隨著科技發(fā)展和政策推動(dòng)，低空經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為新興產(chǎn)業(yè)的一匹黑馬。而無人機(jī)作為低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“主力軍”之一，發(fā)揮著不可小覷的作用。
近日，中國自主研制的國內(nèi)首架太陽能氫能混合動(dòng)力無人機(jī)在明月湖順利完成了首飛，填補(bǔ)了混合動(dòng)力無人機(jī)領(lǐng)域的空白。在慶祝這一重大成果的同時(shí)，人們不禁會(huì)產(chǎn)生疑問，無人機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)無人駕駛的?混合動(dòng)力又是什么呢?
無人機(jī)如何實(shí)現(xiàn)無人駕駛?
無人機(jī)要想實(shí)現(xiàn)無人駕駛，首先要飛起來才行。無人機(jī)飛起來的原理與有人機(jī)類似，都是利用了空氣動(dòng)力學(xué)的原理。在無人機(jī)起飛過程中氣體會(huì)被機(jī)翼切割為上下兩部分，機(jī)翼上側(cè)的氣體流動(dòng)速度大于下側(cè)。根據(jù)“伯努利定律”，氣體流動(dòng)速度越快，氣體壓力越低。因此機(jī)翼上側(cè)的氣體壓力小于下側(cè)，產(chǎn)生了向上“托舉”的升力，使得飛機(jī)升空。
飛行控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)穩(wěn)定飛行必不可少的部分，被稱為無人機(jī)的“大腦”。飛行控制系統(tǒng)由多種高精度傳感器組成，如用于確定位置的GPS(全球定位系統(tǒng))，用于測量高度的氣壓計(jì)，用于感知角速度和加速度的IMU(慣性測量單元)，以及用于確定方向指南針等。
我們在電影里經(jīng)常會(huì)看到這樣的畫面，飛行員坐在駕駛艙內(nèi)，面對眾多的儀表和操控按鈕，有條不紊地操控著飛機(jī)。那么無人機(jī)由誰來操控呢?
無人機(jī)實(shí)際上還是由人來操控的，只不過是操作的位置和時(shí)機(jī)不同。
操作員在地面通過遙控器就可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行軌跡的控制。無人機(jī)遙控器上會(huì)顯示出各項(xiàng)飛行數(shù)據(jù)，如飛行狀態(tài)、位置信息、傳感器數(shù)據(jù)等，操作員根據(jù)這些信息通過操縱桿或按鍵對無人機(jī)發(fā)出指令，無人機(jī)就會(huì)按照預(yù)期的路線和動(dòng)作飛行。
隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，操作員發(fā)出指令和無人機(jī)接收指令的速度也越來越快，地面操作員幾乎已經(jīng)可以“身臨其境”地控制無人機(jī)，就像“坐”在無人機(jī)里操控一樣。
既然無人機(jī)也是人操控的，一架無人機(jī)對應(yīng)一個(gè)遙控器和操作人員，那么我們看到的無人機(jī)編隊(duì)表演，豈不是需要成百上千人才能完成?
事實(shí)不是這樣的，無人機(jī)除了可以被人操控外，也可以“自己飛”，只不過需要專業(yè)人員提前對無人機(jī)的飛行姿態(tài)和燈光進(jìn)行編程，無人機(jī)就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的飛行計(jì)劃和任務(wù)需求，自主完成起飛、變換隊(duì)形等過程，并且該過程無需人工干預(yù)。
由此可見，龐大的無人機(jī)表演編隊(duì)可能只需要兩個(gè)人加一臺電腦就可以被控制，操作人員負(fù)責(zé)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)、調(diào)整飛行參數(shù)以及應(yīng)對突發(fā)情況，電腦則通過預(yù)先編程的軟件來集中控制無人機(jī)的表演動(dòng)作。
混合動(dòng)力無人機(jī)有何“過人之處”?
動(dòng)力系統(tǒng)是無人機(jī)能否順利升空和飛多久的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)無人機(jī)采用電池供電的方式，這種方式雖然方便，技術(shù)也較為成熟，但是飛行時(shí)間有限，使用體驗(yàn)大打折扣。例如純電供能的攝影無人機(jī)，單次飛行時(shí)間在30分鐘左右，即使使用先進(jìn)的電池技術(shù)和采用更優(yōu)的機(jī)身結(jié)構(gòu)，其續(xù)航時(shí)間也很難超過1小時(shí)。
混合動(dòng)力無人機(jī)，類似于混合動(dòng)力汽車，有望實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程的突破。據(jù)悉，在明月湖順利完成首飛的混合動(dòng)力無人機(jī)采用了團(tuán)隊(duì)自主研制的能量管理系統(tǒng)，結(jié)合了太陽能發(fā)電和氫能發(fā)電兩個(gè)能量體系。
太陽能和氫能作為清潔能源不僅環(huán)保，還具備能源互補(bǔ)的優(yōu)勢。利用精準(zhǔn)的能源輸出控制系統(tǒng)，對電能輸出進(jìn)行合理的調(diào)配，將太陽能產(chǎn)生的電力無條件優(yōu)先輸出，氫能產(chǎn)生的電作為補(bǔ)充使用，可以實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)飛行，飛行時(shí)間超24小時(shí)。
氫能為什么能被無人機(jī)選中?
氫能是一種清潔的二次能源，是由氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)釋放的化學(xué)能，被譽(yù)為“21世紀(jì)終極能源”。參與反應(yīng)的氫氣具有高的燃燒熱值(142MJ/kg)，高于化石燃料和化工燃料，是汽油發(fā)熱值的3倍左右。此外，氫氣與氧氣反應(yīng)后的產(chǎn)物只有水，排放對環(huán)境幾乎無污染。
無人機(jī)中的氫能與電能的轉(zhuǎn)換少不了氫燃料電池，氫燃料電池為氫氣與氧氣的反應(yīng)提供了場所和必要的反應(yīng)條件。燃料電池工作時(shí)，在陽極通入氫氣，陰極通入氧氣或空氣，通過特殊的電解質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換。
氫燃料電池具有較高的耐低溫性能，在零下二十?dāng)z氏度或更低的溫度可以實(shí)現(xiàn)無損冷啟動(dòng)，具有更高的安全性和穩(wěn)定性。因此，氫能的“加入”不僅能夠提高無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，也能使其在更加惡劣的飛行環(huán)境中“游刃有余”。
除了先進(jìn)的能量系統(tǒng)，混合動(dòng)力無人機(jī)還有啥?
一體化成型輕質(zhì)碳纖維機(jī)身：機(jī)身采用強(qiáng)度更高和重量更輕的碳纖維材料，減輕無人機(jī)重量的同時(shí)提高了機(jī)身對環(huán)境的耐受性，保證了無人機(jī)的安全性和穩(wěn)定性。
大尺寸長翼展氣動(dòng)外形：大機(jī)翼面積能夠?yàn)闊o人機(jī)產(chǎn)生更大的升力，實(shí)現(xiàn)更大的載荷。較長的翼展可以更有效地利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，減少阻力，提高飛行效率，降低能耗。
創(chuàng)新型氫動(dòng)力電推進(jìn)吊艙：氫燃料電池具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，能夠最大限度地減少能量損失，提高無人機(jī)的能源利用效率。緊湊的結(jié)構(gòu)既保證了足夠的動(dòng)力輸出，又減少了整機(jī)重量和附屬部件的復(fù)雜性。
無人機(jī)在我們生活中有什么用途?
環(huán)境監(jiān)測：無人機(jī)搭載高清相機(jī)、紅外傳感器等設(shè)備，能夠高效地進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測、水體污染檢測以及森林火情巡查，為環(huán)境保護(hù)提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
農(nóng)業(yè)種植：無人機(jī)通過精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥和肥料，大大提高作業(yè)效率、減少化學(xué)物質(zhì)的過量使用、節(jié)省人力物力，促進(jìn)綠色、高科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
緊急救援：無人機(jī)能夠迅速穿越復(fù)雜地形，為災(zāi)區(qū)提供空中偵察、物資投送和通信中繼等關(guān)鍵服務(wù)，成為救援隊(duì)伍不可或缺的“空中助手”。
物流配送：無人機(jī)以其快速、靈活的特點(diǎn)，正逐步探索城市短途配送、偏遠(yuǎn)地區(qū)物資補(bǔ)給等新型物流模式，為人們的生活帶來便利。
此外，無人機(jī)在影視拍攝、體育賽事直播、城市規(guī)劃、考古勘探等多個(gè)領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，以其獨(dú)特的視角和高效的作業(yè)能力，給人們帶來全新的視覺體驗(yàn)和工作方式。
科幻片上看到的無人機(jī)已經(jīng)從概念走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)，并且實(shí)現(xiàn)了飛行穩(wěn)定性、續(xù)航和應(yīng)用領(lǐng)域方面的飛速突破。無人機(jī)以其方便、高效的面孔呈現(xiàn)在我們面前，讓我們共同期待無人機(jī)在未來更好地服務(wù)于日常生活。
作者：物理化學(xué)博士石暢
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