2.3　動力

無人機按動力的不同分為油動無人機、電動無人機、油電混合無人機（見圖2-3-1～圖2-3-3），常用的電池有鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池（見圖2-3-4～圖2-3-6）。

2.3.1　常用動力系統

小型無人機（見圖2-3-7）的動力系統主要以電動機（見圖2-3-8）為主。電動的動力系統主要包含電機、電調、螺旋槳以及電池。

電機是指將電能轉化為機械能的一種轉換器，由定子、轉子、鐵芯、磁鋼這幾個主要部分組成。電機分為有刷電機和無刷電機，無人機的電機主要以無刷電機為主。無刷電機一頭固定在機架力臂的電機座上，另一頭固定螺旋槳，通過旋轉產生向下的推力。

電調是指電子調速器，其主要作用是將飛控板的控制信號轉變為電流的大小以控制電機的轉速，包括有刷電機電調和無刷電機電調（見圖2-3-9）。

螺旋槳（見圖2-3-10）是指將發動機轉動功率轉化為推進力或升力的裝置。螺旋槳有兩個重要的參數，即槳直徑和槳螺距，通常直徑單位是英寸（1英寸等于2.54厘米）、螺距單位是毫米，常用的8045槳就是指直徑8in、螺距45mm的槳。

無人機上的電池一般是高倍率鋰聚合物電池（見圖2-3-11），特點是能量密度大、重量輕、耐電流數值較高等。

以上就是小型無人機動力系統的組成部分，這些部分共同組成了無人機中極其重要的動力系統。

普通無人機動力系統通常有電動機以及內燃機兩種，其中以電動機為主，見圖2-3-8。動力系統各個部分之間是否匹配、動力系統與整機是否匹配，直接影響到整機效率、穩定性，所以說動力系統是至關重要的。不同大小、負載的機架需要配合不同規格、功率的電機，電機并不是越大越好，效率是最關鍵的因素。單獨的電機并不能工作，需要配合電調（見圖2-3-9），電調用于控制電機的轉速。與電機一樣，不同負載的動力系統需要配合不同規格的電調，雖然電調用大了沒太大影響，但電調大了機體自然也就重了，效率自然也不會提高。螺旋槳是直接產生推力的部件，同樣是以追求效率為第一目的。匹配的電機、電調和螺旋槳搭配，可以在相同的推力下耗用更少的電量，這樣就能延長無人機的續航時間。圖2-3-10的螺旋槳是有正反兩種方向的，因為電機驅動螺旋槳轉動時本身會產生一個反扭力，會導致機架反向旋轉，而通過一個電機正向旋轉、一個電機反向旋轉就可以互相抵消這種反扭力，相對應的螺旋槳的方向也就相反了。現今無人機的電池主要以鋰聚合物電池（見圖2-3-11）為主，手機領域也有部分使用鋰聚合物電池的，但這些電池的充、放電能力遠遠不及無人機的這些電池。而由于這些電池用于無人機的動力系統，所以也被叫作“動力電池”。

2.3.2　電調

電調是無人機動力系統的核心器件。電調全名電子調速器，英文名簡稱ESC，其在無人機上的主要作用是將直流電轉換為交流電、控制電機的轉速，其相當于汽車的變速箱。電調按功能分為兩種，一種帶BEC（BEC即穩壓模塊，一般是5V穩壓給飛控或者接收機供電），一種不帶BEC。多旋翼無人機（見圖2-3-12）的多數不帶BEC，航模則一般用帶BEC的。按種類特征的不同，電調可以分為單向電調和雙向電調。單向電調不能改變信號，控制電機反轉，雙向電調則可以控制電機反轉（一般用在競速型的3D機上，可以使競速機做3D動作）。

電調的選配應注意以下5方面問題。①應關注電調可以通過的電流的大小。應根據電機的最大電流來選配且只能高不能低（一般高5A或者10A）；應遵守電調的規格規定；應留有余量，低了會燒電調，太高則價格太貴。②應注意是否帶剎車。競速機選擇帶剎車的會比較靈活，普通機帶不帶剎車無所謂。③應關注是否帶過流保護。這一點非常重要，因為飛行的時候沒法保證不摔機，當電機被卡住堵轉的時候電流會非常大，此時帶過流保護的不會燒電調。④應關注響應速度問題。電調就和汽車變速箱一樣，響應速度快自然是靈敏的，響應速度慢就像老爺車一樣跑不動。⑤應關注電壓問題。電壓高了會燒電調，電壓低了則帶不動（一定要和電機匹配）。

2.3.3　動力源

要不斷推動無人機飛行性能的發展，動力系統的體積必須越來越小、重量必須越來越輕。當涉及功率密度時可以發現許多瓶頸問題。鋰聚合物（Li-Po）和鋰離子（Li-ion）電池的體積已經變得很小，價格也在人們的承受范圍之內。這歸因于手機行業的發展。因此這類電池被廣泛使用，故絕大多數（96%）的無人機都使用電池作為動力源。如果僅僅是為無人機系統增加電池數量，并不能延長其飛行時間以及擴展其負載能力。鑒于特定的能源現狀，想實現更高的有效載荷和更長的飛行時間就需要考慮以下2個因素，即質量比能和體積比能，質量比能是指每單位質量所具有的能量，體積比能是指每單位體積所具有的能量。當然，僅僅考慮能量源并不是正確的方式，因為整個系統（能源+推進系統）都會影響飛行的性能。如果推進系統（比如渦輪或燃料電池）非常沉重則具有極高能量密度的能源（比如煤油或H₂）并不會起到什么作用。另外，推進系統的效率因素也有很大的不同，電池供電系統可將73%的能量轉化為動力，燃料電池可將44%的能量轉化為動力，而燃料發動機則僅有39%的能量轉化為動力。另一個影響能源用途的因素是其預期的使命，比如無人機應該飛行的時間更長還是攜帶更高的負荷；無人機應該在有限的半徑內飛行還是在遙遠的云層之上飛行；這些問題對能源的選擇有很大的影響，不同的操作方案要選擇不同的能量源。

（1）鋰電池

鋰電池有很多優勢，例如充電方便、在大多數情況下可以沒有限制條件地進行運輸、沒有溢出或發熱的情況、通過更換電池塊可以很容易地完成能量補充。對于無人機來說，Li-Po和Li-Ion是最常見的動力源，但這并不是唯一的選擇。鋰亞硫酰氯電池（Li-SOCl₂）與Li-Po電池相比，其每千克的能量密度是Li-Po電池的2倍多，而鋰空氣電池（Li-air）每千克的能量密度則是Li-Po電池的7倍多，但這兩種電池卻沒有得到廣泛的使用，其原因是價格太高。鋰硫電池（Li-S）可能會被Li-Ion電池代替，因為Li-Ion電池具有高能量密度，還可以減少硫的使用。

（2）氫燃料電池

氫燃料電池有很多優點，比如沒有直接污染、沒有聲音。將液態H₂與鋰離子電池的能量密度相比較，它們之間的系數比是150，僅此一點就足以使氫燃料無人機進軍市場。燃料電池開發商巴拉德動力系統的子公司Protonex向波音公司的子公司Insitu提供了他們的質子交換膜（PEM）燃料電池。波音公司生產了軍用級和工業級的長航時固定翼無人機，比如“Phantom Eye”和“Scan Eagle”。FSTD Singapore已經在固體氫的需求動力系統領域獲得了突破。機器人技術開發商H₃ Dynamics也發布了其手動發射的固定翼無人機“Hy wings”的情況，這款無人機可以飛行10h，飛行范圍可達500km。Horizon Unmanned System公司發布的Hycopter無人機可以在零負載的情況下飛行4h，在負載約0.9kg的情況下飛行2.5h。Micro Multi Copter Aero Technology（MMC）公司專門為無人機推出商業化氫燃料電池“H-1燃料電池”。此外，MMC還設計和制造了世界上第一個氫動力無人機“Hy Drone1550”。蒙特利爾某能源技術公司的“H₂ Quad-1000”在有效載荷1kg的情況下可以飛行2h。Intelligent Energy也在銷售燃料電池動力無人機，其聲稱“Intelligent Energy的風冷燃料電池系統在氫氣和環境空氣的基礎上運行，產生清潔直流電源，而電池本身結構簡單、重量輕但很堅固，并具有成本效益，這種電池要比以鋰電池為基礎的系統能量質量比更高并且可以在幾分鐘內充滿電”。

（3）汽油、煤油、甲醇、乙醇、液化石油氣、丙烷

目前有許多成熟可用的汽油動力解決方案，其中的一些也具有卓越的飛行性能。UAV Factory公司的“Penguin C”固定翼無人機在油箱加滿時可以飛行超過20小時，Siebel的“CAMCOPTERS-100”在油箱裝滿時可以飛行6個小時。這種能量源的優勢在于高質量能量密度（W·h/kg）和體積能量密度（W·h/L）的結合。與Li-Po電池相比，汽油的質量密度是其48倍，而容積密度是其13倍。此外，內燃機堅固、小巧、重量輕，具有良好的耗油率。在耐力問題上，汽油動力無人機的另一個優勢是隨著時間的推移其重量減輕并使平臺更輕，從而增加了飛行范圍。

（4）氣電混合物

加拿大Pegasus Aeronautics公司和德國柏林YEAIR公司的產品是氣電混合引擎的最佳代表。兩家公司將電動機的快速反應和汽油動力飛行的優點結合在了一起。

（5）太陽能

過去幾年中，太陽能電池的效率不斷增加，從10%到近46%，達到了約175W/m²的單位面積功率。很顯然，這需要整個機翼的表面覆蓋大面積的太陽能板，這樣就可以和多旋翼無人機一樣進行正常的工作。硅谷的高科技公司也在探索太陽能無人機的潛力，Facebook希望通過其“Aquila”（高空、長航時）太陽能無人機將無線網絡帶向世界偏僻的角落，另外，還有谷歌現已解散的Titan項目。空客的“西風”無人機是一個高海拔的偽衛星（HAPS），可用來填補衛星和無人機之間的能力差距。“西風”無人機通過太陽能運行，可以在高于對流層天氣和商業空中交通的位置飛行，它的飛行高度可達21000m。Open Robotix Labs正在開發一款Mars航空車“XSOL-E1”，這是一款以太陽能提供動力的四軸飛行器，公司的一位發言人介紹其飛行時間取決于很多因素，但一般情況下可通過太陽能輔助技術將原來的15min的飛行擴展到40～45min。

（6）太陽能混合物

太陽能混合物（太陽能+電池）的耐力驚人。Alta Devices和Power Oasis已經宣布他們正合作研發世界上第一個集成太陽能和Li-Ion電池供電系統的小型無人機。無人機的參考架構為2～4m，使用5S～7S鋰離子電池。

（7）系留系統

系留系統可以在一個小半徑范圍內進行無限期的飛行，是監視和偵察的完美選擇。MMC公司的“T1”系留系統可以支持多數無人機，比如MMC的“TDrone1200”、大疆的“Matrice600”、DJI的“S1000”、Yuneec的“TyphoonH”、Intel的“Falcon8+”、Microdrones的“md4-1000”等。Bluevigil、Elistair、Drone Aviation Corp和SPH Engineering這些公司也有類似的項目。

（8）超級電容

石墨的單原子層會將超級電容提升到新的高度。2015年2月，通用電氣公司贊助超級電容的研究工作。內燃機、燃料電池之類的初級能源作為低功率的持續動力源可以很好地工作，但不能有效地處理峰值功率或回收能源，因為它們放電和充電都十分緩慢。超級電容器在峰值功率需求下可以提供快速爆發的能量，然后迅速存儲能量并捕獲可能會丟失的剩余動力。電容看起來似乎遠遠落后于電池的能量密度，但其似乎是一種超級的媒介物，可提升敏捷的油電混合動力配置。

（9）激光

Laser Motive公司已經研發出無人機功率鏈技術，即一種配備了激光接收器的功率光束無人機。2012年，洛克希德馬丁公司在Laser Motive的協助下展示了“Stalker”無人機，這款無人機在激光充電系統的基礎上持續飛行了48h。Stalker的項目經理Tom Koonce說“像這樣的地對空系統可以讓我們為Stalker提供幾乎無限的飛行耐力并擴展Stalker可以完成的任務范圍” 。德國的Ascending Technologies公司與Laser Motive在2010年通過一架小型無人機證明了這項技術的效率，這架小型四軸飛行器持續飛行了12h。

所有的無人機能量源在特定的任務中都有著各自的優勢。混合解決方案（能量源和推進系統）符合向清潔能源過渡的需求。由于混合物可以均衡利弊成為一種單獨的技術，所以將兩個領域中最好的物質相結合似乎是一個明智的選擇。此外，從其他領先的領域（比如汽車）中也可以看到這是一種明智的舉動，尤其是當涉及降低未來大規模生產和基礎設施的成本時。