2.3　動(dòng)力

無(wú)人機(jī)按動(dòng)力的不同分為油動(dòng)無(wú)人機(jī)、電動(dòng)無(wú)人機(jī)、油電混合無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖2-3-1～圖2-3-3），常用的電池有鋰電池、氫燃料電池、太陽(yáng)能電池（見(jiàn)圖2-3-4～圖2-3-6）。

2.3.1　常用動(dòng)力系統(tǒng)

小型無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖2-3-7）的動(dòng)力系統(tǒng)主要以電動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖2-3-8）為主。電動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)主要包含電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳以及電池。

電機(jī)是指將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種轉(zhuǎn)換器，由定子、轉(zhuǎn)子、鐵芯、磁鋼這幾個(gè)主要部分組成。電機(jī)分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，無(wú)人機(jī)的電機(jī)主要以無(wú)刷電機(jī)為主。無(wú)刷電機(jī)一頭固定在機(jī)架力臂的電機(jī)座上，另一頭固定螺旋槳，通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向下的推力。

電調(diào)是指電子調(diào)速器，其主要作用是將飛控板的控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮∫钥刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速，包括有刷電機(jī)電調(diào)和無(wú)刷電機(jī)電調(diào)（見(jiàn)圖2-3-9）。

螺旋槳（見(jiàn)圖2-3-10）是指將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力或升力的裝置。螺旋槳有兩個(gè)重要的參數(shù)，即槳直徑和槳螺距，通常直徑單位是英寸（1英寸等于2.54厘米）、螺距單位是毫米，常用的8045槳就是指直徑8in、螺距45mm的槳。

無(wú)人機(jī)上的電池一般是高倍率鋰聚合物電池（見(jiàn)圖2-3-11），特點(diǎn)是能量密度大、重量輕、耐電流數(shù)值較高等。

以上就是小型無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的組成部分，這些部分共同組成了無(wú)人機(jī)中極其重要的動(dòng)力系統(tǒng)。

普通無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)通常有電動(dòng)機(jī)以及內(nèi)燃機(jī)兩種，其中以電動(dòng)機(jī)為主，見(jiàn)圖2-3-8。動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)部分之間是否匹配、動(dòng)力系統(tǒng)與整機(jī)是否匹配，直接影響到整機(jī)效率、穩(wěn)定性，所以說(shuō)動(dòng)力系統(tǒng)是至關(guān)重要的。不同大小、負(fù)載的機(jī)架需要配合不同規(guī)格、功率的電機(jī)，電機(jī)并不是越大越好，效率是最關(guān)鍵的因素。單獨(dú)的電機(jī)并不能工作，需要配合電調(diào)（見(jiàn)圖2-3-9），電調(diào)用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。與電機(jī)一樣，不同負(fù)載的動(dòng)力系統(tǒng)需要配合不同規(guī)格的電調(diào)，雖然電調(diào)用大了沒(méi)太大影響，但電調(diào)大了機(jī)體自然也就重了，效率自然也不會(huì)提高。螺旋槳是直接產(chǎn)生推力的部件，同樣是以追求效率為第一目的。匹配的電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳搭配，可以在相同的推力下耗用更少的電量，這樣就能延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。圖2-3-10的螺旋槳是有正反兩種方向的，因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反扭力，會(huì)導(dǎo)致機(jī)架反向旋轉(zhuǎn)，而通過(guò)一個(gè)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)、一個(gè)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)就可以互相抵消這種反扭力，相對(duì)應(yīng)的螺旋槳的方向也就相反了。現(xiàn)今無(wú)人機(jī)的電池主要以鋰聚合物電池（見(jiàn)圖2-3-11）為主，手機(jī)領(lǐng)域也有部分使用鋰聚合物電池的，但這些電池的充、放電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及無(wú)人機(jī)的這些電池。而由于這些電池用于無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，所以也被叫作“動(dòng)力電池”。

2.3.2　電調(diào)

電調(diào)是無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的核心器件。電調(diào)全名電子調(diào)速器，英文名簡(jiǎn)稱ESC，其在無(wú)人機(jī)上的主要作用是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其相當(dāng)于汽車的變速箱。電調(diào)按功能分為兩種，一種帶BEC（BEC即穩(wěn)壓模塊，一般是5V穩(wěn)壓給飛控或者接收機(jī)供電），一種不帶BEC。多旋翼無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖2-3-12）的多數(shù)不帶BEC，航模則一般用帶BEC的。按種類特征的不同，電調(diào)可以分為單向電調(diào)和雙向電調(diào)。單向電調(diào)不能改變信號(hào)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，雙向電調(diào)則可以控制電機(jī)反轉(zhuǎn)（一般用在競(jìng)速型的3D機(jī)上，可以使競(jìng)速機(jī)做3D動(dòng)作）。

電調(diào)的選配應(yīng)注意以下5方面問(wèn)題。①應(yīng)關(guān)注電調(diào)可以通過(guò)的電流的大小。應(yīng)根據(jù)電機(jī)的最大電流來(lái)選配且只能高不能低（一般高5A或者10A）；應(yīng)遵守電調(diào)的規(guī)格規(guī)定；應(yīng)留有余量，低了會(huì)燒電調(diào)，太高則價(jià)格太貴。②應(yīng)注意是否帶剎車。競(jìng)速機(jī)選擇帶剎車的會(huì)比較靈活，普通機(jī)帶不帶剎車無(wú)所謂。③應(yīng)關(guān)注是否帶過(guò)流保護(hù)。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)轱w行的時(shí)候沒(méi)法保證不摔機(jī)，當(dāng)電機(jī)被卡住堵轉(zhuǎn)的時(shí)候電流會(huì)非常大，此時(shí)帶過(guò)流保護(hù)的不會(huì)燒電調(diào)。④應(yīng)關(guān)注響應(yīng)速度問(wèn)題。電調(diào)就和汽車變速箱一樣，響應(yīng)速度快自然是靈敏的，響應(yīng)速度慢就像老爺車一樣跑不動(dòng)。⑤應(yīng)關(guān)注電壓?jiǎn)栴}。電壓高了會(huì)燒電調(diào)，電壓低了則帶不動(dòng)（一定要和電機(jī)匹配）。

2.3.3　動(dòng)力源

要不斷推動(dòng)無(wú)人機(jī)飛行性能的發(fā)展，動(dòng)力系統(tǒng)的體積必須越來(lái)越小、重量必須越來(lái)越輕。當(dāng)涉及功率密度時(shí)可以發(fā)現(xiàn)許多瓶頸問(wèn)題。鋰聚合物（Li-Po）和鋰離子（Li-ion）電池的體積已經(jīng)變得很小，價(jià)格也在人們的承受范圍之內(nèi)。這歸因于手機(jī)行業(yè)的發(fā)展。因此這類電池被廣泛使用，故絕大多數(shù)（96%）的無(wú)人機(jī)都使用電池作為動(dòng)力源。如果僅僅是為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)增加電池?cái)?shù)量，并不能延長(zhǎng)其飛行時(shí)間以及擴(kuò)展其負(fù)載能力。鑒于特定的能源現(xiàn)狀，想實(shí)現(xiàn)更高的有效載荷和更長(zhǎng)的飛行時(shí)間就需要考慮以下2個(gè)因素，即質(zhì)量比能和體積比能，質(zhì)量比能是指每單位質(zhì)量所具有的能量，體積比能是指每單位體積所具有的能量。當(dāng)然，僅僅考慮能量源并不是正確的方式，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)（能源+推進(jìn)系統(tǒng)）都會(huì)影響飛行的性能。如果推進(jìn)系統(tǒng)（比如渦輪或燃料電池）非常沉重則具有極高能量密度的能源（比如煤油或H₂）并不會(huì)起到什么作用。另外，推進(jìn)系統(tǒng)的效率因素也有很大的不同，電池供電系統(tǒng)可將73%的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，燃料電池可將44%的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，而燃料發(fā)動(dòng)機(jī)則僅有39%的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。另一個(gè)影響能源用途的因素是其預(yù)期的使命，比如無(wú)人機(jī)應(yīng)該飛行的時(shí)間更長(zhǎng)還是攜帶更高的負(fù)荷；無(wú)人機(jī)應(yīng)該在有限的半徑內(nèi)飛行還是在遙遠(yuǎn)的云層之上飛行；這些問(wèn)題對(duì)能源的選擇有很大的影響，不同的操作方案要選擇不同的能量源。

（1）鋰電池

鋰電池有很多優(yōu)勢(shì)，例如充電方便、在大多數(shù)情況下可以沒(méi)有限制條件地進(jìn)行運(yùn)輸、沒(méi)有溢出或發(fā)熱的情況、通過(guò)更換電池塊可以很容易地完成能量補(bǔ)充。對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，Li-Po和Li-Ion是最常見(jiàn)的動(dòng)力源，但這并不是唯一的選擇。鋰亞硫酰氯電池（Li-SOCl₂）與Li-Po電池相比，其每千克的能量密度是Li-Po電池的2倍多，而鋰空氣電池（Li-air）每千克的能量密度則是Li-Po電池的7倍多，但這兩種電池卻沒(méi)有得到廣泛的使用，其原因是價(jià)格太高。鋰硫電池（Li-S）可能會(huì)被Li-Ion電池代替，因?yàn)長(zhǎng)i-Ion電池具有高能量密度，還可以減少硫的使用。

（2）氫燃料電池

氫燃料電池有很多優(yōu)點(diǎn)，比如沒(méi)有直接污染、沒(méi)有聲音。將液態(tài)H₂與鋰離子電池的能量密度相比較，它們之間的系數(shù)比是150，僅此一點(diǎn)就足以使氫燃料無(wú)人機(jī)進(jìn)軍市場(chǎng)。燃料電池開(kāi)發(fā)商巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)的子公司Protonex向波音公司的子公司Insitu提供了他們的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池。波音公司生產(chǎn)了軍用級(jí)和工業(yè)級(jí)的長(zhǎng)航時(shí)固定翼無(wú)人機(jī)，比如“Phantom Eye”和“Scan Eagle”。FSTD Singapore已經(jīng)在固體氫的需求動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了突破。機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)商H₃ Dynamics也發(fā)布了其手動(dòng)發(fā)射的固定翼無(wú)人機(jī)“Hy wings”的情況，這款無(wú)人機(jī)可以飛行10h，飛行范圍可達(dá)500km。Horizon Unmanned System公司發(fā)布的Hycopter無(wú)人機(jī)可以在零負(fù)載的情況下飛行4h，在負(fù)載約0.9kg的情況下飛行2.5h。Micro Multi Copter Aero Technology（MMC）公司專門(mén)為無(wú)人機(jī)推出商業(yè)化氫燃料電池“H-1燃料電池”。此外，MMC還設(shè)計(jì)和制造了世界上第一個(gè)氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)“Hy Drone1550”。蒙特利爾某能源技術(shù)公司的“H₂ Quad-1000”在有效載荷1kg的情況下可以飛行2h。Intelligent Energy也在銷售燃料電池動(dòng)力無(wú)人機(jī)，其聲稱“Intelligent Energy的風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)在氫氣和環(huán)境空氣的基礎(chǔ)上運(yùn)行，產(chǎn)生清潔直流電源，而電池本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕但很堅(jiān)固，并具有成本效益，這種電池要比以鋰電池為基礎(chǔ)的系統(tǒng)能量質(zhì)量比更高并且可以在幾分鐘內(nèi)充滿電”。

（3）汽油、煤油、甲醇、乙醇、液化石油氣、丙烷

目前有許多成熟可用的汽油動(dòng)力解決方案，其中的一些也具有卓越的飛行性能。UAV Factory公司的“Penguin C”固定翼無(wú)人機(jī)在油箱加滿時(shí)可以飛行超過(guò)20小時(shí)，Siebel的“CAMCOPTERS-100”在油箱裝滿時(shí)可以飛行6個(gè)小時(shí)。這種能量源的優(yōu)勢(shì)在于高質(zhì)量能量密度（W·h/kg）和體積能量密度（W·h/L）的結(jié)合。與Li-Po電池相比，汽油的質(zhì)量密度是其48倍，而容積密度是其13倍。此外，內(nèi)燃機(jī)堅(jiān)固、小巧、重量輕，具有良好的耗油率。在耐力問(wèn)題上，汽油動(dòng)力無(wú)人機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是隨著時(shí)間的推移其重量減輕并使平臺(tái)更輕，從而增加了飛行范圍。

（4）氣電混合物

加拿大Pegasus Aeronautics公司和德國(guó)柏林YEAIR公司的產(chǎn)品是氣電混合引擎的最佳代表。兩家公司將電動(dòng)機(jī)的快速反應(yīng)和汽油動(dòng)力飛行的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在了一起。

（5）太陽(yáng)能

過(guò)去幾年中，太陽(yáng)能電池的效率不斷增加，從10%到近46%，達(dá)到了約175W/m²的單位面積功率。很顯然，這需要整個(gè)機(jī)翼的表面覆蓋大面積的太陽(yáng)能板，這樣就可以和多旋翼無(wú)人機(jī)一樣進(jìn)行正常的工作。硅谷的高科技公司也在探索太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的潛力，F(xiàn)acebook希望通過(guò)其“Aquila”（高空、長(zhǎng)航時(shí)）太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶向世界偏僻的角落，另外，還有谷歌現(xiàn)已解散的Titan項(xiàng)目。空客的“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)是一個(gè)高海拔的偽衛(wèi)星（HAPS），可用來(lái)填補(bǔ)衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)之間的能力差距。“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)通過(guò)太陽(yáng)能運(yùn)行，可以在高于對(duì)流層天氣和商業(yè)空中交通的位置飛行，它的飛行高度可達(dá)21000m。Open Robotix Labs正在開(kāi)發(fā)一款Mars航空車“XSOL-E1”，這是一款以太陽(yáng)能提供動(dòng)力的四軸飛行器，公司的一位發(fā)言人介紹其飛行時(shí)間取決于很多因素，但一般情況下可通過(guò)太陽(yáng)能輔助技術(shù)將原來(lái)的15min的飛行擴(kuò)展到40～45min。

（6）太陽(yáng)能混合物

太陽(yáng)能混合物（太陽(yáng)能+電池）的耐力驚人。Alta Devices和Power Oasis已經(jīng)宣布他們正合作研發(fā)世界上第一個(gè)集成太陽(yáng)能和Li-Ion電池供電系統(tǒng)的小型無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)的參考架構(gòu)為2～4m，使用5S～7S鋰離子電池。

（7）系留系統(tǒng)

系留系統(tǒng)可以在一個(gè)小半徑范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)限期的飛行，是監(jiān)視和偵察的完美選擇。MMC公司的“T1”系留系統(tǒng)可以支持多數(shù)無(wú)人機(jī)，比如MMC的“TDrone1200”、大疆的“Matrice600”、DJI的“S1000”、Yuneec的“TyphoonH”、Intel的“Falcon8+”、Microdrones的“md4-1000”等。Bluevigil、Elistair、Drone Aviation Corp和SPH Engineering這些公司也有類似的項(xiàng)目。

（8）超級(jí)電容

石墨的單原子層會(huì)將超級(jí)電容提升到新的高度。2015年2月，通用電氣公司贊助超級(jí)電容的研究工作。內(nèi)燃機(jī)、燃料電池之類的初級(jí)能源作為低功率的持續(xù)動(dòng)力源可以很好地工作，但不能有效地處理峰值功率或回收能源，因?yàn)樗鼈兎烹姾统潆姸际志徛３?jí)電容器在峰值功率需求下可以提供快速爆發(fā)的能量，然后迅速存儲(chǔ)能量并捕獲可能會(huì)丟失的剩余動(dòng)力。電容看起來(lái)似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電池的能量密度，但其似乎是一種超級(jí)的媒介物，可提升敏捷的油電混合動(dòng)力配置。

（9）激光

Laser Motive公司已經(jīng)研發(fā)出無(wú)人機(jī)功率鏈技術(shù)，即一種配備了激光接收器的功率光束無(wú)人機(jī)。2012年，洛克希德馬丁公司在Laser Motive的協(xié)助下展示了“Stalker”無(wú)人機(jī)，這款無(wú)人機(jī)在激光充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上持續(xù)飛行了48h。Stalker的項(xiàng)目經(jīng)理Tom Koonce說(shuō)“像這樣的地對(duì)空系統(tǒng)可以讓我們?yōu)镾talker提供幾乎無(wú)限的飛行耐力并擴(kuò)展Stalker可以完成的任務(wù)范圍” 。德國(guó)的Ascending Technologies公司與Laser Motive在2010年通過(guò)一架小型無(wú)人機(jī)證明了這項(xiàng)技術(shù)的效率，這架小型四軸飛行器持續(xù)飛行了12h。

所有的無(wú)人機(jī)能量源在特定的任務(wù)中都有著各自的優(yōu)勢(shì)。混合解決方案（能量源和推進(jìn)系統(tǒng)）符合向清潔能源過(guò)渡的需求。由于混合物可以均衡利弊成為一種單獨(dú)的技術(shù)，所以將兩個(gè)領(lǐng)域中最好的物質(zhì)相結(jié)合似乎是一個(gè)明智的選擇。此外，從其他領(lǐng)先的領(lǐng)域（比如汽車）中也可以看到這是一種明智的舉動(dòng)，尤其是當(dāng)涉及降低未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的成本時(shí)。