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(jìn)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(fù)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(jìn)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(tuán)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(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(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(jìn)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(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(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)提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

　　農(nóng)業(yè)種植：無人機通過精準(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(yuǎn)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(jìn)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