(原標(biāo)題:哪一種材料更能解決無人機續(xù)航的難題呢?)
無人機的續(xù)航時間一直是被人詬病,以目前的技術(shù),無人機續(xù)航時間普遍在30分鐘內(nèi)。那么針對這一痛點,哪一種材料更能解決無人機續(xù)航的問題呢?
在無人機領(lǐng)域,雖然視覺定位、高清圖傳、感知壁障等一系列先進技術(shù)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(nèi),如果是經(jīng)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(yuǎn)。
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(nèi)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(yīng)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(xiàn)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(xué)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(yīng),把氫和氧分別供給陰極和陽極,氫在陽極變成氫離子(質(zhì)子)通過電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陰極,同時放出電子通過外部的負(fù)載到達陰極,與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。
燃料電池一直以能量密度大著稱,目前已經(jīng)有氫燃料電池應(yīng)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(jīng)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?qū)o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(xué)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(zhì),將該物質(zhì)加熱到100℃以上時可將釋放出大量的氫氣。
在國內(nèi),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(yīng)用燃料電池技術(shù),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(xiàn)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(yuǎn)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(dāng)屬Facebook的聯(lián)網(wǎng)無人機Aquila,其目標(biāo)就是在空中持續(xù)飛行90天。
自上世紀(jì)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(zhuǎn)化效率的記錄提高到了31.6%,創(chuàng)造世界紀(jì)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(jù)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(shù)相比,產(chǎn)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(shù)瓶頸:1.設(shè)計問題,包括適合加載太陽能基材的飛機設(shè)計、大展弦比機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計、無人機控制等等。2動力問題,我國業(yè)內(nèi)對于太陽能電池陣列與系統(tǒng)的耦合研究較少,嚴(yán)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(wù)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(nèi)轉(zhuǎn)換效率還集中在18.5%-21%,電池的厚度在200—260μm,電池的轉(zhuǎn)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(nèi)擴大到500萬臺。
業(yè)內(nèi)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(shè)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?qū)殡妱悠嚒o人機、航天、醫(yī)療器械、空調(diào)、輸變電、輪船等諸多領(lǐng)域帶來革命性的轉(zhuǎn)變。
“易造”超級軟磁因其密度和磁通量的可調(diào)節(jié)性及天然粉末狀的外形特征,只需簡單的冷壓和燒結(jié)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(yuǎn)超軟磁材料最高標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(shè)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(shù)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(chǎn)業(yè)化的消息更是讓業(yè)內(nèi)為之興奮,基于這種超級軟磁而制造的電機、變壓器等產(chǎn)品,能否解決包括電動汽車、無人機在內(nèi)的眾多領(lǐng)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(dǎo)熱性能、力學(xué)性能、較高的電子遷移率、較高的比表面積和量子霍爾效應(yīng)等性質(zhì)。
憑借著極薄、強韌、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)越性能,石墨烯一經(jīng)問世便成為21世紀(jì)最有前途的新材料,被認(rèn)為可廣泛應(yīng)用于微電子、物理、能源材料、化學(xué)、生物醫(yī)藥、航空航天、環(huán)保等領(lǐng)域。
樂觀的觀點認(rèn)為,在制造工藝中加入石墨烯后,智能手機的觸摸屏或?qū)⒏?、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(zhuǎn)速度或?qū)⑻岣邤?shù)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(xué)合作研制出首例石墨烯聚合材料電池,其儲電量是當(dāng)時市場最好產(chǎn)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(yīng)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(jīng)常能聽到“石墨烯在鋰電池上的應(yīng)用前景渺茫”、“從實驗室到工廠再到市場,它還有很遠(yuǎn)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(wǎng)研究員劉冠偉表示,“石墨烯電池”這個技術(shù)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(yuǎn)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(zhì)與現(xiàn)在的鋰離子電池工業(yè)的技術(shù)體系是不兼容的,應(yīng)用的希望十分渺茫。
另外,制備技術(shù)難題也是桎梏石墨烯產(chǎn)業(yè)化的一大障礙。曼徹斯特大學(xué)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(chǎn)。后續(xù),化學(xué)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(zhì)量、成本、產(chǎn)率等方面各有優(yōu)劣。目前,科學(xué)家們依然在尋找最佳的產(chǎn)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(jié)構(gòu)和技術(shù)。
無論國內(nèi)外,均已出現(xiàn)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)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(shè)備獲得電力。
據(jù)CyPhy Works公司網(wǎng)站介紹,這種無人機技術(shù)最早是為軍方打造的,由于采用有線傳輸數(shù)據(jù),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(jié)構(gòu)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(yuǎn)。
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(shù)方面不同有所差別,大部分續(xù)航時間都是在45分鐘以內(nèi)。航時的限制對無人機的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了重要影響,延長續(xù)航一直是業(yè)內(nèi)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(chǎn)業(yè)化進程,也有則已經(jīng)開始投入應(yīng)用。技術(shù)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。