续航翻倍！氢燃料电池改写无人机规则

大多数小型无人机依然依赖锂电池，这通常将飞行时间限制在4h以内。对于需要远程监视、长时巡检或在恶劣环境下作业的任务而言，单靠锂电池显然力不从心。

为了深入了解如何延长无人机的续航能力，笔者采访了两家处于该领域前沿的公司。第一家是波音子公司Aurora Flight  Sciences。“我们将飞机设计、推进系统和自主技术方面的创新成果，转化为面向小型无人机领域的产品。”Aurora产品高级总监Jason  Grzywna表示，“我们的重点是1类和2类无人机，重量上限约为25kg。”

Jason Grzywna

SKIRON-XLE平台正是该战略的旗舰产品。像SKIRON这样的2类无人机无需跑道或其他基础设施，可由小规模团队在野外操作。SKIRON-X是该平台的锂电池动力版本;而SKIRON-XLE则采用氢燃料电池，将续航时间延长至以往只有大型3类系统才能达到的水平。Aurora希望借此以更低的成本带来颠覆性的能力。

第二家公司是Intelligent  Energy，该公司25年前作为大学衍生企业成立，凭借其在氢燃料电池领域的专业优势发展壮大。如今，该公司销售四条产品线，涵盖从发电机替代品到汽车应用等各个领域。由Andy  Kelly领导的IE-SOAR部门专注于无人机业务。

“核心任务是将先进技术集成到可靠、易用的系统中。”Kelly表示，“最终用户无需操心氢能问题——他们只需要一个像锂电池或柴油发电机一样好用的产品。”

当Aurora急需一种紧凑、可直接替换且无需大改机身的燃料电池时，他们首先通过一项严谨的调研，考察了多家燃料电池供应商。最终，Intelligent  Energy凭借其紧凑封装和满足功率密度要求的产品脱颖而出。“令人欣喜的是，他们的产品在我们测试时确实如宣传的那样有效。”Grzywna说道。

氢燃料电池的优势与挑战

氢燃料电池最大的优势在于续航能力。Aurora的SKIRON-X配备标准锂电池时，可提供3.5h的飞行时间。而采用Intelligent  Energy的燃料电池系统后，SKIRON-XLE的续航时间翻倍至7h。

Andy Kelly

Kelly指出，在其他无人机平台上，续航时间的提升更为显著——“我们有浮空器可以飞行20至30h，还有旋翼无人机，其续航时间可达锂电池动力的2到5倍。”

Kelly认为，在监视、应急响应以及管道和海上风电场的线性巡检方面，需求强劲。他表示，在这些场景下，“更长的飞行时间至关重要(图1)。”

更长的续航时间也解锁了全新的任务模式。超视距(BVLOS)作业，即无人机飞行在人类飞行员目视范围之外时，借助氢动力变得更加切实可行。

“超视距作业正是这项技术大放异彩的地方。”Grzywna表示，“一名操作员可以巡检80km的输电线路，从而无需沿线部署多个团队。对于国防应用而言，更长的续航意味着可以从更远、更安全的距离执行任务。而且，由于SKIRON重量不足25kg，它非常便携，无需跑道即可部署。”

图1：壳牌管道检测采用哈里斯空中水力探测仪和智能能源氢燃料电池。(来源：Avisight/壳牌)

经济效益同样显著。虽然燃料电池的前期成本较高，但其设计运行时间可达数千小时，而锂电池仅为数百小时。这降低了每飞行小时的成本，尤其适合高利用率的运营商。Kelly还指出，充氢更加便捷——耗时仅为一到十分钟，而给锂电池充电则需要数小时。

但从Aurora的角度来看，更广泛的供应链才是真正的挑战。“军方采用氢能的一大障碍在于物流供应链的整合——目前尚未实现。”Grzywna解释道，“在商业领域，许多公司已在使用氢气，并能利用现有供应。但当客户问‘我们从哪里获得氢气?’时，我们需要给出清晰的解答。”

集成燃料电池也带来了一系列新挑战。燃料电池的外形与锂电池平台不同，因此需要采用不同的重量分布和热管理方案，而这对于飞机设计至关重要——尤其是对于SKIRON这类封闭式机身无人机而言。

Aurora和Intelligent  Energy合作开发了解决方案，包括用于冷却的气流通道和机翼安装的氢气瓶。“当我们在机翼上安装两个氢气罐而不是一个时，Intelligent  Energy迅速调整了他们的系统，使其能够读取两个压力值并提供精确的燃料余量。”Grzywna说道。

燃料电池还可以与锂电池混用。在SKIRON-XLE中，燃料电池与锂聚合物备用电池配合使用，确保在燃料耗尽或系统故障时安全着陆。该架构还支持起飞和着陆：四个升力旋翼消耗的功率超过了燃料电池的单独输出功率，因此锂电池会填补功率缺口，并在飞行中重新充电。

经验教训与展望

早期项目的经验塑造了当前一代的产品。Kelly提到了与壳牌合作进行管道巡检，以及与英国国防部合作开发监视无人机。“这些项目为我们提供了宝贵的反馈。例如，我们改进了系统处理电机再生电流的方式——锂电池能自然吸收这种电流，而燃料电池需要额外的电子设备。实际应用也让我们了解了操作人员的真实操作习惯，这与实验室的假设有所不同。”

Aurora的早期飞行测试揭示了一些意想不到的优势。定制的加长型储罐虽然并非完美符合空气动力学，但产生的阻力比预期更小，续航表现优于保守模型的预测。测试还突显了一些实际限制，例如关于运输高压储氢气瓶的交通部规定，在某些情况下，这些规定迫使操作人员必须在作业现场进行充氢(图2)。

图2：一名操作员操控着Aurora公司的SKIRON-XLE，这是一款2类无人机。(来源：Aurora Flight Sciences)

展望未来，Kelly强调将持续提升功率密度和降低成本，并研发更轻、性能更高的储氢气瓶。Intelligent  Energy也正与标准制定机构密切合作，确保认证工作与创新步伐同步。

与此同时，Aurora秉持技术中立的立场。“我们致力于打造性能最佳、飞行时间最长、最环保的产品。”Grzywna表示，“氢燃料电池完全符合这些要求。但我们也密切关注新兴的锂电池技术和混合动力技术。我们将始终追随客户需求。”为了方便客户在不重新设计飞机的情况下切换动力源，Aurora设计了一种可更换的机头锥，既能容纳锂电池，也能容纳燃料电池系统。

五年后，氢燃料电池无人机将处于何种水平?监管将起到决定性作用。在美国，联邦航空管理局(FAA)正在推进BVLOS运行规则的制定，一旦最终确定，将有望打开巨大的市场。“BVLOS批准在未来五到十年内势在必行。”Grzywna指出，“一旦法规到位，需求将会激增。”

然而，氢能若想大规模普及，就必须融入更广泛的物流系统。“如果只有无人机使用氢能，那么其普及将受限。”Grzywna警告说，“但如果叉车、车辆和其他设备也采用氢能，供应链就会随之扩展——无人机也将从中受益。”

Kelly持乐观态度：“在公用事业巡检和国防等领域，氢能的应用将强劲增长，因为这些领域我们的优势最为显著。随着成本降低和操作人员对氢能日益熟悉，包裹递送等商业应用也将接踵而至。”

Aurora和Intelligent  Energy的合作凸显了氢动力无人机的前景与挑战。通过将续航时间翻倍、降低声学和热信号特征以及实现模块化设计，燃料电池让2类无人机拥有了以往只有大型系统才具备的能力。

从热管理到燃料物流，技术难题依然存在，但两家公司正通过务实的工程设计和紧密合作来攻克难关。随着法规的完善和氢能基础设施的成熟，燃料电池无人机有望成为巡检、监视和国防领域的标准工具。

目前，SKIRON-XLE就是一个有力的证明：氢燃料电池不再仅仅是实验室项目。它们正在为真正的飞机提供动力，执行实际任务，并重新定义小型无人机的能力。