多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間解析

所謂續(xù)航時(shí)間，又稱之為"航時(shí)"，它是指飛機(jī)在不進(jìn)行空中加油的情況下，耗盡其本身攜帶的可用燃料時(shí)，所能持續(xù)飛行的時(shí)間。續(xù)航時(shí)間是飛機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一，它直接表明飛機(jī)一次加油后的持久作戰(zhàn)或持久飛行能力。**續(xù)航時(shí)間與飛行速度、 飛行高度、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)等多種參數(shù)有關(guān)。**合理選擇飛行參數(shù)，使得飛機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所耗燃料量最少，飛機(jī)就能獲得最長的續(xù)航時(shí)間。此時(shí)，所對應(yīng)的巡航速度稱為"久航速度"。

無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間估算

現(xiàn)在市場上很多無人機(jī)續(xù)航時(shí)間都說可以飛很久，有30分鐘的，1個小時(shí)的，甚至是2個小時(shí)的等等。那么，到底怎么算無人機(jī)續(xù)航時(shí)間才比較合理的呢?1、首先要確定的是自己使用的無人機(jī)是屬于什么類型的無人機(jī)，因?yàn)橛猛静煌臒o人機(jī)不僅使用的無人機(jī)電池不同，對放電電流大小要求也是不同的。2、要想知道哪個無人機(jī)電池品牌讓無人機(jī)續(xù)航時(shí)間更長，就要選擇同等容量、放電倍率的規(guī)格，選擇同樣的無人機(jī)，在同樣的使用條件下，才能對比出來。3、從無人機(jī)電池標(biāo)簽數(shù)字上來估算無人機(jī)續(xù)航時(shí)間長短。

一般無人機(jī)正常工作的時(shí)候有一個穩(wěn)定的額定電流，我們設(shè)定這個電流為I。無人機(jī)電池標(biāo)簽上一般會標(biāo)明電池容量，比如4000mAh，10C等（當(dāng)然這里說的是電池容量不存在虛標(biāo)的情況）。那么，無人機(jī)續(xù)航時(shí)間大概多少就可以算出來:

無人機(jī)續(xù)航時(shí)間(t)=4000mAh/I

假如：I=2C=8000mA (C表示放電倍率)，則：

T=4000mAh/8000mA=0.5h=30分鐘

這個時(shí)間只是理論估算值，實(shí)際值一般是會比理論值要少些的，因?yàn)闊o人機(jī)飛行不可能一直勻速放電，遇到大風(fēng)或需要高速飛行時(shí)，都會需要大電流放電，電流會大于額定電流I。在這里同樣可以推出，假如有無人機(jī)最大放電電流I2，那么同理就可以算出無人機(jī)續(xù)航時(shí)間最短是多少了。

比較準(zhǔn)確的計(jì)算是下面這樣的：

多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間解析

多旋翼無人機(jī)存在著續(xù)航時(shí)間短的問題，像航拍無人機(jī)這樣任務(wù)載荷很輕的多旋翼，一般也只有30分鐘左右的續(xù)航時(shí)間，應(yīng)用受到很大的制約。多旋翼是使用電池作為能源的純電動無人機(jī)，續(xù)航時(shí)間短的根本原因在于目前電池容量密度過低。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)原理能夠得到下列公式：

起飛重量 = 空機(jī)重量 + 載荷重量 + 電池重量 = 升功比（KG/KW） × 平均功率（KW）；

電池電量 = 容量密度（KWH/KG） × 電池重量 = 平均功率（KW） × 續(xù)航時(shí)間；

電池重量比 = 電池重量 / 起飛重量。

經(jīng)整理得到：

續(xù)航時(shí)間（H）= 電池重量比× 升功比（KG/KW）× 容量密度（KWH/KG）

以目前能達(dá)到的0.5的電池重量比，5KG/KW的升功比，0.2KWH/KG的容量密度帶入公式，續(xù)航時(shí)間等于0.5小時(shí)。這說明了現(xiàn)在多旋翼航拍機(jī)續(xù)航時(shí)間都在30分鐘左右的原因。

從續(xù)航時(shí)間公式來看，續(xù)航時(shí)間與起飛重量是沒有直接關(guān)系的。這可以解釋為，增大起飛重量需要更大的平均功率，需要使用更多的電量，因此也就需要增加電池電量，增加電池重量，在電池重量比不變的情況下，增加的電池重量抵消了增大的起飛重量。增加的電池電量并沒有為增加續(xù)航時(shí)間做出貢獻(xiàn)。

要增加續(xù)航時(shí)間，雖然可以分別通過提高電池重量比、升功比和容量密度三種途徑來實(shí)現(xiàn)。但靠提高電池重量比顯然是沒有出路的。即使多旋翼沒有任務(wù)載荷，電池重量比最多也就能達(dá)到2/3，并不能使續(xù)航時(shí)間有根本性的提高?？刻岣呱Ρ刃Ч容^有限。升功比是旋翼類航空器的一個基本性能參數(shù)，一般實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值在5～10 KG/KW范圍，而且起飛重量越大，升功比會越小。提高升功比在技術(shù)有很大的難度，成本會增加很多?？刻岣唠姵厝萘棵芏纫膊滑F(xiàn)實(shí)。目前電池容量密度在0.2 KWH/KG左右，在短時(shí)間內(nèi)很難有較大的提高。以電池作為能源的純電動多旋翼面臨著續(xù)航時(shí)間短的技術(shù)瓶頸。

解決續(xù)航時(shí)間短的途徑是采用油電混合能源作為多旋翼的動力源。近年來，分布式油電混合電推進(jìn)技術(shù)有較大發(fā)展，所采用的油電混合電力系統(tǒng)是用燃油發(fā)動機(jī)直接發(fā)電，用電能傳導(dǎo)方式驅(qū)動旋翼電機(jī)。燃油能量密度為12KWH/KG，油電混合電力系統(tǒng)效率可達(dá)70%，等效下來有效容量密度為8.4KWH/KG。這比電池容量密度要高出40多倍。從續(xù)航時(shí)間公式看，燃料有效容量密度值要遠(yuǎn)大于燃料重量比值和升功比值，1KG燃油相當(dāng)于40KG電池所產(chǎn)生的電量，可以有效解決多旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短的技術(shù)瓶頸。

固定翼無人機(jī)的巡航時(shí)間解析

固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)在飛行原理上有根本性的差別，同樣使用電池提供能源，固定翼無人機(jī)的巡航時(shí)間要比多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間多很多。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)原理能夠得到下列公式：

飛機(jī)重量 = 空機(jī)重量 + 載荷重量 + 電池重量

電池重量比 = 電池重量 / 飛機(jī)重量

電池電量 = 容量密度（KWH/KG） × 電池重量 = 巡航功率（KW） × 巡航時(shí)間

巡航功率 = 飛行推力 × 巡航速度

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

經(jīng)整理得到：

巡航時(shí)間（H）= 10^2 ×電池重量比 × 升阻比 × 容量密度（KWH/KG）/ 巡航速度（KM/H）

式中的 10^2 = 1000/9.8 數(shù)值是等式量綱轉(zhuǎn)換常數(shù)。

為便于比較，將“多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間解析”中0.5的電池重量比，0.2KWH/KG的容量密度帶入公式，取15的升阻比，60KM/H的巡航速度，計(jì)算得到的巡航時(shí)間等于2.55小時(shí)。由此可見，固定翼無人機(jī)在巡航時(shí)間上要比多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間具有較大的優(yōu)勢。

固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)各自都有相對的優(yōu)勢和不足。固定翼巡航時(shí)間長，但需要一定的起降條件。而多旋翼能夠垂直起降，但續(xù)航時(shí)間較短。垂直起降固定翼無人機(jī)結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，在起降時(shí)采用多旋翼工作狀態(tài)，在巡航時(shí)采用固定翼工作狀態(tài)，從而克服了兩者相對不足，更加適應(yīng)于無人機(jī)的應(yīng)用

審核編輯：湯梓紅