超長續航新突破！太陽能氫能無人機首飛成功

本文轉自：人民網-科普中國

隨着科技發展和政策推動，低空經濟已經成爲新興產業的一匹黑馬。而無人機作爲低空經濟發展的“主力軍”之一，發揮着不可小覷的作用。

近日，中國自主研製的國內首架太陽能氫能混合動力無人機在明月湖順利完成了首飛，填補了混合動力無人機領域的空白。在慶祝這一重大成果的同時，人們不禁會產生疑問，無人機是如何實現無人駕駛的？混合動力又是什麼呢？

無人機如何實現無人駕駛？

無人機要想實現無人駕駛，首先要飛起來才行。無人機飛起來的原理與有人機類似，都是利用了空氣動力學的原理。在無人機起飛過程中氣體會被機翼切割爲上下兩部分，機翼上側的氣體流動速度大於下側。根據“伯努利定律”，氣體流動速度越快，氣體壓力越低。因此機翼上側的氣體壓力小於下側，產生了向上“託舉”的升力，使得飛機升空。

飛行控制系統是實現無人機穩定飛行必不可少的部分，被稱爲無人機的“大腦”。飛行控制系統由多種高精度傳感器組成，如用於確定位置的GPS（全球定位系統），用於測量高度的氣壓計，用於感知角速度和加速度的IMU（慣性測量單元），以及用於確定方向指南針等。

我們在電影裡經常會看到這樣的畫面，飛行員坐在駕駛艙內，面對衆多的儀表和操控按鈕，有條不紊地操控着飛機。那麼無人機由誰來操控呢？

無人機實際上還是由人來操控的，只不過是操作的位置和時機不同。

操作員在地面通過遙控器就可以實現無人機的飛行姿態和飛行軌跡的控制。無人機遙控器上會顯示出各項飛行數據，如飛行狀態、位置信息、傳感器數據等，操作員根據這些信息通過操縱桿或按鍵對無人機發出指令，無人機就會按照預期的路線和動作飛行。

隨着通信技術的不斷髮展，操作員發出指令和無人機接收指令的速度也越來越快，地面操作員幾乎已經可以“身臨其境”地控制無人機，就像“坐”在無人機裡操控一樣。

既然無人機也是人操控的，一架無人機對應一個遙控器和操作人員，那麼我們看到的無人機編隊表演，豈不是需要成百上千人才能完成？

事實不是這樣的，無人機除了可以被人操控外，也可以“自己飛”，只不過需要專業人員提前對無人機的飛行姿態和燈光進行編程，無人機就可以根據預設的飛行計劃和任務需求，自主完成起飛、變換隊形等過程，並且該過程無需人工干預。

由此可見，龐大的無人機表演編隊可能只需要兩個人加一臺電腦就可以被控制，操作人員負責監控無人機的飛行狀態、調整飛行參數以及應對突發情況，電腦則通過預先編程的軟件來集中控制無人機的表演動作。

混合動力無人機有何“過人之處”？

動力系統是無人機能否順利升空和飛多久的關鍵。目前，大多數無人機採用電池供電的方式，這種方式雖然方便，技術也較爲成熟，但是飛行時間有限，使用體驗大打折扣。例如純電供能的攝影無人機，單次飛行時間在30分鐘左右，即使使用先進的電池技術和採用更優的機身結構，其續航時間也很難超過1小時。

混合動力無人機，類似於混合動力汽車，有望實現續航里程的突破。據悉，在明月湖順利完成首飛的混合動力無人機採用了團隊自主研製的能量管理系統，結合了太陽能發電和氫能發電兩個能量體系。

太陽能和氫能作爲清潔能源不僅環保，還具備能源互補的優勢。利用精準的能源輸出控制系統，對電能輸出進行合理的調配，將太陽能產生的電力無條件優先輸出，氫能產生的電作爲補充使用，可以實現晝夜連續飛行，飛行時間超24小時。

氫能爲什麼能被無人機選中？

氫能是一種清潔的二次能源，是由氫氣和氧氣發生反應釋放的化學能，被譽爲“21世紀終極能源”。參與反應的氫氣具有高的燃燒熱值（142MJ/kg），高於化石燃料和化工燃料，是汽油發熱值的3倍左右。此外，氫氣與氧氣反應後的產物只有水，排放對環境幾乎無污染。

無人機中的氫能與電能的轉換少不了氫燃料電池，氫燃料電池爲氫氣與氧氣的反應提供了場所和必要的反應條件。燃料電池工作時，在陽極通入氫氣，陰極通入氧氣或空氣，通過特殊的電解質就可以實現化學能到電能的轉換。

氫燃料電池具有較高的耐低溫性能，在零下二十攝氏度或更低的溫度可以實現無損冷啓動，具有更高的安全性和穩定性。因此，氫能的“加入”不僅能夠提高無人機的續航時間，也能使其在更加惡劣的飛行環境中“遊刃有餘”。

除了先進的能量系統，混合動力無人機還有啥？

一體化成型輕質碳纖維機身：機身採用強度更高和重量更輕的碳纖維材料，減輕無人機重量的同時提高了機身對環境的耐受性，保證了無人機的安全性和穩定性。

大尺寸長翼展氣動外形：大機翼面積能夠爲無人機產生更大的升力，實現更大的載荷。較長的翼展可以更有效地利用空氣動力學原理，減少阻力，提高飛行效率，降低能耗。

創新型氫動力電推進吊艙：氫燃料電池具有較高的能量轉換效率，能夠最大限度地減少能量損失，提高無人機的能源利用效率。緊湊的結構既保證了足夠的動力輸出，又減少了整機重量和附屬部件的複雜性。

無人機在我們生活中有什麼用途？

環境監測：無人機搭載高清相機、紅外傳感器等設備，能夠高效地進行空氣質量監測、水體污染檢測以及森林火情巡查，爲環境保護提供及時準確的數據支持。

農業種植：無人機通過精準噴灑農藥和肥料，大大提高作業效率、減少化學物質的過量使用、節省人力物力，促進綠色、高科技農業的發展。

緊急救援：無人機能夠迅速穿越複雜地形，爲災區提供空中偵察、物資投送和通信中繼等關鍵服務，成爲救援隊伍不可或缺的“空中助手”。

物流配送：無人機以其快速、靈活的特點，正逐步探索城市短途配送、偏遠地區物資補給等新型物流模式，爲人們的生活帶來便利。

此外，無人機在影視拍攝、體育賽事直播、城市規劃、考古勘探等多個領域也發揮着重要作用，以其獨特的視角和高效的作業能力，給人們帶來全新的視覺體驗和工作方式。

科幻片上看到的無人機已經從概念走進了現實，並且實現了飛行穩定性、續航和應用領域方面的飛速突破。無人機以其方便、高效的面孔呈現在我們面前，讓我們共同期待無人機在未來更好地服務於日常生活。

作者：物理化學博士石暢