低空经济之无人机动力系统

2024年03月27日，工信部等四部门联合发布的《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，明确以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线。目标到2030年，以高端化、智能化、绿色化为特征的通用航空产业发展新模式基本建立，支撑和保障“短途运输+电动垂直起降”客运网络、“干-支-末”无人机配送网络、满足工农作业需求的低空生产作业网络安全高效运行，通用航空装备全面融入人民生产生活各领域，成为低空经济增长的强大推动力，形成万亿级市场规模。>>>无人机动力系统组成无人机（飞行器）的动力系统是其核心组成部分，直接决定飞行性能、续航时间和负载能力。主要包括电机、电子调速器、螺旋桨、电池和电池管理系统。电机无刷电机（主流选择）：效率高、寿命长、功率大，适合多旋翼和固定翼无人机。有刷电机：成本低但效率低，多用于小型玩具无人机。型号选择：通常以KV值（转速/电压）标识，低KV电机配大螺旋桨用于高扭矩场景，高KV电机配小螺旋桨用于高速飞行。电调（电子调速器, ESC）控制电机转速，将飞控信号转换为电机功率。需匹配电机电流和电池电压（如30A电调支持最大30A电流）。螺旋桨（桨叶）材质：塑料（轻量、低成本）、碳纤维（高强度、低噪音）。尺寸与桨距：直径越大推力越强，但需更高扭矩；桨距影响速度和效率。旋向：多旋翼无人机需正反桨配对以抵消反扭矩。电池参数：电压（如3S-11.1V）、容量（如5000mAh）、放电倍率（如30C）。锂聚合物电池（LiPo）：主流选择，高能量密度、放电能力强。锂电池（Li-ion）：能量密度更高，但放电能力较弱，适用于长航时无人机。氢燃料电池/太阳能：实验性应用，用于超长航时任务。电源管理系统（BMS）监控电池状态（电压、温度、电量），防止过充/过放。>>>无人机动力系统类型当前，主流的飞行器动力系统主要包括燃油、纯电、混动以及氢能源四种类型，各自具有独特的优势和局限性。 燃油：作为传统的动力来源，长久以来一直是飞行器的主要选择。它依赖内燃机技术，通过燃烧燃油产生能量，推动飞行器运行。燃油动力系统以其高能量密度和成熟的技术，为飞行器提供了长时间的飞行能力和可靠的运行保障。但同时燃油消耗产生的排放物对环境造成了一定压力，同时燃油的储存和运输也存在一定的安全风险。纯电：依托电池与电推力系统，为eVTOL带来零排放、低噪音等显著优势。然而，电池技术当前限制载重与航程，长距离飞行仍是挑战。但随着固态电池、锂金属电池等技术的突破，纯电系统的应用前景愈发广阔。如今，纯电动力已广泛应用于小型无人机和轻型飞行器，并展现出巨大潜力。展望未来，随着技术进步与成本降低，纯电推进系统有望助力航空业迈向更环保、高效的新时代。混动：结合燃油发动机和电动机的优势，通过智能管理两种动力来源，旨在提升航程、降低环境影响，并增强飞行器的性能。当前，混动技术在航空领域的应用虽然处于初期阶段，但已经展现出在航程和噪音降低方面的显著优势。随着技术的不断进步和政策的支持，混动动力系统有望成为城市空中交通和短途运输的理想选择，并作为向全电动飞行器过渡的重要技术。氢能源：作为一种清洁能源解决方案，正逐渐成为航空领域研究的热点。这种系统利用氢气作为能源，通过燃料电池将氢的化学能转换为电能，为飞行器提供动力。其优势在于其极高的能量密度和零碳排放特性，有助于实现航空业的绿色转型。然而，当前氢能源技术面临的关键挑战包括氢燃料的生产、储存和运输成本，以及相关基础设施的缺乏。随着技术突破和政策推动，氢能源动力系统有望成为航空业可持续发展的关键技术之一。>>>无人机动力系统现状目前国内大多数整机厂选择走纯电技术路线，但航程普遍在30-250km左右，如亿航智能、小鹏汇天、零重力、峰飞航空、沃飞长空等；为纯电动力系统而海外众多eVTOL公司选择混合动力方案，可实现400km以上航程，如美国波音、Joby Aviation，日本本田，加拿大Horizon Aircraft等。电力推进技术是航空业重要的发展方向（在续航里程上占据优势），而混动是电推进的重要组成部分。一是，响应绿色发展战略规划，推进双碳目标达成；二是，相比燃油动力，电推进动力系统结构更简化，拓展飞行器自由度；三是，电推进的动力架构多采用分布式，更具有安全冗余；四是，分布式电推进可将动力分散到飞行器各个主要结构上，提高气动性能。电力推进面临诸多问题，①续航时间短，应用场景限制较多；②新构型众多，缺少设计标准规范，存在安全挑战；③技术路线存在较大差异，适航认证难度较高，缺乏针对性的标准规范。油电混动升力巡航是无人机热门方案。大载重、长续航的无人机，目前业内主流采用油电混动升力巡航的路线。目前业内纯电无人机续航时间在几十分钟到24小时不等，燃油/混动机型则可以做到十几小时，续航、载重优势突出。>>>关键参数推重比：无人机总推力/无人机总重量，满足悬停要求续航时间：由电池容量（Wh）和整机功耗决定效率优化：大直径低速桨通常比小直径高速桨更省电功率：决定电机输出能力，需满足：电机功率 > 实际飞行功率需求。电池参数：电压、容量、放电倍率、能量密度螺旋桨参数：直径与桨距、叶数、静推力与动推力

>>>前沿技术无线充电：地面基站充电，提升作业连续性。超级电容：快速充放电，适用于短时高功率需求。分布式电推进（DEP）：多电机协同，提升冗余和效率。

未来，无人机动力系统需根据任务需求（续航、负载、环境）平衡电机、电池和螺旋桨的匹配。电动系统是主流，但油动或混合动力在专业领域仍有不可替代的优势。部分来源：招商证券根据国家标准定位，未来标准融合创新场景越来越多，在前沿技术发展初期进行标准布局未来将成为趋势。标准将成为技术成果转化的有力推手，帮助行业快速高质量发展，加强行业粘性，以产业链形式融合创新发展，大幅提升各行各业可持续发展！目前，低空经济动力系统系列标准正在规划起草中，欢迎相关企业共同以标准助力行业发展，提升自身竞争力，促进企业可持续发展！以标准为抓手，实现行业圈层深度对话！