给无人机换上 “新心脏”：并联混合动力系统如何让中高空长航时无人机更高效？

为解决 MALE 类 UAV 现有推进系统效率低、污染大及全电推进续航不足的问题，伊斯坦布尔耶迪兹技术大学研究人员开展并联混合动力推进系统研究。结果显示该系统提升 UAV 性能，此研究为 UAV 动力改进提供方向，值得一读。

　　

在当今科技飞速发展的时代，无人机（Unmanned Aerial Vehicles，UAVs）的身影可以说无处不在。无论是在军事领域执行侦察任务，还是在民用领域进行农业植保、快递配送，无人机都展现出了独特的优势，深受大家的喜爱。它凭借着环保、噪音小、效率高的特点，在现实生活中的应用越来越广泛。

不过，无人机在发展过程中也遇到了一些麻烦事儿。就拿它的动力系统来说，根据不同的分类，无人机有着不一样的动力系统架构。像微型、小型无人机，可能会选择电力驱动；但到了中高空长航时（Middle Altitude Long Endurance，MALE）这类对动力要求较高的无人机，传统的内燃机（Internal Combustion Engines，ICEs）就成了主要的动力来源。可这内燃机也有不少让人头疼的问题，效率不高不说，还会排放有害气体，对环境造成污染。而且，随着全球对能源问题的关注度越来越高，石油公司的一份报告更是敲响了警钟：未来，化石燃料可能会面临短缺的危机。这可怎么办呢？科学家们把目光投向了电力驱动和电机，它们效率高、运行成本低，还环保，简直就是 “理想型”。但现实很残酷，目前的电池技术限制了全电力驱动无人机的发展，尤其是在长航时和远航程方面，全电力驱动的无人机显得有些 “力不从心”。

为了解决这些难题，来自伊斯坦布尔耶迪兹技术大学电气工程系的研究人员 Emre Kurt、Ahmet Yigit Arabul 等人，在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为 “Parallel hybrid propulsion system with integration of designed electric machine for medium altitude long endurance UAV” 的论文。他们经过一番努力，找到了一个不错的解决方案 —— 并联混合动力推进系统。研究发现，这个系统不仅能让无人机的续航时间更长，还能降低内燃机的负荷，减少燃油消耗，这对无人机的发展来说，意义可太重大了！

研究人员在开展这项研究时，用了几个很关键的技术方法。首先，针对无人机设计了一款电机，计算出电机的各项参数，还通过计算机辅助软件创建了电机模型并进行模拟。然后，根据参考无人机的规格，在 MATLAB Simulink 里创建了 Rotax 914 内燃机模型，还考虑了海拔对其性能的影响。接着，参考现有的 MQ - 1 Predator 无人机，利用 DATCOM 软件计算空气动力学系数，创建了 UAV 模型。最后，把这些分别创建好的模型，通过辅助模块连接起来，形成完整的系统模型，还设定了任务剖面进行模拟研究。

下面咱们来看看具体的研究结果。

电机建模

研究人员从确定电机的功率、速度等参数入手，经过一系列复杂的计算，得出电机的各项尺寸数据。之后，他们创建了电机的计算机辅助模型，并在 ANSYS Motor - CAD 软件里进行模拟。模拟结果让人眼前一亮，这款设计的电机效率高达约 95%，功率和扭矩的值也和预期目标相符。研究人员还把电机模型和经过认证的飞机电池模型连接起来，通过系统级建模，更方便地控制电机的速度和扭矩，还能跟踪电池的充电状态（State of Charge，SoC），保证电池的使用安全123。

内燃机模型的生成

研究人员按照参考无人机的规格，在 MATLAB Simulink 里搭建了 Rotax 914 内燃机模型。这个模型可没那么简单，它参考了安装手册里的数据，还考虑到了飞机飞行高度对内燃机性能的影响。为了更贴近实际，研究人员还添加了变速箱模型，模拟机械部件的影响。这样，就能更准确地计算出内燃机的输出功率，为后续研究提供可靠的数据支持456。

参考无人机模型的生成

研究人员以 MQ - 1 Predator 无人机为参考，借助 DATCOM 软件计算出空气动力学系数，再把这些数据导入 MATLAB Simulink，结合环境力、重力等因素，创建了无人机模型。在这个模型里，研究人员还考虑到了飞机上剩余燃油量对重力的影响，以及风对无人机的作用。不过，为了简化研究，他们只模拟了无人机的俯仰运动，让飞机能在理想高度保持稳定789。

单独创建模型的组合

研究人员把之前分别创建好的电机、内燃机和无人机这 3 个主要模块，通过辅助模块连接起来。这些辅助模块可发挥了大作用，它们能调整油门指令，让飞机保持设定的速度，还能给电机和内燃机发送速度指令，计算产生的推力。就这样，一个完整的并联混合动力推进系统模型就诞生啦1011。

任务剖面

为了看看混合动力系统在无人机上的实际表现，研究人员创建了任务剖面。他们根据参考无人机的特点，设定了飞行时长、高度、速度和重量等参数。在模拟过程中，电机和内燃机一开始会协同工作，帮助飞机上升。当电池的 SoC 下降到 20% 时，电机就会停止工作，以保护电池和电机。研究人员还设定，当剩余燃油量达到 50kg 时，模拟就结束121314。

综合这些研究结果，研究人员得出结论：他们设计的并联混合动力系统效果显著，让无人机的运行时间比仅使用内燃机时增加了近 25%，成功实现了研究的主要目标。在这个过程中，电机很好地辅助了内燃机，降低了内燃机的燃油消耗，减轻了它的工作负担。不过，研究人员也意识到，这次研究还有一些可以改进的地方。比如说，未来可以更详细地设计混合动力系统的功率管理系统，进一步提高无人机的运行时长；还可以换一个更小的内燃机，减少燃油箱容量，优化飞机的重量分布。

这项研究意义非凡。它为中高空长航时无人机的动力系统改进提供了新的方向，让无人机在环保、高效的道路上又迈进了一步。混合动力系统在无人机领域的应用潜力巨大，随着技术的不断完善，相信未来无人机将会在更多领域发挥更大的作用，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。