對于固定翼工業(yè)無人機，航時和航程是最重要的飛行性能指標(biāo)。航程遠(yuǎn)表示飛機活動范圍大，使用區(qū)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?shù)茸鳂I(yè)，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(yè)效率。

對于固定翼無人機最重要的性能指標(biāo)――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(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)飛行的時間，一般用t表示。

無人機沿預(yù)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(yīng)是三段分別的航程和航時的總和。即：

R=R₁+R₂+R₃

t=t₁+t₂+t₃

圖1  航程和航時的示意

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

應(yīng)注意的是，航程和航時是在標(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。簡單說，所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣就是相對濕度為0，海平面大氣溫度為15℃，氣壓為101325Pa，空氣密度為1.225kg/m^3所對應(yīng)的大氣環(huán)境。

不同大氣環(huán)境，無人機的續(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定的。高速路和鄉(xiāng)村道路測出的續(xù)航里程和續(xù)航時間肯定是不一樣的。

那對于無人機，哪些因素會影響續(xù)航性能呢？下面我們一起系統(tǒng)的梳理一下。

☆

航程航時影響因素有多少

首先影響無人機續(xù)航性能的是飛機的設(shè)計參數(shù)，主要包括飛機的升阻特性、發(fā)動機的性能、電池的容量、螺旋槳的氣動特性、飛機結(jié)構(gòu)重量等等。這些影響因素，在無人機出廠之前已經(jīng)確定了，已經(jīng)無法更改。而對于無人機飛手或者使用無人機作業(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無人機續(xù)航性能的影響。這些因素也是我們討論的重點。

一架完成設(shè)計定型的無人機，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、飛行中機動動作、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，無人機飛行重量增加，導(dǎo)致飛機穩(wěn)定平飛時所需升力增加，進(jìn)而阻力增加（如圖2），使發(fā)動機或電池的功耗增加，降低了飛機的續(xù)航性能。有數(shù)據(jù)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%。

 

圖2 升阻極曲線

現(xiàn)在無人機根據(jù)任務(wù)需求的不同，可以搭載不同的任務(wù)載荷如相機、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用于飛行的油量或電量。因此，任務(wù)載荷的能耗大，無人機的續(xù)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(fā)動機性能和升阻特性影響較大，從而影響無人機的續(xù)航性能。但是，飛行高度和速度對于裝備燃油發(fā)動機和電動發(fā)動機的無人機影響有所差異。

圖3 某燃油發(fā)動機小時油耗

 圖4 某型油動無人機航時

圖5 某型油動無人機航程

圖3給出某型油動無人機發(fā)動機小時油耗隨高度、速度的變化曲線。可見，對于裝備燃油發(fā)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(fā)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(yuǎn)航速度，如圖5。

對于電動無人機，發(fā)動機的性能受高度和速度的影響較小，飛機續(xù)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(dǎo)致飛機不同高度、不同速度穩(wěn)定平飛時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(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。對于電動小型無人機，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，后減小，航時最大出現(xiàn)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于航時最大的速度點。圖10給出理論計算結(jié)果與實際試飛結(jié)果的對比，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)，飛機起飛高度均為海拔高度0米。對于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(chǎn)生一定的不利影響。

 

大氣溫度濕度

大氣溫度和濕度對于無人機飛行的影響規(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，彌補推力損失，所以發(fā)動機的功耗增大，導(dǎo)致無人機續(xù)航性能下降；反之提高。因此，一般干燥的冬季飛行，無人機續(xù)航性能較好，夏季較差。

飛行中的機動動作

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引起無人機的阻力和發(fā)動機能耗的增加，導(dǎo)致無人機飛行時間和飛行距離減小。

風(fēng)的影響

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

與無人機飛行速度方向平行（順風(fēng)和逆風(fēng)）的穩(wěn)定風(fēng)不會對無人機的航時產(chǎn)生影響。與無人機飛行方向有一定夾角的風(fēng)會降低無人機的續(xù)航性能。無人機保持航行不變的飛行中，遇到不平行于無人機飛行方向的風(fēng)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(cè)滑角（如圖11），帶有側(cè)滑角的飛行時，無人機的阻力會隨側(cè)滑角的增加而增加（如圖12），導(dǎo)致無人機發(fā)動機的能耗增加，降低無人機的續(xù)航性能。

圖11 側(cè)滑角定義

圖12  無人機阻力隨側(cè)滑角的變化

陣風(fēng)（突風(fēng)、亂流）使無人機的指令飛行狀態(tài)改變，自動駕駛儀會調(diào)整無人機發(fā)動機和操縱舵面以保持無人機的指令飛行狀態(tài)，以克服陣風(fēng)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(fā)動機的能耗，降低無人機續(xù)航性能。

電池壽命

對于電動無人機，電池的使用環(huán)境、使用充放電循環(huán)次數(shù)也會影響到電池的放電量，進(jìn)而影響無人機的續(xù)航性能。一般，鋰電池合適的使用環(huán)境溫度在20℃~40℃，此時，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(jìn)行保溫措施，無人機的續(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小（如圖14），電池飛行中可用電量減小，導(dǎo)致無人機續(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

☆

提高航程航時措施有多少

無人機飛行中的航程航時影響因素眾多。對于無人機飛手或無人機作業(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，以提高作業(yè)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，盡量接近無人機的久航高度或遠(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(yuǎn)航速度為飛行速度。一般遠(yuǎn)航速度略大于久航速度。無人機設(shè)計廠商一般給出的巡航速度為無人機的久航速度。

圖15  兩種航程對比

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動。

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

注意電池養(yǎng)護及合理使用。