隨著科技發(fā)展和政策推動，低空經(jīng)濟已經(jīng)成為新興產(chǎn)業(yè)的一匹黑馬。而無人機作為低空經(jīng)濟發(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(lǐng)域的空白。在慶祝這一重大成果的同時，人們不禁會產(chǎn)生疑問，無人機是如何實現(xiàn)無人駕駛的?混合動力又是什么呢?
無人機如何實現(xiàn)無人駕駛?
無人機要想實現(xiàn)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(xué)的原理。在無人機起飛過程中氣體會被機翼切割為上下兩部分，機翼上側(cè)的氣體流動速度大于下側(cè)。根據(jù)“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(cè)的氣體壓力小于下側(cè)，產(chǎn)生了向上“托舉”的升力，使得飛機升空。
飛行控制系統(tǒng)是實現(xiàn)無人機穩(wěn)定飛行必不可少的部分，被稱為無人機的“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，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。那么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(xiàn)無人機的飛行姿態(tài)和飛行軌跡的控制。無人機遙控器上會顯示出各項飛行數(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發(fā)出指令，無人機就會按照預(yù)期的路線和動作飛行。
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，就像“坐”在無人機里操控一樣。
既然無人機也是人操控的，一架無人機對應(yīng)一個遙控器和操作人員，那么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(yè)人員提前對無人機的飛行姿態(tài)和燈光進行編程，無人機就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的飛行計劃和任務(wù)需求，自主完成起飛、變換隊形等過程，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(zé)監(jiān)控?zé)o人機的飛行狀態(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的表演動作。
混合動力無人機有何“過人之處”?
動力系統(tǒng)是無人機能否順利升空和飛多久的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)無人機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(shù)和采用更優(yōu)的機身結(jié)構(gòu)，其續(xù)航時間也很難超過1小時。
混合動力無人機，類似于混合動力汽車，有望實現(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力無人機采用了團隊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，還具備能源互補的優(yōu)勢。利用精準的能源輸出控制系統(tǒng)，對電能輸出進行合理的調(diào)配，將太陽能產(chǎn)生的電力無條件優(yōu)先輸出，氫能產(chǎn)生的電作為補充使用，可以實現(xiàn)晝夜連續(xù)飛行，飛行時間超24小時。
氫能為什么能被無人機選中?
氫能是一種清潔的二次能源，是由氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)釋放的化學(xué)能，被譽為“21世紀終極能源”。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，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現(xiàn)無損冷啟動，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的續(xù)航時間，也能使其在更加惡劣的飛行環(huán)境中“游刃有余”。
除了先進的能量系統(tǒng)，混合動力無人機還有啥?
一體化成型輕質(zhì)碳纖維機身：機身采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(huán)境的耐受性，保證了無人機的安全性和穩(wěn)定性。
大尺寸長翼展氣動外形：大機翼面積能夠為無人機產(chǎn)生更大的升力，實現(xiàn)更大的載荷。較長的翼展可以更有效地利用空氣動力學(xué)原理，減少阻力，提高飛行效率，降低能耗。
創(chuàng)新型氫動力電推進吊艙：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，提高無人機的能源利用效率。緊湊的結(jié)構(gòu)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復(fù)雜性。
無人機在我們生活中有什么用途?
環(huán)境監(jiān)測：無人機搭載高清相機、紅外傳感器等設(shè)備，能夠高效地進行空氣質(zhì)量監(jiān)測、水體污染檢測以及森林火情巡查，為環(huán)境保護提供及時準確的數(shù)據(jù)支持。
農(nóng)業(yè)種植：無人機通過精準噴灑農(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，促進綠色、高科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
緊急救援：無人機能夠迅速穿越復(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(qū)物資補給等新型物流模式，為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(guī)劃、考古勘探等多個領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，以其獨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和工作方式。
科幻片上看到的無人機已經(jīng)從概念走進了現(xiàn)實，并且實現(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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