油動多旋翼無人機或將代替電動無人機,看空中“拖拉機”啥樣?

很抱歉,今天筆者不得不做一回標題黨,但保證下面的內容都是乾貨。

題目中會飛的拖拉機,其實就是電動多旋翼植保無人飛機,之所以稱其為會飛的拖拉機,是因為這種機器動力很大,並且飛起來聲音也很大,活脫脫像在空中飛行的拖拉機一樣。

言歸正傳。近幾年植保無人飛機可以說不是一般的熱,僅上市公司就有十幾家在炒作無人機的概念。2017年十幾家無人機企業融資超過10億元,2018年無人機賣得相當火爆,有專家預測會超過2萬臺,比2017年同期翻番增長。

但不管如何火爆,一個不爭的事實是,當前主銷的多旋翼植保無人機載荷量太小,作業時間短,速率低,機手很難掙到錢。

這可不是聳人聽聞,當前市面上銷量較大的大疆MG-1P和極飛P20有效載荷量都是10kg,一次作業續航10~25min,真實作業時間不到10min,一次起飛有效作業面積0.87~1.33hm2(13~20畝),可以說是頻繁起步,匆忙作業,機手手忙腳亂的,但一天干不了多少活。

據業內專家介紹,目前電動多旋翼機很難解決這個問題。要想提高載質量和延長續航時間,就要大功率電機和加裝更多組電池。但是大功率電機和大電池本身需要更多的起飛動力,並且成本會數倍增加,所以理論上可行,事實上並不可行,電動多旋翼陷入了“囚徒困境”。

解決這兩個問題目前只有改變動力源,如採用燃油驅動的方式,將電機變為發動機,進而將電換成油,用傳統的最有效的方式來解決無人機載質量與續航的瓶頸。這就是今天我們要重點探討的油動多旋翼植保無人飛機。

1.認識油動多旋翼植保無人飛機

植保無人飛機按動力源分類,可以分為電動無人飛機、油動無人飛機和油電混動無人飛機。

如果按機翼分,可以分為固定翼、單旋翼、多旋翼3種。其中固定翼和單旋翼多采用油動發動機提供動力,而多旋翼絕大多數是電動的,所以說電動多旋翼飛機主要問題是載荷小和續航時間短,問題就出在電池上。

今天我們要介紹的是多旋翼植保無人機中的另類:油動多旋翼直驅植保無人飛機。從全球範圍看,搞油動多旋翼植保無人飛機的只有中國,並且據筆者所知,中國目前也只有兩家公司在做,所以今天你能看到這篇文稿也是幸運的,因為國內很少有人知道這兩家公司。

油動多旋翼也應該有4翼、6翼和8翼3種機型,但在具體開發中,考慮到8翼需要8個發動機,成本明顯高,並且發動機越多,出問題的頻率就越高,控制起來也更復雜。

另一方面,由於發動機是固定在機翼上的,所以要考慮萬一一根機翼上的發動機意外停機,4翼機就會因失去平衡而墜機,所以最佳方案就是6翼。理論上是這樣,事實上也是這樣,國內兩家搞多旋翼植保無人機的就是選擇的6軸機型。

具體講,油動多旋翼無人機採用多個發動機帶動螺旋槳旋轉來提供動力,這個與油動單旋翼有本質的區別,根據其結構的不同,可將其分為兩大類:燃油直驅多旋翼與燃油變距多旋翼。

直觀看,油動多旋翼就是有幾個翼就有幾個發動機,並且機翼直接安排在發動機上。這是與電動最大的不同之處,所以如果看到真機的話也很容易分辨出來。

先看看燃油直驅多旋翼。這種機型直接通過改變發動機的轉速來控制無人機的飛行姿態,其與電動多旋翼的驅動方式及原理基本一樣。燃油直驅多旋翼無人機有效解決了無人機載質量與續航的難題。不過解決了舊問題,新問題也會出現,比如發動機壽命短、抗風性差、響應速度慢、振動大,同時振動對飛控的影響也非常大。

再看看油動變距多旋翼。油動變距多旋翼不同於油動直驅多旋翼的地方便是其控制升力大小的方法不同,油動變距是通過改變槳的螺距來改變其升力的大小,其響應速度比油動直驅改變油門的大小要快很多,抗風性強。同時,油動變距相比油動直驅,發動機的壽命不會縮短,其轉速一直恆定在發動機的最佳轉速狀態。這種技術,目前國內也有公司將其應用於植保無人機上。

2.空中拖拉機的優勢

既然說油動多旋翼植保無人飛機是一個“另類”,那麼它到底有什麼特別之處呢?這些特點對其後期的推廣有沒有利好呢?

(1)載荷大,續航能力強。

前文說過,當前主銷的電動單旋翼植保無人機有效載荷量都是10kg,一次作業續航10~25min,事實作業時間不到10min,可以說仍是介於消費級和專業級之間的一種過渡產品,遠未達到成熟的農機產品的標準。

而油動多旋翼植保無人飛機,據常鋒公司的實地測試看,最大載荷能達到100kg,最長續航時間4h。當然這是實驗室裡的最佳數據,真正靠譜的數據應該是載荷30~70kg,續航時間1~3h。

對比可知,明顯的,電動植保無人機的有效載荷和續航能力與油動無人機不在同一個級別上,油動機優勢不是一般的明顯。

(2)作業面積大,效率高。

正是基於裝的多、飛的時間長,所以油動多旋翼不會頻繁起飛,而是可以一次完成30kg以上噴藥作業和飛行1h以上。從實地情況看,10kg的電動多旋翼一天作業20~33.3hm2(300~500畝),而油動多旋翼一天可以作業100hm2(1500畝),個別大地塊和配合高水平操控的話,一天可以作業200hm2(3000畝)。

(3)使用成本低,收益高。

使用成本不僅是燒了多少油或用了多少度電,這裡的使用成本是指機器折舊加上燃油和電池成本。

據常鋒公司的測算,電動多旋翼飛機作業成本平均45~60元/hm2(3~4元/畝),而油動多旋翼作業成本是15~30元/hm2(1~2元/畝),是電動成本的1/3~1/2。

(4)穿透力強,作業效果好。

非專業人士可能並不清楚,植保無人飛機打藥時的穿透力與飛機的載質量是成正比的,因為載質量大、機翼長、旋轉速度快,旋轉所形成的風場也就大,穿透力就更強。很明顯,60kg載荷量的油動多旋翼與10kg載荷量的電動多旋翼,其穿透力不可同日而語。這種強有力的穿透力對於玉米、甘蔗、果園等高稈、密植作物的植保效果非常好。

3.全球有限的幾款空中拖拉機

在產品開發上,先進入的企業會形成嚴重的路徑依賴,而後來者往往盲目學習先進入者的,這樣有可能導致一個行業的產品同質化和單一化。

國內植保無人飛機也出現了這種不良傾向,現在絕大多數企業都走的是跟隨大疆的產品路線,也就是10kg電動多旋翼。

雖然油動多旋翼相對電動多旋翼有明顯的優勢和特點,但是國內想走這個路線的企業並不多,以致於筆者也只找到了3家。其中燃油直驅的公司是深圳常鋒和遼寧壯龍科技有限公司;而油動變距多旋翼只能找到新三板上市公司易瓦特。雖然只有3家企業涉足油動多旋翼,不過他們的產品都非常有代表性,也有特點。

4.深圳常鋒與它的天馬-1型“空中拖拉機”


深圳常鋒信息技術有限公司成立於2014年,從時間上看應該與大疆、極飛等公司同一時期起步。該公司是典型的學生創業,從行業內專家處瞭解到的信息看,深圳常鋒是當之無愧的全球油動多旋翼植保無人機的首創者,這是對行業的貢獻,也是對世界的貢獻。

常鋒公司的拳頭產品是天馬-1,這架無人機為6旋翼,搭載6個內燃機,使用92#汽油作為燃料,載藥量40L,作業效率8~16hm2/h(120~240畝/h),碳纖維和航空鋁合金組合機制結構,保證強度和剛度的同時,減小了機身質量,最大續航時間129min,一天可以作業133.3hm2(2000畝)。

特別值得說明的是,用於植保無人飛機上的國產發動機壽命為200~300h,用戶的使用成本很高,而常鋒公司和國外的發動機廠家合作,通過優化設計,使發動機的壽命達到1000h,極大提高了產品的性價比。

另外,常鋒公司並沒有直接使用現成的飛控系統,而是根據油動植保無人機的特性,專門開發了有自己知識產權的燃油直驅飛控系統。

5.遼寧壯龍的“大壯”DZ310型無人機

遼寧壯龍成立於2015年,這家公司人才濟濟,有國家千人計劃專家1人,100多名員工,有一半是技術開發人員。該公司最大的優勢就是位於東北規模化種植區,所以其“大壯”實際作業面積很大,是一款具備實戰經驗的機型,而非概念機。

“大壯”也是6旋翼飛機,搭載6個發動機,也是92#汽油作為燃料,載藥量60L,油箱容量30L。在飛控方面擁有多旋翼無人飛機的所有功能,一鍵起飛、降落,全自主飛行,航線記憶功能、智級流量控制,重載下壓力強,風力穿透力強。

作業效率每分鐘16~32hm2/h(240~480畝/h),作業噴幅8~18m,這是電動多旋翼3~6m噴幅無法比的,而且一天可以作業133.3hm2(2000畝)以上。

“大壯”的優勢是實用性強,銷售的產品已經積累了3萬h以上的作業經驗,作業面積超過33.3萬hm2(500萬畝)。已經是一款真正應用級別的機器,在東北的知名度非常高,一直供不應求,據說訂單已經排到2019年6月了。

6.易瓦物的油動變距多旋翼WZ110

易瓦物是筆者一直很關注的新三板上市公司,WZ110型油動變距多旋翼無人機設計理念集合了電動多旋翼和油動直升機的優點,提升飛機的綜合性能。120min超高續航能力,20kg超大載荷。

WZ110在2016年就已經面世了,當時在行業內引起極大的轟動,據說可以使用在農業植保飛防領域。但兩年多過去了,這款機型仍沒有進入應用級別,從其網站上也找不到這款產品。可能是由於價格的原因,這款產品被易瓦特應用於電陣巡航或其他領域,或被暫時雪藏了。