有氫燃料電池應用于無人機。類似于“飛行時間破了記錄，把飛手都飛哭了”的事件已經見諸報端。那么，氫燃料電池是不是解決無人機續(xù)航的理想方案呢?
去年，英國智能能源 (Intelligent Energy) 公司宣布創(chuàng)造了一種針對小型無人機的最優(yōu)化燃料電池，通過在典型電池里添加氫燃料電池，公司表示它能夠將無人機的飛行時間從20分鐘擴展到至少2小時。由于利用壓縮氫可以對電池進行充電，因此對耗盡的電池更換新燃料只需幾分鐘即可完成，相比之下對典型的無人機電池進行再充電需要40分鐘至1小時。
今年2月份，蘇格蘭海洋科學協(xié)會(SAMS)在蘇格蘭機場成功進行了第一架使用固態(tài)氫動力系統(tǒng)無人機的飛行測試，起飛10分鐘運行200英尺，并平穩(wěn)著陸。它采用的是Cella公司的氫動力氣體發(fā)生器和Arcola集成的燃料電池。這個電池的運行原理為：氣體發(fā)生器使用專有的固態(tài)物質，將該物質加熱到 100℃以上時可將釋放出大量的氫氣。
在國內，武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司于2014年底就開始嘗試在無人機上應用燃料電池技術，2016年3月，搭載眾宇動力燃料電池系統(tǒng)HyLite®的六旋翼無人機在野外實際飛行中實現了4小時33分的續(xù)航能力。
氫燃料的高效能有目共睹，其發(fā)電效率通常能達到32%至70%，所提供的續(xù)航能力遠超鋰電池。但氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)成本高、可靠性和耐久性低、供氫系統(tǒng)成本高等，都是掣肘氫燃料電池發(fā)展的主要因素。
太陽能動力
太陽能同樣被無人機行業(yè)所看好，“動力陽光”使用太陽能作為動力環(huán)球飛行的消息更是讓航空業(yè)為之振奮。無人機界最著名的太陽能無人機當屬Facebook的聯(lián)網無人機Aquila，其目標就是在空中持續(xù)飛行90天。
Facebook聯(lián)網無人機Aquila/圖 來源網絡
自上世紀八十年代，人們就開始對太陽能飛機的嘗試，其中多款有人駕駛飛機和無人機在航空業(yè)上，留下了重要一筆。
此外，今年4月，美國Alta Devices公司宣布將太陽能電池轉化效率的記錄提高到了31.6%，創(chuàng)造世界紀錄。這一突破將重新定義太陽能電池的使用，尤其是在無人機市場的使用。據公司介紹，對于典型的高空長航時無人機，Alta Devices的薄膜材料與其它薄膜技術相比，產生相同能量時，所需的面積不到其一半，重量也只有其四分之一。
雖然可以大幅延長續(xù)航時間，但太陽能無人機過于受到環(huán)境影響，且面臨著諸多技術瓶頸：1.設計問題,包括適合加載太陽能基材的飛機設計、大展弦比機翼結構設計、無人機控制等等。2動力問題，我國業(yè)內對于太陽能電池陣列與系統(tǒng)的耦合研究較少，嚴重地制約了長航時無人機的電源整體論證，對無人機總體的飛行程序、任務軌跡、飛行動力的確定造成了較大的困難。而且，由于目前太陽能電池的國內轉換效率還集中在18.5%-21%，電池的厚度在200—260μm，電池的轉換效率和面密度水平有待進一步提升。
超級軟磁
華博易造日前推出了一款新型材料——“易造”超級軟磁，并與汽車公司達成合作，將為其首批打造50萬臺新能源車的輪軸電機，而且將在3年內擴大到500萬臺。
業(yè)內人士稱，與傳統(tǒng)材料不同，這一超級軟磁新材料有望在綜合性能、設計思路及工藝路線等多方面顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)，讓電機、變壓器、逆變器變得更輕、更小、更高效，或將為電動汽車、無人機、航天、醫(yī)療器械、空調、輸變電、輪船等諸多領域帶來革命性的轉變。
易造高密度超級電機/圖 來源網絡
“易造”超級軟磁因其密度和磁通量的可調節(jié)性及天然粉末狀的外形特征，只需簡單的冷壓和燒結工藝讓高端制造變得非常容易，其核心原因在于易造材料的飽和磁通量可達到2.06特斯拉、壓制密度高達7.69c?，遠超軟磁材料最高標準創(chuàng)立者日本日立非晶材料(日本日立非晶材料的實際測得最高飽和磁通量為1.64特斯拉、密度為7.18g/c?)。
另據易造研究院首席研究員黃穗介紹，軟磁材料還具備輕小的優(yōu)勢，以市面上某國際知名品牌純電動車為例，其設計值是整車重量950公斤，但是實際上線銷售后，整車重量 1120公斤左右，如果使用易造輪軸電機作為改良的話，可以把整車重量降到約650公斤，在其他參數不變的情況下，續(xù)航里程能翻倍。
從報道來看，易造材料的優(yōu)勢和前景都比較可觀，產業(yè)化的消息更是讓業(yè)內為之興奮，基于這種超級軟磁而制造的電機、變壓器等產品，能否解決包括電動汽車、無人機在內的眾多領域的續(xù)航短、功效低等核心問題，待控股集團50萬臺新能源汽車問世后，或許就可以得到初步答案。
石墨烯材料
石墨烯是一種超薄的材料，其厚度只有頭發(fā)絲的幾十萬分之一，但堅實程度卻是鋼的200倍，具有優(yōu)良的導熱性能、力學性能、較高的電子遷移率、較高的比表面積和量子霍爾效應等性質。
石墨烯結構/圖 來源網絡
憑借著極薄、強韌、導電導熱性好等優(yōu)越性能，石墨烯一經問世便成為21世紀最有前途的新材料，被認為可廣泛應用于微電子、物理、能源材料、化學、生物醫(yī)藥、航空航天、環(huán)保等領域。
樂觀的觀點認為，在制造工藝中加入石墨烯后，智能手機的觸摸屏或將更薄、更輕，卻又不易碎;手機充電或許只要幾秒鐘;計算機處理器的運轉速度或將提高數百倍等等。2014年有報道稱，西班牙Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學合作研制出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是當時市場最好產品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。
試想，如果石墨烯能應用于無人機，或許也將有助于減輕無人機自重，同時提供長時間的續(xù)航。
然而，我們也經常能聽到“石墨烯在鋰電池上的應用前景渺茫”、 “從實驗室到工廠再到市場，它還有很遠的路要走”等一系列并不看好該材料的聲音。清華能源互聯(lián)網研究員劉冠偉表示，“石墨烯電池”這個技術接近于不存在，石墨烯只有在理論上能夠提高充放電速率，而對于容(能)量的提升基本沒有任何幫助，其噱頭意義遠大于實用價值。而且石墨烯材料本身納米材料的高比表面積等性質與現在的鋰離子電池工業(yè)的技術體系是不兼容的，應用的希望十分渺茫。
另外，制備技術難題也是桎梏石墨烯產業(yè)化的一大障礙。曼徹斯特大學的教授們首次提取出石墨烯，是直接從石墨中剝離而來，但這種傳統(tǒng)方式顯然不適用于大規(guī)模生產。后續(xù)，化學氣相沉積法(CVD)、溶劑剝離法、液相氧化還原法等工藝手段相繼誕生，但在質量、成本、產率等方面各有優(yōu)劣。目前，科學家們依然在尋找最佳的產業(yè)化制備方法。
系留無人機
不用于前面的新材料和新能源，系留無人機的特點主要在于結構和技術。
無論國內外，均已出現了很多系留無人機平臺。比如，CyPhy Works公司的無人機Parc，采用六旋翼，搭載了高分辨率紅外相機，可以在夜間進行拍攝，其下方由一種系覽連接，不僅可以時刻和外界保持數據傳輸(數據傳輸速率為10Mbps)，還可以源源不斷地從外部發(fā)電機、車輛、或者其他設備獲得電力。
無人機Parc/圖 來源網絡
據CyPhy Works公司網站介紹，這種無人機技術最早是為軍方打造的，由于采用有線傳輸數據，無人機與地面控制站相連后，兩者之間的通訊將無法被攔截，因為可以有效保護通信安全。
這種系留結構對于系覽的重量、載流量、耐電壓能力、抗拉力等要求較高，且還有一個明顯的弊端就是無人機無法飛的太遠。
目前市面上的多旋翼無人機主要采用鋰聚合物電池作為主要動力，續(xù)航能力一般在20分鐘至30分鐘之間，因技術方面不同有所差別，大部分續(xù)航時間都是在45分鐘以內。航時的限制對無人機的推廣應用產生了重要影響，延長續(xù)航一直是業(yè)內最為棘手的難題。以上幾種方案，有些還處于理論階段，有些正邁向產業(yè)化進程，也有則已經開始投入應用。技術的發(fā)展成熟總是一個漫長過程，從實驗室到市場，無人機還有更廣闊的未來值得探索。(來源|宇辰網)
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