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摘要：通过目前多旋翼技术优缺点的描述，介绍了部分国内外先进的混合动力多旋旋翼技术的发展水平，重点阐述相关技术的原理和特点，针对不同动力混合形式的特点进行对比，最后对混合动力多旋翼的关键技术和发展趋势进行了分析。
关键词：多旋翼，混合动力，长航时，无人机
引言
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种由动力驱动的，具备无人驾驶功能并可重复使用的飞行器的简称。自1917年英国人研制了第一架无人机以来，无人机技术飞速发展，尤其是多旋翼无人机，因其控制简单、使用方便。，目前已广泛应用于航拍测绘、电力巡检、城市安防、通讯中继、物流运输等各大领域。[1，2]
受限于锂电池放电能力限制，续航时间成为制约多旋翼无人机应用的主要因素。锂电池的能量密度约为较低，且低温环境下放电能力不足，燃油动力具有更高的能量密度，且低温环境下其燃烧效率更高。因此在原有锂电池动力基础上增加燃油动力的混合动力，成为多旋翼长航时研究的重点。
1.混合动力多旋翼技术研究简介
燃油与电动混合动力系统混合动力主要有并联、串联和混联三种混合形式。[3]。此外，为解决多旋翼无人机飞行速度慢、航程短的问题，许多公司也推出了多旋翼/固定翼混合布局无人机，其结合电动多旋翼垂直起降优势与油动固定翼巡航速度高、航程长的优势，大大拓宽了传统无人机的应用层面。
1）并联式混合动力多旋翼无人机
并联混合动力形式为燃油动力与电池动力独立工作，燃油系统直接驱动主旋翼提供主要升力，锂电动力系统通过驱动电机提供部分升力与操控力矩。
采用并联动力混合形式典型代表为中国艾特航空的艾特1290多旋翼和天圣航空的天圣TL-YD1060多旋翼。艾特1290结合了共轴双桨直升机和传统多旋翼的结构特点，采用“8+2”轴的结构形式。其中“2”轴使用29.5cc汽油发动机作为动力，采用共轴双桨旋翼结构，提供无人机悬停时的主要升力。“8轴”为传统多旋翼的电动无刷电机，采用锂电池作为动力，主要提供无人机飞行时的姿态控制。续航时间可大120min。如图2所示。TL-YD1060多旋翼与艾特混合无人机的工作原理相似，利用燃油发动力提供一部分升力从而提高传统四旋翼无人机的续航时间。
2）串联式混合动力多旋翼无人机
串联式混合动力系统的升力来源全部由动力电机驱动旋翼提供，燃油系统通过发电装置产生的电能，并经稳压器稳压整流后为锂电池充电，提供电机工作所需的电能。
采用串联混合形式的无人机的典型代表为美国Top Flight公司2015年推出的混合六旋翼无人机。其动力系统由16000mah的锂电池和3加仑汽油发电机组成，可提供5kw的混合动力输出，其可负载9kg载荷飞行2.5小时，其运载能力与续航性能远超同级别的电动多旋翼无人机。
2017年，俄罗斯军团航空公司研发出了Hybrix-20油电混合动力四旋翼无人机。该四旋翼无人机同样采用小型汽油发电机和锂电池形成混合电力推进装置实现飞行，最大起飞重量20KG，可续航超过4小时。
同年，蜂巢航宇公司HC-330无人机安装油电混动装置进行飞行验证，验证飞行从威海市出发跨越渤海海峡飞抵大连市，全程飞行距离超过150公里，飞行时间2小时55分钟。
华科尔与微型发电机生产商Gen Smart联合推出了甲醇+锂电池的小型化油电混合模块，该模块采用两冲程100cc甲醇机作为动力来源，模块重量只有1.2kg，可提供1.5kw的峰值功率，该模块应用在华科尔QR X900无人机上最大起飞重量10kg，续航时间超过1小时。QL-1200无人机搭载H2混合动力系统，其起飞重量可达18kg，续航时间可达120分钟。
3）混联式混合动力多旋翼无人机
混联无人机动力系统为串联与并联混合动力形式的结合，发动机在直接驱动螺旋桨产生升力的同时，将剩余功率通过传动装置驱动发电机产生电能，并经过锂电池储能后驱动无刷电机产生飞行动力
目前，受限于小型发动机功率限制，混联形式的混合动力系统应用较少，南昌航空大学[3，4]提出了一种混联混合动力多旋翼无人机的设计方案，该无人机采用OS 38154 GT 15HZ单缸二冲程汽油活塞发动机配以直流发电机和稳压装置，并采用锂电池作为储能装置的混合的动力系统。该机采用折叠结构减小无人机尺寸并在机臂上安装反扭气动舵面减小反扭力矩，提高旋翼飞行效率。其结构图如图1所示。
4）多旋翼/固定翼复合布局无人机
多旋翼无人机使用简单，对起降场地要求低，固定翼无人机具有航时长、飞行速度快的优点。固定翼与多旋翼复合布局无人机兼具两者优点，既可以像多旋翼无人机一样无需跑道进行起飞降落，又可以像固定翼无人机一样进行高速、长时间和远距离巡航作业。固定翼与多旋翼相结合混合布局无人机逐渐成为近年研究的热点。
复合布局混动无人机起降时为多旋翼构型，利用锂电池与无刷电机作为飞行动力实现垂直起飞与降落。空中巡航时，无人机可采用燃油发动机提供飞行动力实现长时间巡航，从而大大提高无人机的飞行半径和续航时间。其典型结构形式如图所示：
多旋翼/固定翼复合布局无人机
四川纵横研发的CW-30混合动力无人机，采用四旋翼与双尾撑固定翼复合布局，后置推力式燃油发动机，该机最大起飞重量34公斤，续航时间3～6小时，最大巡航速度36m/s。该机无需跑道即可起降，与同级别多旋翼相比，其续航时间与飞行速度大大提高。
2．关键技术分析
1）混动模式选择与动力匹配
由于无人机应用场景不同，因此无人机工作时工作特性也有所差异。混合动力设计的理念在于解决单一动力的限制，促进能源的利用，提高无人机续航与载重等动力性能。在进行混合动力多旋翼设计时，应充分结合无人机的使用环境、载荷类型以及主要飞行剖面，合理选择混动模式与动力参数，提高无人机的飞行效率。
例如，在电力风机巡检、城市活动安防等应用中，无人机主要工作方式为悬停或低速飞行，因此可采用油电混动多旋翼无人机，通过提高无人机时间增强无人机的使用范围与作业能力。而对于测绘、管道巡检、森林防火等大范围工作场景，可考虑采用多旋翼与固定翼复合布局形式的混合动力无人机，降低无人机对起降场地的要求，提高无人机的飞行速度与作业范围。
2）能源智能管理
无人机混合动力系统涉及到多种动力的混合与叠加，如何对多动力源进行合理的分配与管理，是无人机高校飞行的保证，因此，多能源的智能控制与管理也是混合动力无人机的关键技术[5，6]。混动多旋翼主要以锂电与燃油发动机混合为主，合理的控制策略是混合动力无人机控制的核心，它依据无人机飞行特性和飞行阶段，自动协调燃油发动机/发电机以及动力锂电池之间的能量流动，并合理分配各动力系统的能量输出，满足无人机高效可靠飞行的动力分配。
能源智能管理系统也是无人机安全飞行的保证，在某单一动力失效时，能源管理系统可迅速实现动力切换，实现无人机的安全应急回收，提高无人机的使用用安全性。
3）小型高效燃油发电机技术
多旋翼无人机对设备重量要求严格，且多旋翼悬停所需功率大，因此，混合动力多旋翼对油电转换装置要求较高，既要满足无人机飞行时的功率需求，也要满足无人机整体重量要求。虽然燃油动力能量密度较高，但燃油发电机自重较大，占据大量载荷重量。因此，小型化高效化的燃油发电装置是提高多旋翼续航能力的关键技术所在。
参考文献：
[1] 秦博，王蕾. 无人机发展综述[J]. 飞航导弹，2002，（08）：4-10.
[2] 杜孟尧. 太阳能/氢能混合动力小型无人机设计及关键技术研究[D].北京理工大学，2015.
[3] 宗剑. 油电混合动力多旋翼飞行器设计与研究[D].南昌航空大学，2017.
[4] 混合动力多旋翼无人飞行器设计与气动特性研究[J]. 宗剑，王云.机械研究与应用 . 2016（05）212
[5] 胡雨. 通用飞机油电混合动力系统设计与优化[D].沈阳航空航天大学，2014.
[6] 杨明明. 燃料电池无人机电源管理系统的研究[D].沈阳航空航天大学，2015.
作者简介：
苏京昭，男，汉族，1990年9月生，2015年南京理工大学硕士毕业，就职于中国电子科技集团公司第三十八研究所，从事飞行器设计相关工作。
论文作者:苏京昭,李晗,王青杰
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/7
标签：无人机论文; 旋翼论文; 混合动力论文; 动力论文; 燃油论文; 锂电池论文; 升力论文; 《建筑模拟》2018年第11期论文;