最好的旋翼飞行器（航空史话溯洄从之）
最好的旋翼飞行器（航空史话溯洄从之）小伙子把遥控器上的IPAD拿下来指点着：“这条航线是每天任务里最长的。”小伙子：“没有没有！我先说一下事情的经过吧。今天飞的内容跟昨天一样，3号航线监视林区容易发生火灾的敏感的点，一共有5个拍摄点，按要求每个点要在70米高度拍摄9张照片，最后在这里降落换电池。”「航空史话」异军突起——多旋翼飞行器的起源在山上远眺深秋的北方原始森林，绿色、黄色、红色井然有序、色彩缤纷。淘金客来到这里起初打着如意算盘——趁着新型号无人机冬季测试的工夫好好饱一下眼福。没想第一次进入林区就是处理一件麻烦事。爬上一个小山坡，两个垂头丧气的小伙子朝这边走，手里还拿着白色的遥控器，其中一个人用单脚蹦跳着。淘金客：“怎么？脚受伤了？”
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「航空史话」飞不高？再加个翅膀！——多翼飞机小史
「航空史话」异军突起——多旋翼飞行器的起源
在山上远眺深秋的北方原始森林，绿色、黄色、红色井然有序、色彩缤纷。淘金客来到这里起初打着如意算盘——趁着新型号无人机冬季测试的工夫好好饱一下眼福。没想第一次进入林区就是处理一件麻烦事。爬上一个小山坡，两个垂头丧气的小伙子朝这边走，手里还拿着白色的遥控器，其中一个人用单脚蹦跳着。
淘金客：“怎么？脚受伤了？”
小伙子：“没有没有！我先说一下事情的经过吧。今天飞的内容跟昨天一样，3号航线监视林区容易发生火灾的敏感的点，一共有5个拍摄点，按要求每个点要在70米高度拍摄9张照片，最后在这里降落换电池。”
小伙子把遥控器上的IPAD拿下来指点着：“这条航线是每天任务里最长的。”
无人机可以直接在地面站上设定好航线后自动飞行
淘金客：“然后呢？”
小伙子：“第4个点拍完地面站上就开始低电压报警，我们手动接过来，准备紧急降落，但通过摄像头看那一片全是树木，完全找不到紧急着陆的地方……”
淘金客：“电池确定是满电？”
小伙子：“肯定是，而且挑的是最新的一组。不过，最新的这一组也飞了有一个多月了，我们每天要用差不多20组电池，这一组是所有电池里最新的。”
淘金客：“平时飞这条航线要多少时间？”
小伙子：“20分钟，速度设的是12米每秒。不过今天风比较大，林区上空估计有5级风。”
森林防火巡检现在大量应用无人机解决
淘金客抬头看了一下：“风是很大，现在气温是零下10度，电池电量要打折扣的，不适合飞这么长的航线啊。”
小伙子辩解：“我们觉得飞行的时候电池会发热，气温低一点应该没问题……”
淘金客：“唉，飞的时候没问题，可气温太低的时候，充电根本就没充满啊！算了，飞机呢？”
小伙子：“……挂在树上了。”
淘金客：“那你这脚……鞋坏了？”
小伙子：“不是，我、我想把飞机弄下来，就用鞋去扔……”
淘金客：“砸下来了？”
小伙子：“没有……鞋、鞋也挂在树上了……”
……
野外挂在树上非常麻烦
续航之殇从多旋翼无人机异军突起之时起，短腿的忧伤就一直伴随着它。这不是“喷火”、Me109战斗机那种飞不过英吉利海峡的淡淡的忧伤，而是Me163“彗星”火箭战斗机那样10分钟高速爽一把，然后全靠滑翔的重度忧伤！因为续航不够，多少“精灵”、“悟”、“御”就这样静静躺在水底、森林、草丛中，被游鱼围观，听蟋蟀唱歌……
大面积水域是无人机的痛点，不过配图是防水型无人机
上一篇文章里也讲到，现在的锂电池能量密度只有汽油的约四十分之一。而麻烦还远不止于此，众所周知，锂电池低温下容量会大打折扣，冬天各位手机的续航时间都要短很多。这里其实有个误区，锂电池并非真的低温下性能很差，讲人话：锂电池活跃的温度区间是固定的，电池制造商如果要让锂电池在低温下性能好，并非做不到，但这样的锂电池在高气温下就会极不稳定！近年来电动汽车自燃的事故层出不穷，这还是电池低温性能不好，如果换成低温性能好的电池……那夏天的南方街头可能会时不时放个烟火！所以电池厂商两权相害取其轻，宁可让低温下电量少一点，也不能高温下变炸弹呀。这一来就苦了多旋翼无人机，汽车没电了大不了就是停在地上，飞机没电了就要命——水面、林区这些哪里去找地方降落？
锂电池低温性能差，是为了防止它高温下自燃
锂电池充电慢也是个不大不小的麻烦。说不大是因为无人机轻，所以能快速更换电池，一般不用像汽车电池不可拆卸，充电要等很长时间。说不小是因为无人机上电池放电功率要比汽车上大得多，平时个人拍个照玩一下就算了，真要干活，像前述的林区防火巡检，每架飞机每天飞8个小时以上，就要准备20多组电池更换！这20多组电池到了要充电的时候就是大麻烦了，因为充电器、接线的数量有限，而且一起充功率实在太大，只好轮流充电。飞手们说：感觉就像刚添了娃要喂奶的那时候——夜里要时不时起床，换一批电池接着充电……
续航时间短就要多组备电，充电速度又慢，晚上也很辛苦
更麻烦的是多旋翼无人机要靠发动机硬扛重量，还要爬升、抗风，所需的功率相对来汽车要大得多。电池在这么大功率的“放电-充电”循环中，寿命下降很严重。电动汽车上的电池可以用个好几年，多旋翼无人机的电池寿命呢？大约100次充放循环后，就会降到90%的容量以下了。汽车电池容量下降就是充电频繁一些，顶多停在路边等救援；无人机电池容量下降，可能就是永远回不来了。
寿命到了电池还会鼓包，继续使用会非常危险
锂电池的电量在逐步消耗的时候，电压是平缓的下降的，但到了电快耗光时，电压会突然跳水一样的下跌！电压陡降会导致电动机的最大功率严重下降！电动机有个KV值，意思是给这种电机供电时，每伏电压最大能提供多少转数，电压突然下降就意味着转速严重下降，表现在飞机上是严重掉高度、失去稳定性，最后直接坠毁。即使勉强着陆，电池过度放电对寿命也有非常严重的影响。
电量不足的飞机往往眼睁睁地看着炸机
飞得更远说了这么多缺陷，多旋翼无人机难道注定就是只能卖卖萌的小短腿，干不了正经活儿吗？很多设计师一直在努力。锂电池的发展现在遇到瓶颈，那能不能不用锂电池？于是有人又把脑筋动到了汽油发动机上。开始就是用汽油发动机直接换掉电动机，驱动螺旋桨。可是前文说过，发动机的响应速度慢，调整转速远不如电动机那么灵敏。而且活塞发动机的油门控制是通过机械连杆来调整的，连杆机构中还存在虚位——就是连接件中有微小的空隙。这些空隙会让响应速度更慢。
汽油机上的油门通过连杆由舵机控制，其中的间隙也会降低响应速度
响应速度太慢，飞机就不能飞得平稳。怎么办呢？加大尺寸是个办法。尺寸大了，各个螺旋桨的升力力臂变长，姿态改变的周期也会变长，这样响应速度就算慢一点也不是大问题。最后能稳定飞行的汽油机直驱多旋翼无人机，变在了200多公斤的庞然大物，用6台双缸的汽油机，可以带起60公斤的载荷，续航时间也延长到了2个小时，兄弟公司给它取的名字叫“大壮”！
汽油机直接驱动螺旋桨的“大壮”
这个大家伙要解决的问题不少：无人机上用的汽油机通常要手动启动，用手拨动螺旋桨或者用启动器。在“大壮”上显然不能这样，太危险，而且依次启动了2、3台发动机后让无人机不稳定会倾覆，于是要加装6台启动电机一起启动，无形中增加不少重量。这类汽油机采用的是化油器，油针调成一致也不是件简单的事，而且每次从冬天到夏天都要调整……不过解决了这些问题后，这架飞机飞得相当平稳，喷撒农药真是把好手！
不过“大壮”实在太大了，很多活儿干起来着实不方便，能不能小一点呢？于是又有兄弟公司试图用单台发动机来驱动多个旋翼，改变升力不调整转速——那样太慢，转为调整螺旋桨的桨距。桨距是旋翼的桨叶与旋转平面之间的倾角，可以简单认为，这个倾角越大升力就越大。改变桨距的机构在直升机、螺旋桨飞机上都很常见。传统的电动多旋翼无人机都是定距桨，把它们改成变距桨似乎就可以了。
改变桨距也能改变升力
结果呢？变距多旋翼无人机至今还没见到有成熟的产品问世，它虽然减少了发动机的数量，但面临的问题比“大壮”还要多！首先，1台发动机的动力要驱动4-6个甚至8个旋翼，需要复杂的传动机构；其次，需要安装4-6个甚至8个变距机构，仅此两点，就让整架飞机的机械结构复杂无比！直升机的安全性本来不好，科比最近的空难就证明了这一点，原因之一就是机械结构太过于复杂，直升机要有变速箱、周期变距、总距控制、尾桨传动、挥舞铰、摆振铰（也可以用稍简单的跷跷板，但性能不好）……想想就头晕，任何一个机构出故障都可能是致命的！而现在变距多旋翼无人机要这把个复杂性增加好几倍……
变距多旋翼无人机，注意观察旋翼
不仅如此，改变桨距产生的升力变化不是线性的！也就是说很不规律，桨距改变以后发动机的负荷发生变化，转速实际上也会改变，如果要转速不变，油门又要适当加减……产生的升力不稳定不说，控制律也变得复杂起来。而原本成熟的固定翼飞机上，改变桨距的目的让螺旋桨在不同速度下工作，改变推力并不是主要的。所以固定翼上那一套控制规律不能直接套用到多旋翼飞机上。最后由于发动机机械传动系统太难做，最终版改成了用4台汽油各驱动一个变距桨，结构简单了不少，但飞机的个头达到了近200公斤，一点也不轻！
飞行似乎还算稳定
淘金客常常感慨：多旋翼无人机本来是靠结构简单、成本低廉、操作方便取胜，从电动机变为汽油机后，一下子把原本的好处消磨殆尽了。真要用发动机驱动旋翼，还不如直接做成单旋翼带尾桨或者共轴双桨的直升机算了……做产品和做技术研发不一样，一定要注意取舍。
混合动力多旋翼飞行器上，纯粹靠汽油机取代电动机会大大增加尺寸和复杂性，让原本轻巧的无人机变得笨重不堪。有些厂商就在想，能不能同时拥有两者的优点呢？有厂商的方法很直接：在飞机中间装汽油机，直接驱动一对共轴旋翼（抵消扭矩），提供主要升力；周围再装6-8个小的电机和旋翼，负责调整姿态，也提供部分升力。只用了1台汽油机，个头一下就降下来了！
模样奇特的“油 电”多旋翼无人机
这是个简单直接的办法，可以沿用电动多旋翼无人机的飞控系统，只做少量修改。不过它的缺点也很明显：首先，主旋翼在上方，强劲的下洗气流吹到机身的主体结构上，升力损失很大。装到下方应该会好一些，可下方是无人机上视野最好的位置，装了旋翼就不能安装各种观察设备了，所以只好装在头上，象机器猫一样；其次，既要加油又要充电也就罢了，在空中飞行的时候，哪一个都不能少！电没了油没了都是大问题。这种飞机仍然受限于电池，续航时间约2个小时。
敢到海面上飞了
再下来另一家兄弟公司一不做二不休，研发了下图的这个装置，前两天的微头条里发过了。这个装置类似增程式混合动力汽车的增程器，核心是一台日本小松的汽油机，并不直接驱动旋翼，而是将动力全部用来发电。输出的电功率最大有2千瓦，自身的重量约4公斤（不含油）。这种油电混合的增程器可以直接替换原来电动多旋翼无人机上的电池，不像前述的汽油机直驱定距桨需要那么多台发动机，它1台就够了；不像变距多旋翼那要需要很多套传动、变距机构；不像汽油机 电动机的混动方式那样既要担心油又要担心电……
专门为无人机优化的油电混合动力增程器
这种混合动力系统对多旋翼无人机结构的影响也是比较小的，其它部分如电机、桨、飞控系统……全都可以继续使用成熟产品。对续航力的贡献也比较明显：一架安装了混合动力系统的无人机一口气飞跃了整个渤海湾，从烟台到大连，用时2小时55分钟！而且这种海上飞行也展示了良好的可靠性——陆地上试飞发现不对头可以原地紧急降落，海上就要麻烦得多，虽然有船跟随，但海上风浪的颠簸让降落非常困难。
飞越渤海湾
结语多旋翼无人机要增加续航时间，终于有了油电混合的增程器这样一个比较成熟实用的解决方案。这种模式汽油机工作在恒定的工况下，比较省油也容易调整。这种模式也倍受各大汽车厂商的欢迎，BMW为它的I8推出了增程器，丰田甚至专门为一种直线发电机申请了专利，这种发电机省掉了曲轴连杆和旋转的发电线圈，直接利用活塞的往复运动发电，更加紧凑高效可靠……
丰田的无曲轴直线活塞发电机结构图
但是，淘金客要说，这种混合动力也并不完美，从“电”又回到“油”，对多旋翼飞行器来说算是一种退步。“溯洄从之，道阻且长”，有没有其它的办法增加续航时间呢？当然还有，下一篇文章我们再见！
