续航——无人机送货的阿喀琉斯之踵

天空哨兵/文

随着无人机的发展，无人机越来越多的被应用于监控，航拍，搜索等用途。Google，顺丰，亚马逊也早已试验了无人机送货。但是，无人机送货真的会成为未来快递的潮流吗？

快递送货的过程中，从收件到转运，到跨区运输，到最后的送货，无人机送货应该集中于从最后的集散中心到收件人家中这“最后两公里”和“最后五分钟”当中。因为在跨区转运中汽车是更为高效而便宜的交通工具，在收件过程中需要人的参与，只有从最后的负责派件的部门到收件人手中这个区间，无人机有可能在效率和速度上有一定的优势。但是，无人机的续航，将成为无人机送货的技术瓶颈，不解决无人机的续航问题，无人机送货就是空谈。

由于无人机要执行从门到门，精准的送货的任务，所以它必须能悬停，也就是说，用于送货的无人机必须是直升机，不能是固定翼无人机（在这里，多轴飞行器包括在直升机中）。

固定翼飞机的推力方向是沿运动方向的反方向，其升力由机翼两侧的压力差和空气对机翼的作用力提供，旋翼或螺旋桨产生的推力方向与升力方向垂直，匀速飞行时，旋翼或螺旋桨产生的推力等于空气阻力，而与升力的大小无关，一些经过良好设计的飞机可以在推力远远小于飞机重力的情况下飞行。

但是直升机不同，旋翼或螺旋桨产生的推力必须大于重力，飞机才能在空中悬停，而要实现起飞，运动，旋翼或螺旋桨产生的推力必须大于重力。因为旋翼的主轴并非完全竖直，旋翼产生的力沿水平方向的分力提供动力，沿竖直方向的分力提供升力，尾翼产生与主翼转动方向相反的旋转力矩防止飞机自旋（多轴飞行器通过各个轴之间的配合消除旋转力矩）。

不仅如此，固定翼飞机可以短暂关闭发动机，仅仅凭借惯性滑翔产生升力，可以大大节约燃料，但是直升机在飞行过程中不能关闭发动机。这是直升机相比于固定翼飞机在续航上的先天劣势。

让我们用数据分析下以多轴飞行器为代表的直升机的续航。

首先我们把多轴无人机的重量分成3部分，分别为结构重量、电池重量和货物重量。

结构重量指无人机的机体结构，飞控系统，伺服系统和电机螺旋桨的重量。在数值上等于总重量-电池重量-货物重量。

在互联网中我们搜索而知，以大疆 phantom 2为例，其结构重量与电池重量的和约为1Kg，电池为5200mAh  11.1V锂电池，最大速度为15m/s。最大飞行时间为25分钟，一个重量约50g的18650锂电池的规格为2600mAh 3.7V ，所以电池容量为：

2.6Ah×3.7v=9.62Wh  

这样一个无人机的电池容量为5.2Ah×11.1V=57.72Wh ，为18650电池容量的6倍。

我们知道，电池是没有什么黑科技的，只要是锂电池，能量密度基本一致，所以我们可以认为，此款无人机的电池重量也是18650电池的6倍，为300g。

我们把所有参数换成重量和时间就可以得到一个相当简单的结论：

300g锂电池能让1000g的四轴飞行器飞行25分钟。

在这个例子中，结构重量是700g，电池重量是300g。此时再往这个方程式中加上货物重量就十分有趣了。我们假设货物的重量是500g（这已经超出了最大起飞重量，如果想达到这个重量则需要更换更大的电机并加强结构），基本等于一瓶矿泉水的重量或者快递中最小的包的重量。这样的话总重量就是1500g，原来的1.5倍，飞行时间应该缩短为25分钟的三分之二，17分钟。这个无人机的最大速度为15m/s，按路程1.5Km计算，来回一次算上送快递过程中在用户那里的时间，为5分钟左右。这个无人机每送3次轻包裹快递必须充电或者换电池。如果快件的重量大，那么可能每走1次就需要充电或者换电池。如果充电的话，飞行器就必须闲置相当长的一段时间，如果是换电池，那么就需要为每一台无人机配备相当多的电池和匹配的充电器。

由此可见，在无人机供能方式发生根本性改变之前，靠电池的电力驱动的无人机难以胜任送货的任务。但是无人机仍然在一些特殊货物的运输中起到其他工具难以替代的作用。当送货地点难以采用汽车或人力接近而且货物的体积小，重量轻时，使用无人机能节约成本。当空头地点净空良好，地面平坦时，也可以使用固定翼无人机采取超低空空投的方式投放货物。如果使用超级电容等技术替代原有的电池，达到高能量密度和短充电时间，无人机快递将不存在续航上的问题，我们会看到很多机械的快递员穿梭在楼宇之间，快速精准的运送货物。

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