发展低空经济需要庞大的生产制造体系作为支撑,除机场及相关配套、低空智联网等数字化基础设施之外,无人飞行器是最为核心的产品。为更好更充分地开发低空资源,向地面人类丰富的生产生活场景提供高质量服务,需要我们制造各式各样、千型百态的无人飞行器,其中,其构型和动能是两个最为重要的参数,也决定了无人飞行器的性能、用途以及今后的发展方向。
一、不同构型的无人飞行器
1.多旋翼飞行器:灵活多用的“低空精灵”
图1:多旋翼无人机飞行器
多旋翼无人机是当前城市最为常见的无人飞行器,例如耳熟能详的大疆无人机。其工作原理是依靠电动机驱动螺旋桨产生升力,为了维持飞行状态,其推重比需大于1,即产生的推力要超过自身重量。这种驱动原理使得它能够在高空稳定悬停,极大地简化了操作难度并增强了安全性,能够在城市复杂的场景中执行各种任务,例如空中摄影、消防救援、城市管理等;同时,在电机驱动力足够的情况下,它也可以完成瞬时提速、急转俯冲等高难度动作,可用于娱乐表演以及特定赛道或环境的竞速比赛等。由电能直接转换为动能使得这种无人机普及性和应用性大大提升,没有丰富经验的操作人员经过简单培训后也能轻松操作,是低空经济发展的主力飞行器。
然而,多旋翼无人机也存在局限性,主要是由于其升力完全依赖发动机,发动机需要持续满功率运作,导致能耗高、续航时间和飞行距离较短,很大程度上限制了它在长距离或长时间任务中的应用。
2.固定翼飞行器:高速远行的“空中使者”
图2:固定翼无人机飞行器
固定翼飞行器广泛应用于长距离任务,这类飞机的升力主要由机翼上下的压力差提供,螺旋桨则主要用于提供飞行器前进的动力。这种设计使得固定翼无人机相较于其他构型更加节能,同样配备一万毫安容量的电池,固定翼无人机可以持续飞行一个半小时甚至更久,而多旋翼无人机仅仅能飞半小时左右。固定翼无人机的主要优势在于飞行距离远、续航时间长,在城际物流、航空测绘、灾区勘探等场景中发挥着关键作用。同时固定翼飞行速度快,普通机型可达150-200公里/小时,大型机种甚至能达到400-500公里/小时甚至更高,相比之下,多旋翼飞机的速度一般在70-80公里/小时左右。例如落户江苏常州的白鲸航线W5000型固定翼无人机能够在6000米的巡航高度执行约2000公里的长途运输,最大巡航速度可达526公里/小时。
然而,固定翼无人机对起降场地要求较高,需要较长的跑道,这在市区环境中难以实现。其次,它无法悬停飞行,对于需要精确拍摄或详细检查的任务存在困难,例如高速公路上的违章抓拍,很难清晰拍摄车牌。此外,固定翼飞机的操作复杂性较高,对操作人员的技术要求更为严格。
3.复合翼飞行器:融合妥协的“过渡产物”
图3:复合翼无人机飞行器
复合翼飞行器试图融合固定翼和多旋翼的优点,实现更广泛的应用。它能够垂直起降,不需要专设跑道,解决了固定翼对起降场地的高要求问题。垂直起飞后,它可以切换为固定翼模式飞行,利用固定翼的优势实现长距离飞行。
但在实际应用中,复合翼无人机暴露出诸多问题。垂直起降阶段,多出的机翼成为迎风受力面,导致抗风性能较差,一般复合翼飞机抗风能力仅为四到五级,而多旋翼飞机可达七级。转换为水平飞行模式后,原本用于垂直起降的部件变为额外重量,增加了飞行器的能耗。在载重能力方面,复合翼飞机也表现不佳,如一架翼展三米的复合翼飞机有效载荷仅为五公斤左右,远低于固定翼飞机。此外,复合翼飞机的功能定位也较为尴尬:作为巡检工具,它无法像多旋翼飞机那样实现精准悬停拍摄;在长距离物流运输中,其载重能力又无法满足需求。可以说,复合翼无人机是在现有技术条件下的折衷方案,未能充分发挥以上两种传统构型的优势。
4.倾转旋翼飞行器:未来可期的“探索产品”
图4:美国鱼鹰v22倾转旋翼无人机
倾转旋翼飞行器结合了多旋翼垂直起降和固定翼高速飞行的优点,相较于复合翼,可通过旋翼倾转,实现升力和巡航推力的切换,动力单元可复用,具备出色的性能潜力。在理论上,倾转旋翼无人飞行器能够在不同飞行状态下灵活切换,适应多种复杂任务需求。
然而,倾转旋翼飞行器还面临着严峻的技术挑战。由于其飞控系统极为复杂,导致炸机率较高。以美军的V-22“鱼鹰”为例,自70年代诞生以来,尽管在实战中很少被击落,但因自身飞控问题坠毁的数量多达几百架,因此被戏称为“寡妇制造机”。因此,当前倾转旋翼飞行器多处于研发试验阶段。随着今后飞控技术的不断进步和完善,倾转旋翼无人飞行器有望成为低空经济领域的重要力量。
二、各种动能的无人飞行器
表1:不同能量类型无人机对比[1]
1.锂电池供能:便捷背后的续航困境
锂电池是目前无人飞行器中最常见的动力源之一,因其便于携带、易于充电和操作简便而在小型民用无人机领域广泛应用。但锂电池的局限性同样显著。首先其续航时间较短,由于能量密度远低于传统燃料,加上其自重很大,锂电池驱动的飞行器通常只能维持半小时左右的飞行时间,这极大地限制了应用范围。其次,锂电池在低温环境下性能衰退明显,在零下20度时几乎完全失效,这对寒冷地区的作业构成了挑战。同时,其价格昂贵且寿命有限,航空级锂电池每度电的成本可达数万元人民币,而使用寿命通常只有100-200个充放电循环,对于低空经济场景下高频使用的无人机而言,运营开支显著提升。
2.燃油驱动:传统动力的现实挑战
燃油驱动的无人机主要依赖普通汽油或混合燃料如酒精与蓖麻油。虽然这类动力系统提供了较长的续航时间和较高的能量密度,但这种方式也存在诸多问题。首先,普通无人机燃料的获取不便,由于安全法规的限制,散装汽油不易购买;而自调混合燃料不仅调配复杂,而且在许多地区不合法,难以实现大规模应用。其次,燃油发动机的维护要求较高,特别是航空所用的二冲程发动机,其寿命通常仅为50-100小时,并需要频繁的大修,增加了日常商用的运营成本和维护负担。再者,油动发动机的动力响应速度较慢,在操作遥控器时,会明显感觉到操作延迟,这在实际作业中可能带来安全隐患。
3.氢燃料电池:未来可期的绿色动能
氢燃料电池作为一种新兴的供能方式,正逐渐成为无人飞行器的理想选择。其优势十分显著,由于氢气的能量密度高,续航方面表现出色,搭载氢燃料电池的无人飞行器续航时间可达三小时左右。同时,氢气具有优异的低温适应性,在极寒环境下表现稳定,基本不受温度变化影响,适合全天候作业。从成本角度来看,经过测算,氢燃料电池的运行成本大约仅为锂电池的三分之一,为大规模商业化应用提供了可能。然而,氢燃料电池的普及仍面临基础设施建设的瓶颈。当前,氢气的储存和运输难度较大,缺乏广泛的加氢站网络;加之氢气本身属于危险品,必须谨慎处理以避免安全隐患。此外,氢气分子非常小,容易导致金属材料发生氢脆现象,增加了泄漏风险,因此不能通过常规管道进行运输。因此,最佳的解决方案是实现机库就地制氢,即产即用。随着技术的不断进步和完善,氢燃料电池有望克服当前的应用障碍,成为推动低空经济发展的重要动能支撑,为无人飞行器在物流运输、测绘勘探、应急救援等领域的广泛应用提供更强大的动力保障。
[1]图源:上海大风技术有限公司
(南京大学长江产业发展研究院副院长 徐宁;研究助理 刘奕君;上海大风技术有限公司 余力)