對(duì)于固定翼工業(yè)無人機(jī)，航時(shí)和航程是最重要的飛行性能指標(biāo)。航程遠(yuǎn)表示飛機(jī)活動(dòng)范圍大，使用區(qū)域受限少；航時(shí)久表示飛機(jī)留空時(shí)間長(zhǎng)，單架次獲得信息更多。航拍測(cè)繪、森林防護(hù)、巡邏偵察及運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，均對(duì)無人機(jī)的航時(shí)和航程要求較高，以期減小出動(dòng)架次，提高作業(yè)效率。

對(duì)于固定翼無人機(jī)最重要的性能指標(biāo)――航程和航時(shí)，我們又知道多少呢？本文就和大家一起探討固定翼無人機(jī)航程航時(shí)的那些事兒?！?strong>航程航時(shí)定義知幾何

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

航時(shí)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(xù)飛行的時(shí)間，一般用t表示。

無人機(jī)沿預(yù)定航線飛行，一般包括上升、巡航和下滑三個(gè)階段，如圖1所示。因此航程和航時(shí)應(yīng)是三段分別的航程和航時(shí)的總和。即：

R=R₁+R₂+R₃

t=t₁+t₂+t₃

圖1  航程和航時(shí)的示意

航程和航時(shí)合稱為無人機(jī)的續(xù)航性能，主要研究無人機(jī)能夠飛多遠(yuǎn)、飛多久的問題。一般，對(duì)于大型無人機(jī)來說爬升和下降段的航程和航時(shí)只占航程和航時(shí)的10%左右；而對(duì)于小型無人機(jī)，一般爬升率較小，要在較高的高度飛行，爬升所需時(shí)間較多，爬升段所占航時(shí)的比重將增加。

應(yīng)注意的是，航程和航時(shí)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣和無風(fēng)（平靜大氣）這一基準(zhǔn)環(huán)境下定義的。簡(jiǎn)單說，所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣就是相對(duì)濕度為0，海平面大氣溫度為15℃，氣壓為101325Pa，空氣密度為1.225kg/m^3所對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)境。

不同大氣環(huán)境，無人機(jī)的續(xù)航性能不同。就好比汽車，加滿一箱油的續(xù)航里程，是需要在給定路況來測(cè)定的。高速路和鄉(xiāng)村道路測(cè)出的續(xù)航里程和續(xù)航時(shí)間肯定是不一樣的。

那對(duì)于無人機(jī)，哪些因素會(huì)影響續(xù)航性能呢？下面我們一起系統(tǒng)的梳理一下。☆航程航時(shí)影響因素有多少

首先影響無人機(jī)續(xù)航性能的是飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要包括飛機(jī)的升阻特性、發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、電池的容量、螺旋槳的氣動(dòng)特性、飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量等等。這些影響因素，在無人機(jī)出廠之前已經(jīng)確定了，已經(jīng)無法更改。而對(duì)于無人機(jī)飛手或者使用無人機(jī)作業(yè)人員來說，更關(guān)心的是飛行中的外部影響因素或可變影響因素對(duì)無人機(jī)續(xù)航性能的影響。這些因素也是我們討論的重點(diǎn)。

一架完成設(shè)計(jì)定型的無人機(jī)，其續(xù)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(wù)載荷重量和能耗、飛行速度和高度、大氣溫度和濕度、飛行中機(jī)動(dòng)動(dòng)作、風(fēng)及電池壽命等。

任務(wù)載荷重量和能耗

任務(wù)載荷重量越大，無人機(jī)飛行重量增加，導(dǎo)致飛機(jī)穩(wěn)定平飛時(shí)所需升力增加，進(jìn)而阻力增加（如圖2），使發(fā)動(dòng)機(jī)或電池的功耗增加，降低了飛機(jī)的續(xù)航性能。有數(shù)據(jù)顯示，重量增加20%，無人機(jī)航程和航時(shí)分別減小26%、19%；重量減輕對(duì)航程和航時(shí)均有利，重量減輕20%，航程和航時(shí)分別增加45%、29%。

圖2 升阻極曲線

現(xiàn)在無人機(jī)根據(jù)任務(wù)需求的不同，可以搭載不同的任務(wù)載荷如相機(jī)、激光雷達(dá)等等，不同的任務(wù)載荷，能耗也不同，任務(wù)載荷的能耗需求占用了無人機(jī)用于飛行的油量或電量。因此，任務(wù)載荷的能耗大，無人機(jī)的續(xù)航性能會(huì)下降，反之亦然。

飛行高度和速度

飛行高度（Hp）和速度主要對(duì)無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和升阻特性影響較大，從而影響無人機(jī)的續(xù)航性能。但是，飛行高度和速度對(duì)于裝備燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的無人機(jī)影響有所差異。

圖3 某燃油發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)油耗

 圖4 某型油動(dòng)無人機(jī)航時(shí)

圖5 某型油動(dòng)無人機(jī)航程

圖3給出某型油動(dòng)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)油耗隨高度、速度的變化曲線?？梢?，對(duì)于裝備燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的無人機(jī)，其小時(shí)油耗隨著高度的增加而減?。S著高度增加，為保持飛機(jī)平飛，飛機(jī)的真空速會(huì)略有增加），隨著速度的增加而增加。無人機(jī)的航時(shí)隨著高度的增加而增加；隨著速度的增加而減?。ㄈ鐖D4）。發(fā)動(dòng)機(jī)的小時(shí)耗油率最低，飛行時(shí)間最長(zhǎng)的速度點(diǎn)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(huì)有一個(gè)航程最大的速度點(diǎn)，稱為遠(yuǎn)航速度，如圖5。

對(duì)于電動(dòng)無人機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能受高度和速度的影響較小，飛機(jī)續(xù)航性能變化主要是因?yàn)殡S飛行高度速度的變化，飛機(jī)的升阻特性變化較大，導(dǎo)致飛機(jī)不同高度、不同速度穩(wěn)定平飛時(shí)的平飛需用推力和定距螺旋槳的工作狀態(tài)不同，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的功耗不同，最終影響飛機(jī)的航程和航時(shí)。

以某小型電動(dòng)無人機(jī)為例，圖6給出了不同飛行速度、不同飛行高度下飛機(jī)的平飛需用推力曲線，說明不同高度、不同速度飛機(jī)所受阻力不同。圖7至圖9分別給出了航時(shí)、巡航時(shí)間（穩(wěn)定平飛作業(yè)段）和有效巡航里程（穩(wěn)定平飛作業(yè)段）隨飛行高度和速度的變化規(guī)律。對(duì)于電動(dòng)小型無人機(jī)，隨著高度增加，飛機(jī)的航時(shí)和航程均減?。浑S著速度的增加，飛機(jī)的航時(shí)和航程先增加，后減小，航時(shí)最大出現(xiàn)在平飛需用推力（平飛阻力）最小的速度點(diǎn)；航程最大的速度點(diǎn)略高于航時(shí)最大的速度點(diǎn)。圖10給出理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試飛結(jié)果的對(duì)比，也可證明規(guī)律的正確性。

需說明的是，圖6至圖9的數(shù)據(jù)，飛機(jī)起飛高度均為海拔高度0米。對(duì)于小型電動(dòng)無人機(jī)來說，爬升階段耗電量較大，過高的爬升距離會(huì)對(duì)航程和航時(shí)產(chǎn)生一定的不利影響。

大氣溫度濕度

大氣溫度和濕度對(duì)于無人機(jī)飛行的影響規(guī)律基本是相同的。溫度濕度越高，空氣密度越小，螺旋槳產(chǎn)生的推力越小，相同飛行條件，需要提高螺旋槳轉(zhuǎn)速，彌補(bǔ)推力損失，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗增大，導(dǎo)致無人機(jī)續(xù)航性能下降；反之提高。因此，一般干燥的冬季飛行，無人機(jī)續(xù)航性能較好，夏季較差。

飛行中的機(jī)動(dòng)動(dòng)作

飛行中小半徑轉(zhuǎn)彎盤旋、速度的快速變化、高度的快速增加均會(huì)引起無人機(jī)的阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)能耗的增加，導(dǎo)致無人機(jī)飛行時(shí)間和飛行距離減小。

風(fēng)的影響

影響無人機(jī)續(xù)航性能的風(fēng)包括持續(xù)穩(wěn)定的風(fēng)和陣風(fēng)。

與無人機(jī)飛行速度方向平行（順風(fēng)和逆風(fēng)）的穩(wěn)定風(fēng)不會(huì)對(duì)無人機(jī)的航時(shí)產(chǎn)生影響。與無人機(jī)飛行方向有一定夾角的風(fēng)會(huì)降低無人機(jī)的續(xù)航性能。無人機(jī)保持航行不變的飛行中，遇到不平行于無人機(jī)飛行方向的風(fēng)時(shí)，會(huì)使無人機(jī)的空速與無人機(jī)對(duì)稱面之間形成一個(gè)夾角，該夾角稱為側(cè)滑角（如圖11），帶有側(cè)滑角的飛行時(shí)，無人機(jī)的阻力會(huì)隨側(cè)滑角的增加而增加（如圖12），導(dǎo)致無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗增加，降低無人機(jī)的續(xù)航性能。

圖11 側(cè)滑角定義

圖12  無人機(jī)阻力隨側(cè)滑角的變化

陣風(fēng)（突風(fēng)、亂流）使無人機(jī)的指令飛行狀態(tài)改變，自動(dòng)駕駛儀會(huì)調(diào)整無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和操縱舵面以保持無人機(jī)的指令飛行狀態(tài)，以克服陣風(fēng)對(duì)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗，降低無人機(jī)續(xù)航性能。

電池壽命

對(duì)于電動(dòng)無人機(jī)，電池的使用環(huán)境、使用充放電循環(huán)次數(shù)也會(huì)影響到電池的放電量，進(jìn)而影響無人機(jī)的續(xù)航性能。一般，鋰電池合適的使用環(huán)境溫度在20℃~40℃，此時(shí)，其放電量最大；隨著溫度的降低，電池放電量減?。ㄈ鐖D13）。無人機(jī)空中飛行時(shí)，大氣溫度較低，若使用未進(jìn)行保溫措施，無人機(jī)的續(xù)航性能有所降低。

圖13 某電池電量放電量與溫度和倍率的關(guān)系

隨著電池的充放電循環(huán)次數(shù)增加，電池的電容留存率逐漸減?。ㄈ鐖D14），電池飛行中可用電量減小，導(dǎo)致無人機(jī)續(xù)航性能降低。

圖14 某電池充放電循環(huán)次數(shù)與容量留存率關(guān)系
☆提高航程航時(shí)措施有多少

無人機(jī)飛行中的航程航時(shí)影響因素眾多。對(duì)于無人機(jī)飛手或無人機(jī)作業(yè)操作人員來講，最關(guān)心的可能就是怎樣飛出最佳航程和航時(shí)，以提高作業(yè)效率。通過前面航程航時(shí)影響因素的分析，可以有以下提高航程和航時(shí)的措施：

選擇合理的飛行高度，盡量接近無人機(jī)的久航高度或遠(yuǎn)航高度。

根據(jù)任務(wù)需求，明確任務(wù)需要的是長(zhǎng)航時(shí)還是長(zhǎng)航程；若需要長(zhǎng)航時(shí)，選擇久航速度為飛行速度；若需要長(zhǎng)航程，選擇遠(yuǎn)航速度為飛行速度。一般遠(yuǎn)航速度略大于久航速度。無人機(jī)設(shè)計(jì)廠商一般給出的巡航速度為無人機(jī)的久航速度。

圖15  兩種航程對(duì)比

合理規(guī)劃飛行航線，盡量減小在作業(yè)過程中的小半徑轉(zhuǎn)彎，飛行高度和速度的快速增加等機(jī)動(dòng)。

如果條件允許，可選擇氣流平穩(wěn)，溫度較低的時(shí)間進(jìn)行無人機(jī)作業(yè)。

注意電池養(yǎng)護(hù)及合理使用。