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多旋翼无人机和固定翼无人机的续航时间专业解析

2023-09-07 14:58:08来源:雨飞工作室 作者:深无协 点击次数:4779次字号:|
分析多旋翼无人机和固定翼无人机特点与优劣势

       所谓续航时间,又称之为"航时",它是指飞机在不进行空中加油的情况下,耗尽其本身携带的可用燃料时,所能持续飞行的时间。续航时间是飞机最重要的性能指标之一,它直接表明飞机一次加油后的持久作战或持久飞行能力。续航时间与飞行速度、 飞行高度、发动机工作状态等多种参数有关。合理选择飞行参数,使得飞机在单位时间内所耗燃料量最少,飞机就能获得最长的续航时间。此时,所对应的巡航速度称为"久航速度"。


无人机的续航时间估算


       现在市场上很多无人机续航时间都说可以飞很久,有30分钟的,1个小时的,甚至是2个小时的等等。那么,到底怎么算无人机续航时间才比较合理的呢?1、首先要确定的是自己使用的无人机是属于什么类型的无人机,因为用途不同的无人机不仅使用的无人机电池不同,对放电电流大小要求也是不同的。2、要想知道哪个无人机电池品牌让无人机续航时间更长,就要选择同等容量、放电倍率的规格,选择同样的无人机,在同样的使用条件下,才能对比出来。3、从无人机电池标签数字上来估算无人机续航时间长短。


       一般无人机正常工作的时候有一个稳定的额定电流,我们设定这个电流为I。无人机电池标签上一般会标明电池容量,比如4000mAh,10C等(当然这里说的是电池容量不存在虚标的情况)。那么,无人机续航时间大概多少就可以算出来:
无人机续航时间(t)=4000mAh/I
假如:I=2C=8000mA (C表示放电倍率),则:

T=4000mAh/8000mA=0.5h=30分钟


       这个时间只是理论估算值,实际值一般是会比理论值要少些的,因为无人机飞行不可能一直匀速放电,遇到大风或需要高速飞行时,都会需要大电流放电,电流会大于额定电流I。在这里同样可以推出,假如有无人机最大放电电流I2,那么同理就可以算出无人机续航时间最短是多少了。


比较准确的计算是下面这样的:


多旋翼无人机的续航时间解析


       多旋翼无人机存在着续航时间短的问题,像航拍无人机这样任务载荷很轻的多旋翼,一般也只有30分钟左右的续航时间,应用受到很大的制约。多旋翼是使用电池作为能源的纯电动无人机,续航时间短的根本原因在于目前电池容量密度过低。


根据相关技术原理能够得到下列公式:
起飞重量 = 空机重量 + 载荷重量 + 电池重量 = 升功比(KG/KW) × 平均功率(KW);
电池电量 = 容量密度(KWH/KG) × 电池重量 = 平均功率(KW) × 续航时间;

电池重量比 = 电池重量 / 起飞重量。


经整理得到:

续航时间(H)= 电池重量比× 升功比(KG/KW)× 容量密度(KWH/KG)


       以目前能达到的0.5的电池重量比,5KG/KW的升功比,0.2KWH/KG的容量密度带入公式,续航时间等于0.5小时。这说明了现在多旋翼航拍机续航时间都在30分钟左右的原因。


       从续航时间公式来看,续航时间与起飞重量是没有直接关系的。这可以解释为,增大起飞重量需要更大的平均功率,需要使用更多的电量,因此也就需要增加电池电量,增加电池重量,在电池重量比不变的情况下,增加的电池重量抵消了增大的起飞重量。增加的电池电量并没有为增加续航时间做出贡献。


       要增加续航时间,虽然可以分别通过提高电池重量比、升功比和容量密度三种途径来实现。但靠提高电池重量比显然是没有出路的。即使多旋翼没有任务载荷,电池重量比最多也就能达到2/3,并不能使续航时间有根本性的提高。靠提高升功比效果比较有限。升功比是旋翼类航空器的一个基本性能参数,一般实用的经验数值在5~10 KG/KW范围,而且起飞重量越大,升功比会越小。提高升功比在技术有很大的难度,成本会增加很多。靠提高电池容量密度也不现实。目前电池容量密度在0.2 KWH/KG左右,在短时间内很难有较大的提高。以电池作为能源的纯电动多旋翼面临着续航时间短的技术瓶颈。


       解决续航时间短的途径是采用油电混合能源作为多旋翼的动力源。近年来,分布式油电混合电推进技术有较大发展,所采用的油电混合电力系统是用燃油发动机直接发电,用电能传导方式驱动旋翼电机。燃油能量密度为12KWH/KG,油电混合电力系统效率可达70%,等效下来有效容量密度为8.4KWH/KG。这比电池容量密度要高出40多倍。从续航时间公式看,燃料有效容量密度值要远大于燃料重量比值和升功比值,1KG燃油相当于40KG电池所产生的电量,可以有效解决多旋翼无人机续航时间短的技术瓶颈。


固定翼无人机的巡航时间解析


       固定翼无人机和多旋翼无人机在飞行原理上有根本性的差别,同样使用电池提供能源,固定翼无人机的巡航时间要比多旋翼无人机的续航时间多很多。


根据相关技术原理能够得到下列公式:
飞机重量 = 空机重量 + 载荷重量 + 电池重量
电池重量比 = 电池重量 / 飞机重量
电池电量 = 容量密度(KWH/KG) × 电池重量 = 巡航功率(KW) × 巡航时间

巡航功率 = 飞行推力 × 巡航速度

升阻比 = 飞机重量 × 重力加速度 × 巡航速度(KM/H) / 巡航功率(KW)


经整理得到:
巡航时间(H)= 10^2 ×电池重量比 × 升阻比 × 容量密度(KWH/KG)/ 巡航速度(KM/H)

式中的 10^2 = 1000/9.8 数值是等式量纲转换常数。


       为便于比较,将“多旋翼无人机的续航时间解析”中0.5的电池重量比,0.2KWH/KG的容量密度带入公式,取15的升阻比,60KM/H的巡航速度,计算得到的巡航时间等于2.55小时。由此可见,固定翼无人机在巡航时间上要比多旋翼无人机的续航时间具有较大的优势。



       固定翼无人机和多旋翼无人机各自都有相对的优势和不足。固定翼巡航时间长,但需要一定的起降条件。而多旋翼能够垂直起降,但续航时间较短。垂直起降固定翼无人机结合了两者的优势,在起降时采用多旋翼工作状态,在巡航时采用固定翼工作状态,从而克服了两者相对不足,更加适应于无人机的应用场景。
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