科普 | 固定翼無人機航程航時知多少

對於固定翼工業無人機，航時和航程是最重要的飛行性能指標。航程遠表示飛機活動範圍大，使用區域受限少；航時久表示飛機留空時間長，單架次獲得信息更多。航拍測繪、森林防護、巡邏偵察及運輸等作業，均對無人機的航時和航程要求較高，以期減小出動架次，提高作業效率。

對於固定翼無人機最重要的性能指標――航程和航時，我們又知道多少呢？本文就和大家一起探討固定翼無人機航程航時的那些事兒。

航程航時定義知幾何

固定翼無人機的航程是指無人機攜帶有效裝載，在標準大氣和無風（平靜大氣）情況下，沿著預定航線飛行，耗盡其可用燃料或可用電量所經過的水平距離，航程一般用R表示。

航時是指與航程同樣大氣條件下，耗盡可用燃料或可用電量所能持續飛行的時間，一般用t表示。

無人機沿預定航線飛行，一般包括上升、巡航和下滑三個階段，如圖1所示。因此航程和航時應是三段分別的航程和航時的總和。即：

航程和航時合稱為無人機的續航性能，主要研究無人機能夠飛多遠、飛多久的問題。

一般，對於大型無人機來說爬升和下降段的航程和航時只佔航程和航時的10%左右；而對於小型無人機，一般爬升率較小，要在較高的高度飛行，爬升所需時間較多，爬升段所佔航時的比重將增加。

應注意的是，航程和航時是在標準大氣和無風（平靜大氣）這一基準環境下定義的。簡單說，所謂標準大氣就是相對溼度為0，海平面大氣溫度為15℃，氣壓為101325Pa，空氣密度為1.225kg/m3所對應的大氣環境。

不同大氣環境，無人機的續航性能不同。就好比汽車，加滿一箱油的續航裡程，是需要在給定路況來測定的。高速路和鄉村道路測出的續航裡程和續航時間肯定是不一樣的。

那對於無人機，哪些因素會影響續航性能呢？下面我們一起系統的梳理一下。

航程航時影響因素有多少

首先影響無人機續航性能的是飛機的設計參數，主要包括飛機的升阻特性、發動機的性能、電池的容量、螺旋槳的氣動特性、飛機結構重量等等。這些影響因素，在無人機出廠之前已經確定了，已經無法更改。而對於無人機飛手或者使用無人機作業人員來說，更關心的是飛行中的外部影響因素或可變影響因素對無人機續航性能的影響。這些因素也是我們討論的重點。

一架完成設計定型的無人機，其續航性能受到的外部影響因素和可變影響因素主要包括：任務載荷重量和能耗、飛行速度和高度、大氣溫度和溼度、飛行中機動動作、風及電池壽命等。

任務載荷重量和能耗

任務載荷重量越大，無人機飛行重量增加，導致飛機穩定平飛時所需升力增加，進而阻力增加 （如圖2），使發動機或電池的功耗增加，降低了飛機的續航性能。有數據顯示，重量增加20%，無人機航程和航時分別減小26%、19%；重量減輕對航程和航時均有利，重量減輕20%，航程和航時分別增加45%、29%。

現在無人機根據任務需求的不同，可以搭載不同的任務載荷如相機、雷射雷達等等，不同的任務載荷，能耗也不同，任務載荷的能耗需求佔用了無人機用於飛行的油量或電量。因此，任務載荷的能耗大，無人機的續航性能會下降，反之亦然。

飛行高度和速度

飛行高度（Hp）和速度主要對無人機的發動機性能和升阻特性影響較大，從而影響無人機的續航性能。但是，飛行高度和速度對於裝備燃油發動機和電動發動機的無人機影響有所差異。

圖3給出某型油動無人機發動機小時油耗隨高度、速度的變化曲線。可見，對於裝備燃油發動機的無人機，其小時油耗隨著高度的增加而減小（隨著高度增加，為保持飛機平飛，飛機的真空速會略有增加），隨著速度的增加而增加。無人機的航時隨著高度的增加而增加；隨著速度的增加而減小（如圖4）。發動機的小時耗油率最低，飛行時間最長的速度點稱為久航速度。航程隨著飛行高度的增加而增加，隨著速度的增加呈拋物線狀，會有一個航程最大的速度點，稱為遠航速度，如圖5。

對於電動無人機，發動機的性能受高度和速度的影響較小，飛機續航性能變化主要是因為隨飛行高度速度的變化，飛機的升阻特性變化較大，導致飛機不同高度、不同速度穩定平飛時的平飛需用推力和定距螺旋槳的工作狀態不同，進而導致電動機的功耗不同，最終影響飛機的航程和航時。

以某小型電動無人機為例，圖6給出了不同飛行速度、不同飛行高度下飛機的平飛需用推力曲線，說明不同高度、不同速度飛機所受阻力不同。圖7至圖9分別給出了航時、巡航時間（穩定平飛作業段）和有效巡航裡程（穩定平飛作業段）隨飛行高度和速度的變化規律。對於電動小型無人機，隨著高度增加，飛機的航時和航程均減小；隨著速度的增加，飛機的航時和航程先增加，後減小，航時最大出現在平飛需用推力（平飛阻力）最小的速度點；航程最大的速度點略高於航時最大的速度點。圖10給出理論計算結果與實際試飛結果的對比，也可證明規律的正確性。

需說明的是，圖6至圖9的數據，飛機起飛高度均為海拔高度0米。對於小型電動無人機來說，爬升階段耗電量較大，過高的爬升距離會對航程和航時產生一定的不利影響。

大氣溫度溼度

大氣溫度和溼度對於無人機飛行的影響規律基本是相同的。溫度溼度越高，空氣密度越小，螺旋槳產生的推力越小，相同飛行條件，需要提高螺旋槳轉速，彌補推力損失，所以發動機的功耗增大，導致無人機續航性能下降；反之提高。因此，一般乾燥的冬季飛行，無人機續航性能較好，夏季較差。

飛行中的機動動作

飛行中小半徑轉彎盤旋、速度的快速變化、高度的快速增加均會引起無人機的阻力和發動機能耗的增加，導致無人機飛行時間和飛行距離減小。

風的影響

影響無人機續航性能的風包括持續穩定的風和陣風。

與無人機飛行速度方向平行（順風和逆風）的穩定風不會對無人機的航時產生影響。與無人機飛行方向有一定夾角的風會降低無人機的續航性能。無人機保持航行不變的飛行中，遇到不平行於無人機飛行方向的風時，會使無人機的空速與無人機對稱面之間形成一個夾角，該夾角稱為側滑角（如圖11），帶有側滑角的飛行時，無人機的阻力會隨側滑角的增加而增加（如圖12），導致無人機發動機的能耗增加，降低無人機的續航性能。

陣風（突風、亂流）使無人機的指令飛行狀態改變，自動駕駛儀會調整無人機發動機和操縱舵面以保持無人機的指令飛行狀態，以克服陣風對飛行的影響，該過程需要額外的消耗能量，這也增加了無人機發動機的能耗，降低無人機續航性能。

電池壽命

對於電動無人機，電池的使用環境、使用充放電循環次數也會影響到電池的放電量，進而影響無人機的續航性能。

一般，鋰電池合適的使用環境溫度在20℃~40℃，此時，其放電量最大；隨著溫度的降低，電池放電量減小（如圖13）。無人機空中飛行時，大氣溫度較低，若使用未進行保溫措施，無人機的續航性能有所降低。

隨著電池的充放電循環次數增加，電池的電容留存率逐漸減小（如圖14），電池飛行中可用電量減小，導致無人機續航性能降低。

提高航程航時措施有多少

無人機飛行中的航程航時影響因素眾多。對於無人機飛手或無人機作業操作人員來講，最關心的可能就是怎樣飛出最佳航程和航時，以提高作業效率。通過前面航程航時影響因素的分析，可以有以下提高航程和航時的措施：

選擇合理的飛行高度，儘量接近無人機的久航高度或遠航高度。

根據任務需求，明確任務需要的是長航時還是長航程；若需要長航時，選擇久航速度為飛行速度；若需要長航程，選擇遠航速度為飛行速度。一般遠航速度略大於久航速度。無人機設計廠商一般給出的巡航速度為無人機的久航速度。

合理規劃飛行航線，儘量減小在作業過程中的小半徑轉彎，飛行高度和速度的快速增加等機動。

如果條件允許，可選擇氣流平穩，溫度較低的時間進行無人機作業。

注意電池養護及合理使用。​​​​