艾春南，胡連信，趙田田，劉紫怡，王澤峰※

（1.湖州師范學(xué)院-湖州市水域機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江湖州 313000；2.湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江湖州 313000）

0 引言

在《中國(guó)制造2025》的時(shí)代背景下，我國(guó)從固定翼無(wú)人機(jī)到多旋翼無(wú)人機(jī)得到井噴式的發(fā)展，從民用無(wú)人機(jī)到軍用無(wú)人機(jī)高速的發(fā)展[1]。固定翼無(wú)人機(jī)作為其中的一個(gè)小分支，因其在獲取地理信息數(shù)據(jù)、電力巡航、通信恢復(fù)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、物流運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)、救援搜救等領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。

在各種應(yīng)用行業(yè)，固定翼無(wú)人機(jī)在航速、續(xù)航、載重、航程，自身構(gòu)造等多個(gè)方面有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠在多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)法適應(yīng)的環(huán)境下完成相關(guān)的任務(wù)。對(duì)于環(huán)境保護(hù)方面固定翼無(wú)人機(jī)可以搭載氫燃料電池，能量釋放量大、電池質(zhì)量輕，可以實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)續(xù)航的需求。如Intelligent Energy 無(wú)人機(jī)配備輕型800 W 燃料電池動(dòng)力模塊，電池質(zhì)量?jī)H0.93 kg[2]。氫燃料電池是通過(guò)使用燃料的方式來(lái)給無(wú)人機(jī)提供能量來(lái)源，然而在基于太陽(yáng)能續(xù)航的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，Zephyr S 在2018 年創(chuàng)造了25 天23 h 57 min的持續(xù)飛行記錄，晝夜飛行高度21～16.7 km，刷新了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間記錄[3]。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)對(duì)于飛行的高度有要求，在低空領(lǐng)域通過(guò)激光供能的方式為其提供額外能量來(lái)源，激光照射無(wú)人機(jī)激光感應(yīng)區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以此提高其滯空時(shí)間，面向一個(gè)集群的時(shí)候運(yùn)用較好的激光供能調(diào)度算法是提高其工作效率的關(guān)鍵[4]。上述情況都是外部直接增加有限能源的方式，從自身來(lái)看改變其氣動(dòng)性布局減小空氣阻力從而降低能耗，提高電池效應(yīng)，增加續(xù)航。劉靖[5]針對(duì)無(wú)人機(jī)的排氣問(wèn)題，進(jìn)行了全機(jī)氣動(dòng)性減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)，在最大速度狀態(tài)下生阻比增加0.44，氣動(dòng)阻力有明顯改善。

然而太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)造價(jià)成本較高，無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)氫燃料情況受阻，激光供能技術(shù)傳輸距離受限，相關(guān)技術(shù)不成熟，氣動(dòng)性布局僅僅改變本身的飛行特性降低飛行阻力。目前急需探索一種基于現(xiàn)有無(wú)人機(jī)實(shí)際情況且能充分利用環(huán)境中能量來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)長(zhǎng)續(xù)航降低能耗的新方法。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 燃料電池?zé)o人機(jī)發(fā)展

1.1.1 國(guó)外燃料電池?zé)o人機(jī)發(fā)展

美國(guó)、英國(guó)、以色列、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家關(guān)于燃料電池?zé)o人機(jī)的研究比較早。2003 年美國(guó)NASA 資助的“Hornet”燃料電池?zé)o人機(jī)，驗(yàn)證了氫燃料電池驅(qū)動(dòng)飛行器的可能性，飛行時(shí)間達(dá)到15 min[6]。2004 年，由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)的燃料電池驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)，用于植被場(chǎng)地的遙感研究并且試飛成功[7]。同年美國(guó)航空航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室和佐治亞理工大學(xué)共同開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)燃料電池?zé)o人機(jī)的驗(yàn)證工具并對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)進(jìn)行了演示[8]。2008 年AeroVironment 公司使用Protonex 燃料電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)之前電動(dòng)無(wú)人機(jī)，讓“Puma”無(wú)人機(jī)達(dá)到了7 h 的長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航[9]。2009 年10 月美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室對(duì)“離子虎”無(wú)人機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，使得“離子虎”無(wú)人機(jī)最終飛行時(shí)間達(dá)到了23 h，并且在同年11 月飛行時(shí)間達(dá)到了26 h[10]。同年，以色列Israel Aerospace Industrie 公司改進(jìn)之前的無(wú)人機(jī)變成了燃料電池版，無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)到了6 h[11]。2010年韓國(guó)宇宙航空研究院設(shè)計(jì)制造的混合動(dòng)力燃料電池?zé)o人機(jī)“EAV-1”續(xù)航時(shí)間達(dá)到了4.5 h[12]。2014年以色列藍(lán)鳥(niǎo)公司設(shè)計(jì)制造的“徘徊者B”燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航時(shí)間達(dá)到了10 h[13]。2016 年，新加坡ST Aerospace 公司制造的Skyblade 360 燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航時(shí)間達(dá)到了6 h[14]。2021 年Metcalf A 等人研究了一種用于無(wú)人機(jī)（UAV）的內(nèi)燃機(jī)和固體氧化物燃料電池（SOFC）混合動(dòng)力系統(tǒng)，使用直接液體60/40 甲醇/硝基甲烷燃料的管狀SOFC 能夠產(chǎn)生550 mW/cm2以上的最大功率是當(dāng)前無(wú)人機(jī)續(xù)航記錄時(shí)間200%[15]。國(guó)外燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航發(fā)展如表1所示。

表1 國(guó)外燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航發(fā)展

1.1.2 國(guó)外燃料電池?zé)o人機(jī)發(fā)展

國(guó)內(nèi)關(guān)于燃料電池?zé)o人機(jī)的研究比較晚。2012 年燃料電池?zé)o人機(jī)“飛越一號(hào)”由同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院和上海奧科賽飛機(jī)有限公司聯(lián)合研發(fā)，其續(xù)航時(shí)間超過(guò)2 h[16]。2014 年5 月武漢眾宇動(dòng)力有限公司研發(fā)了一款名為“天行者”的燃料無(wú)人機(jī)，并且續(xù)航時(shí)間達(dá)到了12 h[17]。2016 年科比特航空科技有限公司發(fā)布了旗下的燃料電池旋翼無(wú)人機(jī)“HYDrone1800”續(xù)航4 h[18]。同年寧夏優(yōu)雷特公司與珠海晴航空航天科技公司合作完成的全球首架氫燃料電池傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)試飛成功，在多旋翼狀態(tài)下可以續(xù)航2 h，在固定翼情況下續(xù)航時(shí)間可以達(dá)到6 h[19]。2019 年12 月北京新研創(chuàng)新科技有限公司與中國(guó)航空合作研發(fā)的六旋翼燃料電池?zé)o人機(jī)，續(xù)航時(shí)間達(dá)到了5.5 h[20]。國(guó)內(nèi)燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航發(fā)展如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航發(fā)展

1.2 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展

1.2.1 國(guó)外燃料電池?zé)o人機(jī)發(fā)展

在國(guó)外，1974 年11 月4 日太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)SunriseI在太陽(yáng)能電池的驅(qū)動(dòng)下試飛成功，總重12.5 kg，完成了3 h的續(xù)航時(shí)間，標(biāo)志著太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)時(shí)代的到來(lái)[21]。1975年9 月12 日SunriseⅡ試飛成功，總重量為10.2 kg，該飛機(jī)在SunriseI 的基礎(chǔ)上讓無(wú)人機(jī)的電池效率提升了14%[22]。美國(guó)AC Propulsion 公司的創(chuàng)始人，資助了“SoLong”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，該無(wú)人機(jī)的重量為5.6 kg，翼展為4.75 m，加上太陽(yáng)能電池總重量達(dá)到了12.6 kg。為了極大地增加無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，6 位飛手來(lái)遠(yuǎn)程控制該無(wú)人機(jī)，極大地避免空氣中的下降氣流，尋找上升氣流，最終讓該無(wú)人機(jī)在科羅拉多沙漠飛行了48 h[23]。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計(jì)制造的超輕太陽(yáng)能自主無(wú)人機(jī)“天空水手”，該無(wú)人機(jī)翼展3.2 m，總重2.4 kg。2005 年首次飛行成功，2008 年，續(xù)航時(shí)間高達(dá)27 h[24]。2013年，美國(guó)AeroVironment 公司對(duì)燃料電池“PumaAE”無(wú)人機(jī)改造成為太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，續(xù)航時(shí)間達(dá)到了9 h，自身重量只有6.5 kg[25]。2015 年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)制造的太陽(yáng)能鋰電池混合動(dòng)力的無(wú)人機(jī)“AtlantikSo1ar”總的重量為6.9 kg，能夠比較好地適應(yīng)惡劣的氣象條件，最終續(xù)航時(shí)間達(dá)到了81.5 h，航程為2 333 km[26]。2020年沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)納澤克·埃爾·阿塔布等設(shè)計(jì)的波紋超柔性硅太陽(yáng)能電池，根據(jù)“AtlantikSo1ar”無(wú)人機(jī)的飛行耐久性，對(duì)波紋電池和商用半柔性電池的性能進(jìn)行了理論比較，前者比商用的半柔性電池重量更輕，飛行時(shí)間延長(zhǎng)10%[27]。國(guó)外太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)續(xù)航發(fā)展如表3所示。

表3 國(guó)外太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)續(xù)航發(fā)展

1.2.2 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展

我國(guó)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)起步較晚。2003 年珠海新概念航空器研發(fā)中心對(duì)于“綠色先鋒”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)進(jìn)行了試飛，續(xù)航時(shí)間達(dá)到了10 h[28]。2016 年由西北工業(yè)大學(xué)研制了“魅影”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，通過(guò)改變無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)性布局提高其飛行的效率，續(xù)航時(shí)間達(dá)到了16 h，并于2019 年達(dá)到了27.5 h[29]。2017 年由中國(guó)航天科技集團(tuán)第十一研究院自主研發(fā)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“彩虹”完成了臨近空間的飛行試驗(yàn)，高度可以達(dá)到20 km[30]。國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)續(xù)航發(fā)展如表4所示。

表4 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)續(xù)航發(fā)展

1.3 國(guó)內(nèi)外激光供能無(wú)人機(jī)的研究

2005 年美國(guó)NASA首次使用激光能量傳輸裝置使得無(wú)人機(jī)在空中持 續(xù) 飛 行[31]。2006 年 日本近畿大學(xué)利用光纖傳達(dá)能量的方式為帶有光伏電池的無(wú)人機(jī)提供了持續(xù)飛行的能量[32]。2012 年一架小型的無(wú)人機(jī)Stalker 加裝了激光傳輸能量裝置，最終完成了激光飛行的實(shí)驗(yàn)[33]。2016 年約翰·法基迪斯實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向距離達(dá)30 m 的太陽(yáng)能電池提供7.2 W 光功率的可行性，幾何損失率僅為2%[34]。激光供能無(wú)人機(jī)的示意圖如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)激光供能系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)在這個(gè)方面的研究還處在初步階段，先后有北京理工大學(xué)、山東航天電子技術(shù)研究所、南京航空航天大學(xué)、解放軍裝備學(xué)院、國(guó)防科技大學(xué)等參與相關(guān)的研究工作。2013 年北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了激光能量傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出最終的激光轉(zhuǎn)換為電能的效率到達(dá)了48%，總的傳輸效率達(dá)到了18%，驗(yàn)證了空間中激光能量傳輸?shù)目尚行訹35]。2014 年，山東航天電子技術(shù)研究院做了一個(gè)LWPT 子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)器件之間的距離為11m，輸出功率可以達(dá)到13.6 W。實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)移動(dòng)的飛艇之間的距離是50～100 m，相對(duì)的運(yùn)動(dòng)速度為5 m/s，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果為最大接收功率為13.4 W，傳輸?shù)男蕿?6%[36]。南京航空航天大學(xué)的楊雁南團(tuán)隊(duì)[37]在無(wú)人機(jī)上采用激光無(wú)線能量傳輸，在其傳輸過(guò)程中的每一步進(jìn)行效率的計(jì)算分析，驗(yàn)證了原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)可行性；軍械工程學(xué)院的劉曉光教授團(tuán)隊(duì)[38]，針對(duì)激光無(wú)線傳能無(wú)人機(jī)光伏電池接收器結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量研究，設(shè)計(jì)出了在不同均勻照度條件下的光伏電池接收機(jī)的結(jié)構(gòu)布置以及光伏電池列陣排列方式，成功構(gòu)建了光伏電池的動(dòng)態(tài)熱模型，并解析了光伏電池溫度變化和激光功率、風(fēng)速、溫度之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)。

1.4 總體氣動(dòng)性布局增加無(wú)人機(jī)續(xù)航

1.4.1 國(guó)外運(yùn)用外部氣流增加續(xù)航

無(wú)人機(jī)優(yōu)化氣動(dòng)性布局可以降低無(wú)人機(jī)能源的消耗從而增加續(xù)航時(shí)間。美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家研究在風(fēng)場(chǎng)梯度、湍流獲取和上升氣流獲取能量。美國(guó)NASA 研究中心的Michael J Allen 認(rèn)為提高自主飛機(jī)耐力的一種相對(duì)未被探索的方法是使用低層大氣中發(fā)現(xiàn)的浮力空氣羽流，稱為上升氣流或者是熱氣流，運(yùn)用一個(gè)固定寬度的螺旋路徑來(lái)搜索上升氣流，并且同時(shí)保持對(duì)表面目標(biāo)的視線，無(wú)人機(jī)自主尋找上升氣流，結(jié)果表明原本只能2 h 續(xù)航的無(wú)人機(jī)，最終在夏季最多可飛行14 h，冬季可飛8 h[39]。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)Daniel J Edwards and Larry M Silverberg 研究了一種新的方法來(lái)定位和允許滑翔機(jī)可以始終保持在對(duì)流上升氣流中，滑翔機(jī)ALOFT是第一架進(jìn)入到高空競(jìng)爭(zhēng)的自主翱翔飛機(jī)，在集中使用上升氣流的能力上優(yōu)于手動(dòng)飛行的飛機(jī)[40]。美國(guó)NASA蘭利研究中心研究表明振蕩氣流對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生推力的現(xiàn)象被稱為“Katzmayr Effect”效應(yīng)。氣流產(chǎn)生的湍流現(xiàn)象而引起的推力也常常會(huì)影響到無(wú)人機(jī)的滑翔過(guò)程[41]。賓夕法尼亞州立大學(xué)介紹了一種估計(jì)小型無(wú)人機(jī)所在風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)速變換率和風(fēng)場(chǎng)梯度的方法，為無(wú)人機(jī)使用無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速等因素而提出了一種新方式利用小型無(wú)人機(jī)傳感器套件估計(jì)動(dòng)態(tài)三維風(fēng)場(chǎng)的方法[42]。明尼蘇達(dá)大學(xué)提出了利用風(fēng)梯度實(shí)現(xiàn)的滑翔機(jī)動(dòng)態(tài)飆升的最佳模式，研究了滑翔機(jī)在風(fēng)梯度中的不同最優(yōu)動(dòng)態(tài)飆升模式，以及風(fēng)梯度坡度和非線性剖面變化對(duì)這些模式的影響[43]。明尼蘇達(dá)大學(xué)明尼阿波利斯分校研究了利用低空風(fēng)梯度來(lái)降低無(wú)人機(jī)燃料消耗的最優(yōu)動(dòng)力動(dòng)態(tài)飛行，確定了動(dòng)力無(wú)人機(jī)的兩種動(dòng)態(tài)飆升模式，對(duì)于較小風(fēng)速條件參數(shù)時(shí)，無(wú)人機(jī)沿著上升氣流爬升到一定的高度從而失去空速，最后會(huì)沿著風(fēng)下降從而獲得空速[44]。賓夕法尼亞州立大學(xué)提出了一種基于圖的方法來(lái)規(guī)劃在一組路徑上的節(jié)能軌跡的方法，引入了能量圖標(biāo)注出無(wú)人機(jī)從一點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)所需最小能量的路徑從而增加無(wú)人機(jī)的續(xù)航[45]。利用環(huán)境中的氣流情況提升續(xù)航如表5所示。

表5 利用環(huán)境中的氣流情況提升續(xù)航

1.4.2 國(guó)內(nèi)運(yùn)用外部氣流增加續(xù)航

國(guó)內(nèi)對(duì)于上升氣流的研究主要是在風(fēng)場(chǎng)梯度、運(yùn)用重力勢(shì)能、上升氣流來(lái)增加無(wú)人機(jī)續(xù)航的研究。國(guó)防科技大學(xué)王文龍[46]對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行建模，突出風(fēng)速和風(fēng)場(chǎng)梯度的空氣動(dòng)力效應(yīng)，利用數(shù)值求解不同風(fēng)場(chǎng)下飛行器的飛行情況，分析了風(fēng)速影響飛行器風(fēng)的梯度影響飛行器的姿態(tài)因素。單上求等[47]從理論上得出三維空間中機(jī)械能可以增加的最大范圍，推導(dǎo)出最大的機(jī)械能增加率。從而使得無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中可以獲得更加有利于獲取能量的方式得出最大的風(fēng)梯度、更小的阻力系數(shù)和更小的畫(huà)質(zhì)比。劉多能等[48]根據(jù)飛行器動(dòng)力學(xué)對(duì)梯度風(fēng)場(chǎng)中的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方程加以推導(dǎo)和簡(jiǎn)化處理，并分析最終結(jié)果逆風(fēng)爬升，而順風(fēng)下降則是無(wú)動(dòng)力滑行飛機(jī)的最基本獲能方法。高顯忠[49]提出了結(jié)合飛行器在飛行過(guò)程中的飛行方法，重點(diǎn)引入了基于重力勢(shì)能和風(fēng)梯度能量獲取的思路從而分析飛行器的性能影響的特征和規(guī)律。

2 無(wú)人機(jī)續(xù)航提升方式綜合分析

2.1 國(guó)內(nèi)外激光供能無(wú)人機(jī)的研究

燃料電池從最早的汽油類燃料，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在環(huán)保的氫燃料電池。氫燃料燃燒能量釋放大，最終生成水不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，產(chǎn)生二氧化碳。因其在空中燃燒運(yùn)行時(shí)需要氧氣的，當(dāng)無(wú)人機(jī)的上升高度很高時(shí)，故其在海拔較高的地方氧氣較為稀薄，燃料電池的燃燒效率不高，能耗的轉(zhuǎn)化率不高。氫燃料對(duì)其存放的環(huán)境比較苛刻，需要高壓存儲(chǔ)氫氣緩慢釋放氫氣給燃料電池使用。氫燃料雖然較輕，存儲(chǔ)起來(lái)所占的體積大，無(wú)人機(jī)的體積也會(huì)因此變大從而降低其靈活性。

2.2 基于太陽(yáng)能獲取能源的方式提高續(xù)航

固定翼無(wú)人機(jī)長(zhǎng)續(xù)航方面的研究，是可以在機(jī)翼上用上太陽(yáng)能電池板或者是太陽(yáng)能新材料來(lái)給無(wú)人機(jī)提供額外的動(dòng)力來(lái)源，太陽(yáng)能板機(jī)翼受限制較大。能源來(lái)源是利用太陽(yáng)光的輻射把光能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)到電池，提供給無(wú)人機(jī)使用。通過(guò)白天有太陽(yáng)光的時(shí)候，把電能存儲(chǔ)起來(lái)，夜間或者是陽(yáng)光不夠充足的情況下提供能量。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，能源來(lái)源對(duì)于環(huán)境友好，不會(huì)對(duì)全球溫室效應(yīng)產(chǎn)生影響。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)如表6所示。

表6 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

但是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)也是存在一些問(wèn)題如下：在長(zhǎng)時(shí)間的陰雨天的情況下飛行，其續(xù)航會(huì)受到影響，另外太陽(yáng)能板輕薄等關(guān)鍵技術(shù)制造難度大，造價(jià)高昂。太陽(yáng)能板的輕型無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用利用無(wú)人機(jī)各種感知傳感器從而實(shí)現(xiàn)固定翼無(wú)人機(jī)能耗的降低，因?yàn)樘?yáng)能板的加入增加了自身的重量，很大地影響了無(wú)人機(jī)的載重和無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航飛行。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是體積比較大，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)需要比較大面積的機(jī)翼來(lái)放置太陽(yáng)能板。太陽(yáng)能板現(xiàn)階段受限于光電材料的影響，光電的轉(zhuǎn)換效率較低。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能需要高容量的電池組去存放獲得的電能。無(wú)人機(jī)對(duì)于電源的能量有較大的要求，太陽(yáng)能就需要增加太陽(yáng)能板來(lái)滿足這一點(diǎn)需求。這樣就使得無(wú)人機(jī)本身的重量增加，自身重量的增加導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的載重減少，續(xù)航能力下降。還有就是太陽(yáng)能板表面容易受到環(huán)境的影響較大，容易受到腐蝕導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化降低，容易在極端天氣下出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)于全天候的無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)這點(diǎn)就是致命的。當(dāng)然如果太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是飛行在高空的臨近空間來(lái)說(shuō)使用太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是很好的一個(gè)選擇，這樣無(wú)人機(jī)受到空氣阻力為最小的，受到云層的影響也是最小。但是對(duì)于小型固定翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用太陽(yáng)能板來(lái)為固定翼無(wú)人機(jī)提供能量從而增加續(xù)航的方式是不可取的。

2.3 利用外部供能的方式增加續(xù)航

激光供能的過(guò)程類似于飛機(jī)空中加油的方式為無(wú)人機(jī)提供能量從而增加續(xù)航，激光可以向無(wú)人機(jī)傳輸信息的同時(shí)也向無(wú)人機(jī)傳輸能量。激光供能無(wú)人機(jī)受制于光電裝換材料的限制，激光向電能方向的轉(zhuǎn)化率低。雖說(shuō)在無(wú)人機(jī)增加續(xù)航方面有一定的進(jìn)步意義，但是電能轉(zhuǎn)化激光再轉(zhuǎn)化電能的期間的能量損耗比較大，對(duì)于電力資源浪費(fèi)比較大。激光供能在使用上的局限性比較大，當(dāng)空氣比較中的雜質(zhì)較多的時(shí)候，激光的穿透性不強(qiáng)，導(dǎo)致最終傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)上的能量減弱。如果無(wú)人機(jī)與激光發(fā)射器間有遮擋的時(shí)候，激光無(wú)法穿過(guò)或者繞過(guò)中間的遮擋物。

3 分析與討論

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)因其需要大面積太陽(yáng)能面板，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的體積過(guò)于龐大，活動(dòng)的范圍受限，太陽(yáng)能面板的價(jià)格較貴，光電轉(zhuǎn)化效率不高。燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，因其在氧氣稀薄的區(qū)域燃燒不充分，故其特殊領(lǐng)域任務(wù)會(huì)受到限制。激光供能的方式是通過(guò)額外的激光傳輸裝置來(lái)獲取無(wú)人機(jī)需要的能量，激光傳輸過(guò)程中能量損失較大，會(huì)受到障礙物的遮擋影響能量的傳輸效益。

固定翼無(wú)人機(jī)有了更加好的氣動(dòng)性布局，可以降低其飛行阻力，減少不必要的能量損耗。氣動(dòng)性布局是其內(nèi)在減少能耗的因素，外在的降低能耗的方法則可以通過(guò)自動(dòng)尋找飛行中的上升氣流。缺點(diǎn)就是尋找上升氣流的過(guò)程是一個(gè)無(wú)人機(jī)自消耗能量的過(guò)程，如果飛行過(guò)程中出現(xiàn)沒(méi)有上升氣流或者上升氣流很小的情況，這樣反而因其自身的傳感器能耗大降低了續(xù)航時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)就是固定翼無(wú)人機(jī)可以借助上升氣流達(dá)到一定的高度，通過(guò)無(wú)動(dòng)力滑翔的方式前進(jìn)，降低自身能量損耗提升續(xù)航時(shí)間。因其完全仿動(dòng)物滑翔的過(guò)程[50]，期間的動(dòng)力裝置關(guān)閉所產(chǎn)生的噪聲低，適合監(jiān)測(cè)違法犯罪活動(dòng)。功耗降低、續(xù)航增加，固定翼無(wú)人機(jī)所監(jiān)測(cè)的范圍增大。

飛行過(guò)程中存在著各種氣流環(huán)境，上升氣流與下降氣流又是影響無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)短的重要因數(shù)，但是上升氣流不是每時(shí)每刻都存在的，在上升氣流不存在的情況下無(wú)人機(jī)的續(xù)航很難提升。現(xiàn)有尋找上升氣流的方式是通過(guò)傳感器的使用，然而傳感器的使用也會(huì)降低無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，目前急需探索一種基于現(xiàn)有無(wú)人機(jī)實(shí)際情況且能充分利用環(huán)境中能量來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)長(zhǎng)續(xù)航降低能耗的新方法。未來(lái)可以在上升氣流的識(shí)別算法上引入機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)識(shí)別判斷上升氣流，優(yōu)化飛行路徑，從而控制其自身能源消耗，提升續(xù)航時(shí)間。無(wú)人機(jī)還可以使用新型的氣流感知材料、輕薄材料減輕自身重量，降低不必要的能量消耗，也是增加續(xù)航有效方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要聚焦在現(xiàn)有固定翼無(wú)人機(jī)提升續(xù)航時(shí)間的方式上，從太陽(yáng)能供電、氫能源供電、激光供電3 種不同供能方式出發(fā)，對(duì)目前提升續(xù)航方式進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。根據(jù)不同的供能方式，對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)在不同供能方式下的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了概括。利用對(duì)比分析的方法，總結(jié)了現(xiàn)有提高無(wú)人機(jī)續(xù)航的方法，并指出現(xiàn)有提高續(xù)航的策略集中在無(wú)人機(jī)自身電池方面尋求突破。同時(shí)，提出長(zhǎng)續(xù)航問(wèn)題應(yīng)在現(xiàn)有電池技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合外部能量的方法，應(yīng)是未來(lái)需要追尋的熱點(diǎn)和方向。

目前固定翼無(wú)人機(jī)提升續(xù)航的方法還存在著很多不足。（1）太陽(yáng)能方式：制作成本高，太陽(yáng)能板光電轉(zhuǎn)化效率低，機(jī)翼需要的表面積大，不適合小型無(wú)人機(jī)，夜間沒(méi)有光源等缺點(diǎn)。（2）氫能源供能方式：氫能的獲取需要大量能源損耗，且現(xiàn)階段氫能源存儲(chǔ)、釋放技術(shù)不成熟。（3）激光供能方式：其現(xiàn)階段處于研究之中，暫時(shí)還沒(méi)有應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)電能轉(zhuǎn)換到激光最后再轉(zhuǎn)化到電能過(guò)程中能量損耗大。（4）現(xiàn)階段來(lái)看，固定翼無(wú)人機(jī)在尋找上升氣流方面的方面，得依靠固定翼無(wú)人機(jī)飛手的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷。

針對(duì)現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間的長(zhǎng)短，提出可在無(wú)人機(jī)自身的空氣參數(shù)方面尋找突破，同時(shí)利用新型材料或者低能耗傳感器來(lái)感知空氣中有利于無(wú)人機(jī)飛行的上升氣流，進(jìn)而降低自身能耗，提升續(xù)航時(shí)間的方案。