军用无人机电源技术进展

石治国

（海军驻天津地区兵器设备军代表室，天津300381）

蓄电池是无人机飞行的最关键系统之一。机载电源，除了武器专用电源外，蓄电池还广泛地用于无人机启动引擎和辅助动力装置，也为必要的航空电子控制设备提供支撑电源，为保障导航设备和飞行线路计算机做不间断电源，鉴于这些功能都是起限制飞行任务的作用，所以对飞机电源首当其冲的要求是安全可靠，性能必须稳定耐久，能为飞机的各种应急环境下维持航行控制系统工作提供支持。目前应用在无人机上的电源主要有燃料电池、太阳电池和锂离子电池等。

1 燃料电池

较大型的无人机配备燃烧式发动机，使用传统燃油，如JP-8或混合燃油来驱动；小型的无人机则大多使用电力发动机，一般由锂电池来驱动。随着军方对替代性能源的不断开发，使用燃料电池取代锂电池甚至内燃机来驱动的技术逐渐吸引了人们的注意。它不但能量转换效率高(一般都在40%～50%)、寿命长、比功率高，而且对环境无污染。世界上许多国家都非常重视燃料电池开发。近年来，由于电极材料、总体质量、制造成本等方面的原因，人们对其短期内进入实用化的可能性提出质疑，因而减缓了研制进度。

但是，燃料电池技术的支持者们认为，燃料电池比现有的电池及内燃发动机都拥有更多的优势。与传统电池相比它们尺寸小质量轻，工作时间长且安全性好；与内燃发动机相比它们噪音低、排放量小，工作高效且能支持室内作战行动。保守观点则认为燃料电池仍存在许多缺点，包括元件价格较高，如PEM电池的催化剂和交换膜都是由昂贵物质制造的。另外电池内发生反应时会发热，因此电池的工作温度必须控制以防止出现热损伤。对水和空气的处理也非常关键。燃料电池运行时会产生热量和水，假如处理不当，没有及时将生成的水排出，电极很可能会被“淹死”或是出现高温导致一系列问题[1]。

2 蓄电池和燃料电池混合电源系统

为了解决军用无人机在续航能力方面需求的不断增加，这科学家正在工业界的帮助下，致力于克服现有蓄电池和燃料电池的局限性。他们面对的挑战是开发续航时间更长的蓄电池和大功率的燃料电池，或是蓄电池和燃料电池的某种可靠结合体，以延长飞行器的工作时间。

美国空军研究实验室(AFRL)正在研制将蓄电池和燃料电池结合的组合系统。蓄电池可满足峰值功率需求，但是巡航飞行不需要过大的功率。为了拥有更长的巡航飞行时间(大约1 h)，实验室正在致力于将蓄电池和燃料电池相结合，以获得更长的巡航时间。燃料电池可以将一个发动机的能量翻倍，但不能提供足够的功率。美洲虎是航空环境公司的小型无人飞行系统系列投资之一。整个飞行器都由燃料电池提供稳定的动力，当需要更大的功率时就从蓄电池里提取能量。该系统联合工作，并有一个动力控制设备，以控制动力的来源。蓄电池仅在功率需求高峰时使用，且每次只使用几分钟。当无人机巡航飞行时，燃料电池为蓄电池充电。体积和质量是燃料电池系统面临的大问题。整个燃料电池系统包括一个泵、燃料罐和风扇，占了美洲虎无人机质量(5.9 kg)的三分之一。该燃料电池是氢动力的。为了将每个部分都小型化，需要更好的泵，而燃料电池系统也需要不同的燃料以达到更好的能量密度。AFRL正在研究使用丙烷和丁烷以及硼氢化纳的燃料电池。当开始对系统进行小型化时，整个燃料电池系统都要重新设计，随着尺寸的缩小，集成的难度也越来越大。AFRL将与工业界合作，继续研究更小的无人系统和动力系统。

3 太阳电池

在众多新型飞行器中特别值得一提的是太阳能无人机。太阳能无人机是利用太阳光辐射能作为动力在高高空连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器，它利用太阳电池将太阳能转化为电能，通过电动机驱动螺旋桨旋转产生飞行动力。白天，太阳能无人机依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电；夜间，太阳能无人机释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。研制太阳能无人机要解决两项关键技术，一是能有效地将太阳能聚集起来，二是如何解决夜间和阳光微弱时的能源问题。

据报道，由于透明柔性染料敏化太阳电池(DSSCs)具备较佳的光电转换效率和良好的扩展性，华盛顿大学多学科联合攻关小组(MURI)的斯塔亚博士正在进行一项将其应用于航空器的研究。据介绍，DSSCs与传统硅系太阳电池的结构不同，其纳米半导体表面的涂料能捕获光子并将其转化为电子。这种太阳电池具有较佳的光电转换效率和良好的扩展性能，在价格上也更易进行推广。经过多次试验，研究人员最终采用了薄膜电池技术，使用轻型薄膜太阳电池的试验飞机终于试飞成功。目前该小组正致力于研制出面积更大、光电转换效率更高、更柔韧的DSSCs涂料，以便将其应用到美国空军的无人飞机上。

太阳电池的发展水平是决定太阳能无人机性能的根本。目前在太阳电池的研究方面进步较快，各种材质的高效电池不断涌现，但航空领域对太阳电池的要求并不仅仅是较高的转化效率，它还要求电池具有良好的物理特性，如耐高/低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。我们必须结合航空领域对太阳电池的具体要求，从现有电池中寻找理想产品并把它成功应用于太阳能无人机。对比当前各种电池，高端单晶硅产品凭借其高效、无毒无污染、技术成熟等特性成为当前太阳能航空器中应用最为广泛的电池品种。而各种轻质、低成本柔性薄膜电池和多元化合物电池将随着其效率的提高逐步取代硅基刚性电池，成为今后太阳能无人机的动力电源。

(1)太阳电池与燃料电池混合电源系统

储能系统是太阳能无人机中重要的组成部分，目前国外太阳能无人机概念设计阶段都提出储能器应选择高能量密度、高效率的燃料电池。

在美国国家航空航天局(NASA)的支持下，AeroVironment公司研制成功一架使用燃料电池作推进无人太阳能飞机的备份动力的无人驾驶飞机太阳神号(helios)。太阳神机翼上有62 000枚太阳电池，以此驱动由小型电力马达所转动的14具螺旋桨。Aero Vironment公司正在发展可重复充电的氢氧能源储存系统。太阳神号白天多余的太阳能转存至燃料电池以在夜间使用，实现能在空中飞行几个月时间，提高飞行半径和对偏远地区的侦探。

(2)太阳电池与锂电池的混合电源系统

燃料电池尽管应用于大型飞行器已获得成功，但对于轻、微型飞行器，其现有的体积和质量是无法获得应用的。目前国外轻、微型太阳能无人机都采用高比能量的锂电池。锂电池技术成熟，应用简单方便、安全性和可靠性都较好。可充电的锂电池，具有很好的能量质量比，不使用时电量损失也较慢，但在大功率下工作时间有限。

锂-硫可充电电池具有的能量在任意两种可组合物质形成的电池中是最高的，同时，也是一种相对便宜的材料[2]。硫基锂盐的理论比能量为2.5Wh/kg，是锂离子电池0.58Wh/kg的四倍多。由于结构中不含重金属，锂-硫电池与其它电池相比更环保，也更容易处理。锂-硫电池供电时间将比锂离子电池更长。美国Sion Power宣布，其专有的锂硫(Li-S)电池，在英国的奎奈蒂克公司(QinetiQ)的微风(Zephyr)无人机连续超过336 h的飞行中发挥了关键作用。"微风"由超轻的碳纤维制造，质量仅为53 kg，机翼约长22.5m，上表面覆盖着薄膜非晶硅太阳电池和锂硫蓄电池。同时，通过无人机航电系统控制电池组的能力也得到提升。白天，太阳能给该无人机提供动力的同时，也给机翼上安装的锂硫电池充电；晚上，飞机依靠电池继续飞行。与传统飞机或者无人机不同的是，微风不需要定期返回地面补充燃料。在无人驾驶飞机中，由太阳能/电池提供无人驾驶飞机的全部动力。

4 锌-空气电池及温差电池

据报道，美国Arotech公司研制的一种装于海军陆战队“龙眼”无人机上的原型锌电池已在弗吉尼亚州匡蒂科通过了里程碑试验。在地面试验期间，该电池表明它能支持“龙眼”无人机。Arotech在声明中说，它认为锌航空电池能延长无人机的续航性。美陆军也已投资正在研制该电池。“龙眼”是世界上投入使用的无人机当中最小的，它重2.3 kg，长3英尺，翼展45英寸。“龙眼”无人机是美军在陆战队作战实验室开始研发的，仅花费了620万美元就开发成功。该机可以使用由Arotech公司电燃料(ElectricFuel)子公司开发的锌-空气电池。ElectricFuel公司的无人机电池是该公司最先进的锌-空气电池的改型，具有功率大、质量轻特点。该公司认为，它的锌-空气电池具有大幅度延长这种侦察飞机任务耐航时间的潜力。

此外，美国国防预研计划局大部分用于微型无人机“赋能技术”（使微型无人机"能飞"的技术）的投资都集中于提高推进效率，其中包括“微中子”狄塞尔发动机/半导体薄膜温差电池，由D-STAR工程公司/布莱克斯堡技术公司研制，发动机功率80W，组件直径2 cm。温差电池采用先进量子阱技术，附在发动机壁上直接把热能变为电源，使1 cm3内燃机废热产生20W功率。

5 展望

综上所述，各种能源技术在无人机电源中都有应用，但根据航空飞行器的体积和用途，太阳电池、燃料电池及蓄电池的研究和应用价值各有不同，因此，三者的联合应用更能符合未来军事的需求。

[1] 李国欣.新型化学电源技术概论[M].上海：上海科学技术出版社，2007.

[2] LINDEN D,REDDY T B.电池手册[M].汪继强，译.3版.北京：化学工业出版社，2007.