如果想不斷推動(dòng)無人機(jī)飛行性能的發(fā)展，電池的體積必須越來越小，重量必須越來越輕。當(dāng)涉及到功率密度時(shí)，可以看出我們已經(jīng)達(dá)到了一定的限制。鋰聚合物(Li-Po)和鋰離子電池(Li-ion)的體積已經(jīng)變得很小，價(jià)格也在人們承受范圍之內(nèi)，這主要是手機(jī)行業(yè)帶動(dòng)的結(jié)果。因此這類的電池被廣泛使用，如今可以公平地說，絕大多數(shù)（96%）的無人機(jī)使用電池作為動(dòng)力源。

如果僅僅是為無人機(jī)系統(tǒng)增加電池?cái)?shù)量，這并不能延長其飛行時(shí)間以及擴(kuò)展其負(fù)載能力。鑒于特定能源的現(xiàn)狀，想實(shí)現(xiàn)更高的有效載荷和更長的飛行時(shí)間需要考慮到一些事情：質(zhì)量比能（每單位質(zhì)量所具有的能量）和體積比能（每單位體積所具有的能量）。

僅僅考慮能量源并不是正確的方式，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)（能源+推進(jìn)系統(tǒng)）都會(huì)影響飛行的性能。如果推進(jìn)系統(tǒng)（如渦輪或燃料電池）非常沉重，具有極高能量密度的源（如煤油或H2）并不會(huì)起到什么作用。

推進(jìn)系統(tǒng)的效率因素也有很大的不同：電池供電系統(tǒng)將73%的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，燃料電池將44%的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，而燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)僅有39%的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力。

另一個(gè)影響能源用途的因素是其預(yù)期的使命。無人機(jī)應(yīng)該飛行的時(shí)間更長還是攜帶更高的負(fù)荷？無人機(jī)應(yīng)該在有限的半徑內(nèi)飛行還是在遙遠(yuǎn)的云層之上飛行？這些問題對能源的用途有很大的影響，不同的操作方案要選擇不同的能量源。

當(dāng)考慮到推進(jìn)系統(tǒng)、任務(wù)和增加能量密度的需求時(shí)，我們要重新回到源。下圖顯示了雙對數(shù)尺度上每個(gè)源的具體的能量密度：

一、電池

對，又是電池。電池有很多優(yōu)勢：可以在任何地方充電、在大多數(shù)情況下可以沒有限制條件地進(jìn)行運(yùn)輸、沒有溢出或發(fā)熱的情況，通過更換電池塊可以很容易地完成能量補(bǔ)充。

對于無人機(jī)來說，Li-Po和Li-Ion是最常見的源，但這并不意味著結(jié)束。鋰亞硫酰氯電池（Li-SOCl2）與Li-Po電池相比，每千克的能量密度是Li-Po的2倍多，而鋰空氣電池（Li-air）每千克的能量密度是其7倍多。而這兩種電池卻沒有得到廣泛的使用，歸其原因是價(jià)格太高。鋰硫電池（Li-S）可能會(huì)被Li-ion電池接替，因?yàn)長i-ion的高能量密度，同時(shí)還可以減少硫的使用成本。

二、氫燃料電池

燃料電池有很多優(yōu)點(diǎn)：沒有直接污染、沒有聲音，這種電池是由非常強(qiáng)大的源H2提供能量。將液態(tài)H2與鋰離子電池的能量密度相比較，它們之間的系數(shù)是150！僅此一點(diǎn)足以使氫燃料無人機(jī)推向市場。

燃料電池開發(fā)商巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)的子公司Protonex希望利用這些機(jī)會(huì)。最近，該公司向美國航天巨頭波音公司的子公司Insitu提供了他們的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池，波音公司生產(chǎn)了特種級(jí)和工業(yè)級(jí)的長航時(shí)固定翼無人機(jī)，如“PhantomEye”和“ScanEagle”。

FSTDSingapore已經(jīng)在固體氫的需求動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了突破。機(jī)器人技術(shù)開發(fā)商H3Dynamics也發(fā)布了其手動(dòng)發(fā)射的固定翼無人機(jī)“Hywings”，這款無人機(jī)可以飛行10個(gè)小時(shí)，飛行范圍可達(dá)500km。

HorizonUnmannedSystem公司發(fā)布的Hycopter無人機(jī)可以在零負(fù)載的情況下飛行4個(gè)小時(shí)，在負(fù)載兩磅的情況下飛行2.5個(gè)小時(shí)。這款無人機(jī)利用其“中空”的結(jié)構(gòu)以氫氣代替空氣儲(chǔ)存能量，從而消除了能源儲(chǔ)存量。

MicroMulticopterAeroTechnology（MMC）公司專門為無人機(jī)推出商業(yè)化氫燃料電池“H-1燃料電池”。此外，MMC設(shè)計(jì)和制造了世界上第一個(gè)氫動(dòng)力無人機(jī)“HyDrone1550”。

KoreanHyliumIndustries公司正在開發(fā)飛行時(shí)間可達(dá)4小時(shí)的無人機(jī)；蒙特利爾的EnergyOr“H2Quad-1000”在有效載荷1公斤的情況下可以飛行2小時(shí)。

IntelligentEnergy也在銷售燃料電池動(dòng)力無人機(jī)被聲稱：“IntelligentEnergy的風(fēng)冷燃料電池系統(tǒng)在氫氣和環(huán)境空氣的基礎(chǔ)上運(yùn)行，產(chǎn)生清潔直流電源，而電池本身結(jié)構(gòu)簡單、重量輕但很堅(jiān)固，并具有成本效益。這種電池要比電池為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的能量質(zhì)量比更高，并且可以在幾分鐘內(nèi)充滿電?！?/p>

UrbanAeronautics的子公司Metroskyways在2017年4月宣布，該公司正在開發(fā)一款可以乘坐四人的氫動(dòng)力垂直起降飛行車“CityHawk”。

三、汽油、煤油、甲醇、乙醇、液化石油氣丙烷

目前有許多成熟可用的汽油動(dòng)力解決方案，其中的一些也具有卓越的飛行性能。UAVFactory公司的“PenguinC”固定翼無人機(jī)在油箱加滿時(shí)可以飛行超過20小時(shí)，Siebel的“CAMCOPTERS-100”在油箱裝滿時(shí)可以飛行6個(gè)小時(shí).

這種能量源的優(yōu)勢在于高質(zhì)量比能[Wh/kg]和容積比能的結(jié)合[Wh/l]。與Li-Po電池相比，汽油的質(zhì)量密度是其48倍，而容積密度是其13X倍。此外，內(nèi)燃機(jī)堅(jiān)固、小巧、重量輕，具有良好的耗油率。

當(dāng)談到耐力時(shí)，汽油動(dòng)力無人機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢是隨著時(shí)間的推移，重量的堅(jiān)強(qiáng)，使平臺(tái)更輕，從而增加了飛行范圍。

四、氣電混合物

總部位于安大略滑鐵盧的PegasusAeronautics公司和德國柏林YEAIR公司的產(chǎn)品是氣電混合引擎最好的例子。兩家公司將電動(dòng)機(jī)的快速反應(yīng)和汽油動(dòng)力飛行的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。

五、太陽能

在過去的幾年中，太陽能電池的效率不斷增加，從10%到近46%，達(dá)到了約175W/m2的功率比。很顯然，這需要整個(gè)機(jī)翼的表面上覆蓋大面積的太陽能板，這樣就可以和多旋翼無人機(jī)一樣進(jìn)行正常的工作。

硅谷的高科技公司也在探索太陽能無人機(jī)的潛力：Facebook希望通過其“Aquila”（高空、長航時(shí)）太陽能無人機(jī)將無線網(wǎng)絡(luò)帶向世界偏僻的角落，以及谷歌X現(xiàn)已解散的Titan項(xiàng)目。

空客的“西風(fēng)”無人機(jī)是一個(gè)高海拔的偽衛(wèi)星（HAPS）用來填補(bǔ)衛(wèi)星和無人機(jī)之間的能力差距。“西風(fēng)”無人機(jī)通過太陽能運(yùn)行，可以在高于天氣和商業(yè)空中交通的位置飛行，它的飛行高度可達(dá)70000英尺。波音公司的“太陽能鷹”項(xiàng)目于2012年取消。

OpenRobotixLabs正在開發(fā)一款Mars特種車“XSOL-E1”，這是一款以太陽能提供動(dòng)力的四軸飛行器。公司的一位發(fā)言人概述了飛行時(shí)間取決于很多因素，但一般來說，我們可以通過太陽能輔助技術(shù)將原來的15分鐘的飛行擴(kuò)展到40至45分鐘。

六、太陽能混合物

太陽能混合物（太陽能+電池）的耐力驚人。AltaDevices和PowerOasis已經(jīng)宣布他們正合作研發(fā)世界上第一個(gè)集成太陽能和Li-ion離子電池供電系統(tǒng)的小型無人機(jī)。無人機(jī)的參考架構(gòu)為2-4米，使用5s-7s鋰離子電池。這款無人機(jī)的設(shè)計(jì)圖將于2017年末發(fā)布。

七、系留

系留系統(tǒng)可以在一個(gè)小半徑范圍內(nèi)進(jìn)行無限期的飛行，是監(jiān)視和偵查的完美選擇。MMC公司的“T1”系留系統(tǒng)可以支持多數(shù)無人機(jī)，例如MMC的“TDrone1200”、大疆“Matrice600”、DJI“S1000”、Yuneec“TyphoonH”、Intel“Falcon8+”、Microdrones的“md4-1000”等等。Bluevigil、Elistair、DroneAviationCorp和SPHEngineering這些公司也有類似的項(xiàng)目。

八、超級(jí)電容

石墨的單原子層會(huì)將超級(jí)電容帶到新的高度？2015年2月，通用電氣公司贊助超級(jí)電容的研究工作。初級(jí)能源，如內(nèi)燃機(jī)、燃料電池和電池作為低功率的持續(xù)源可以很工作的很好，但是不能有效地處理峰值功率或回收能源，因?yàn)樗麄兎烹姾统潆姸际志徛?。超?jí)電容器在峰值功率需求下可以提供快速爆發(fā)的能量，然后迅速存儲(chǔ)能量并捕獲可能會(huì)丟失的剩余動(dòng)力。

電容看起來似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電池的能量密度，但是他們似乎是一種偉大的媒介物，提升敏捷的油電混合動(dòng)力配置。

九、激光

LaserMotive公司已經(jīng)研發(fā)出無人機(jī)功率鏈技術(shù)，一種配備了激光接收器的功率光束無人機(jī)。2012年，洛克希德馬丁公司在LaserMotive的協(xié)助下，展示了其“Stalker”無人機(jī)，這款無人機(jī)在激光充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，持續(xù)飛行了48小時(shí)。Stalker的項(xiàng)目經(jīng)理TomKoonce說：“像這樣的地對空系統(tǒng)可以讓我們?yōu)镾talker提供幾乎無限的飛行耐力，擴(kuò)展Stalker可以完成的任務(wù)剖面。”

德國的AscendingTechnologies公司與LaserMotive在2010年通過一架小型無人機(jī)證明了這項(xiàng)技術(shù)的效率，這架小型四軸飛行器持續(xù)飛行了十二小時(shí)。

結(jié)尾

所有的無人機(jī)能量源在特定的任務(wù)中都有著各自的優(yōu)勢。混合解決方案（源和推進(jìn)系統(tǒng)）符合向清潔能源過渡的需求?，F(xiàn)如今，因?yàn)榛旌衔锟梢跃饫壮蔀橐环N單獨(dú)的技術(shù)，所以將兩個(gè)領(lǐng)域中最好的物質(zhì)相結(jié)合似乎是一個(gè)明智的選擇。此外，從其他領(lǐng)先的領(lǐng)域（如汽車）中也可以看到這是一種明智的舉動(dòng)，尤其是當(dāng)涉及到降低未來大規(guī)模生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的成本時(shí)。