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研发油电混合动力系统H2,瑞深航空将多旋翼无人机航时提升至2小时以上

石亚琼 · 2017-09-19
发动机进步能成为无人机行业的催化剂么?

 根据相关统计数据,2016年全球15KG以上的行业无人机销量大约在1W台左右,其中中国销量约为1-2千台,主要应用场景包括电力巡线、管道巡检、边境巡检、交通管制、地理测绘、搜索协助、航拍、新闻采集、药剂喷洒、农情监测、物流运输、抛投物资等。航时是目前制约工业级无人机高效作业的第一大因素。一旦解决航时问题,工业级无人机的应用场景和用途将得到进一步拓展。

现阶段出于性价比及易用性的考量,多旋翼无人机是最主要的工业级无人机形态,量产产品多以电动多旋翼为主。制约无人机航时的主要因素是动力系统。一般来说,锂电池的能力密度约为0.46~0.72MJ/kg,纯电动的无人机续航能力约为1KG电池0.2-0.4度电,一般15公斤左右的无人机理论上自带电池的重量很难超过5公斤,这意味着航时不会超过30分钟。此外,受制于电池本身的性能,冬季低温环境放电更快,可作业的时间更短。

 

瑞深航空认为,在可以预见的很长一段时间内,电池技术很难有根本性的突破,使用电池提供动力造成的续航时间不足很难从根本上解决。因此,团队决定开发一套油电混合动力系统,为工业级无人机解决航时短的问题。目前公司已经完成了第一代油电混合发电机的研发,搭载3Kg商载的情况下,航时可达2小时,最长航时可达到5小时。采用该发电机的蜂巢航宇HC-330混动纯电无人机,2017年6月底进行了蓬莱-长岛往返22公里的试飞;8月初,将有两架采用该发电机的多旋翼无人机,进行跨越渤海海峡(烟台-大连)的飞行挑战。

汽油能量密度大约是12~17MJ/kg,燃油的能量密度比锂电池高十余倍,理论上是要比电池更优的解决方案,但过去并未出现量产级别的多轴油动多旋翼无人机。其中一个原因是,在实际使用过程中,内燃机的油门线性很复杂,调速程序繁琐,造成无人机的响应速度变慢,内燃机在最佳输出功率下的行程很窄,需要变速箱改变齿轮配比以适应不同的转速,无人机的尺寸就会增加进而重量也会增加。最好的解决方案就是“油电混动”——用油燃烧发电,既保留了燃油的高能量密度优势也保留了电驱动操纵灵活的特点,用电来驱动四旋翼国外Yeair公司也做了油电混动的方案尝试,航时可以达到1小时。

瑞深航空研发的H2型油电混合动力系统,通过燃烧汽油发出电能,供给无人机使用,即保留了汽油高能量密度的优势又保留了电动无人机操作简单灵活的特点,其最大的技术优势在于高功率重量比,3.7公斤的自重可提供近2KW的直流电能,是传统发电设备的11倍,是变频发电设备的7倍。官方表示,在使用成本,续航能力,使用便捷性,环境适应性等方面远远超出锂电池。

 

在这个解决方案中,如何提高能量的转化效率是关键。瑞深航空CFO 黄晓朋告诉36氪,目前公司产品的能量转化效率可达到83%以上,远高于行业现在实现的水平;发动机动力与重量比可以做到1:2,远高于行业1:20的水平;产品使用95号以上汽油,在18公斤起飞重量的情况下3升汽油可续航飞行2小时。 此外,使用直流电供能,可以使无人机完成只有电动无人机才能完成的空中自主悬停动作。

 

之所以能做到这样高的转化率,与团队过去的丰富经验有关。瑞深航空的团队主要来自于北京航空航天大学教育部长江学者奖励计划创新团队,该团队也是教育部首批2011计划先进航空发动机协同创新中心的6大团队之一,此前在研究航空重油活塞发动机。与其他无人机发动机团队借鉴汽车发动机原理进行设计不同,瑞深航空基于航空发动机的原理,自主设计了这款发电机。

 

相比于锂电池,油动发电机经常被质疑震动大、噪音大、维护难。针对震动大的问题,瑞深航空专门设计了减震系统。噪音大的问题目前还很难从根本上解决,不过瑞深航空表示因为工业级无人机多在偏远、偏僻的地区高空远距离飞行,因此噪音对操作人员及周围民众的影响可忽略不计。

 

瑞深航空的H2油电混合发电机,采用了悬挂式的设计,便于安装。适用于巡线巡检、航拍等应用场景,要想使无人机发挥更好的性能,还需要重新对无人机进行设计,包括重心位置、载荷安置等。瑞深航空告诉36氪,目前总计近三十家行业无人机厂商购买了H2发电机,应用在自己研发的无人机上,实现最长5小时的续航时间,并在电力巡检,石油管道巡线,测绘,环境监测等领域进行了测试和实际应用。合作较早、进展较快的蜂巢航宇公司,基于H2研发、设计了HC-330混动纯电无人机。该机于2017年6月29日 进行了蓬莱-长岛往返22公里的海上飞行演练。

为了更好地展示H2型油电混合动力系统给电动旋翼无人机带来的长航时效果,瑞深公司决定在8月初举办一次跨越渤海海峡的挑战演练活动,届时将有两台装有H2产品的无人机产品(来自两个不同厂家品牌)从渤海湾南岸的威海市出发,跨越渤海海峡飞抵北岸的大连市,全程超过150公里的海上飞行。如果该挑战成功,将打破此前由英国团队保持的电动多旋翼无人机跨越英吉利海峡35公里海上飞行距离的世界纪录。

 

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石亚琼资深分析师

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