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關於無人機 必須被澆滅的七個幻想

  現在的無人機是個不折不扣的新聞熱點,媒體的編輯們自然也在跟風炒作無人機的新聞。大體上來說,新聞在炒作兩個方面的內容:1,無人機很便宜了,普通消費者都可以買來自拍。2,無人機很強大,十八般武藝樣樣精通,消滅恐怖份子如捏死螞蟻。

  這兩方面內容單說起來都是對的。一方面現在確實有一些無人機非常便宜,諸如大疆、零度等消費級無人機,僅僅一個智能手機的價格就能買到,還有些玩具遙控飛機,幾百塊錢就能拍照;另一方面,最近又確實湧現出一些諸如彩虹-4、捕食者、利劍隱形無人機,性能強大到能打世界大戰用。

  但要是合起來說:無人機便宜而且強大。那非常的不對。這些便宜的消費級無人機,除了當玩具之外,啥也幹不了;而像捕食者這樣的作戰用無人機,價格突破 1000 萬美金。

  消費級無人機不過是富家子弟的玩具,察打一體的軍用無人機則由肉食者謀之。倒是那些很少見於報端的工業級無人機辛苦的勞作,解決了許多棘手的問題,是諸多行業的工作者都需要的。

  工業級無人機具有一定的設計冗餘度,有一定的載荷和航程,有相當的任務擴展能力,有廣泛的用途。而價格也不像軍用無人機那樣的天文數字。

  但在對工業級無人機憧憬之前,我還是想把話題拉回到現實:工業級無人機也有這樣那樣的限制因素,有許多要求是想做做不到的。

  1、“我想飛得更高”

  飛行的相對高度對於一般的無人機使用者而言是並不重要的性能,因為絕大多數用途都在低空甚至是 “貼地飛行”,即使是航拍也不會飛太高,太高了看看不清底面。但是飛行的海拔高度對於高原地區的用途而言則是一個非常重要的參數。

  高空空氣稀薄,一方面會讓螺旋槳的效率下降;另一方面也會讓動力系統的效率下降。目前業內燃油動力的無人機一般使用自然吸氣的二衝程發動機,隨着空氣的稀薄進氣效率降低,動力自然也就會下降,同時因為氣壓的下降汽油的沸點也隨之下降,到一定高度會在常溫中沸騰。這些活塞式的油動的無人直升機一般空載最高只能飛到兩三千米,滿載的高度會更低。

  倒是電動機對海拔不那麼敏感,在高海拔地區還可以飛行。但是高原地區的低溫則會讓電池的容量降低。讓本就不長的續航時間更捉襟見肘。

  2、“我想飛得更遠”

  無人機的飛行活動半徑是絕大部分用戶都關注的問題,也是個重要指標。但飛行半徑卻不是想大就能大的。制約無人機飛行半徑的有兩方面:飛機的機械極限與電台的控制半徑。

  無人機本身因為續航時間的限制,其飛行半徑就是有極限的。尤其電動多旋翼,任務飛行時間只有 20 分鐘左右,再考慮起飛降落的時間,飛控半徑一般都在 1 公里左右。

  同時因為微波的物理性質,地面對無人機的操控距離和無人機圖傳回來的距離都不會太遠。無人機手動控制的遙控器,其頻率為 2.4G,波長很短,基本沒有繞射能力,其控制半徑只能到 1 公里,而且很怕遮擋。

  中大型的無人機可以裝機載數傳電台,頻率在幾百兆的跳頻數傳電台,波長稍長,稍有一定的繞射能力。但是也比較怕遮擋,不光擔心遮蔽,也擔心多路徑效應。原則上來說也是要求 “通視” 的。很不幸的是我們所在的地球是圓的,所以受制於地球曲率的影響,低空飛行的遙控距離也不會太長。所以中型的無人機遙控距離 25 公里,大型的也是如此。有些無人直升機標稱控制半徑很遠,能到 150 公里,但要達到如此遠的距離需要飛到極限升限 3000 米高。這麼高的飛行高度,一般的光學設備已經難以看清地面,失去了實用價值。

  一些人想到用 3G 或者 4G 移動網絡實現類似 “星通” 的效果,但很可惜就算拋開高額的數據流量價格不說,其可行性上也有問題。一方面從平面地圖上來說移動網絡是以各個基站為圓心的圓所組成的蜂窩,交接處信號有盲區,在飛行中非常明顯;一方面從立體空間來講,移動網絡是以基站信號塔為中心的向下傘狀覆蓋,移動網絡只在地表信號好,在空中這個盲區更厲害。

  3、“我想再飛一會兒”

  毫無疑問,續航時間對於無人機而言是個非常重要的指標。很多情況下制約無人機活動半徑與飛行相對高度的最重要因素就是無人機本身機械部分的續航。客戶也經常會問:你們的無人機,續航時間能長一點嗎?

  通常情況下:不能!顯而易見,不管是無人機還是有人機,制約滯空時間的主要都是能源。因為對於密度大於空氣的這些飛行器而言飛行的每一分鐘都在與重力搏鬥。

  對於燃油動力的無人機,能源的載體就是燃油。不管是汽油,柴油還是航空煤油,其熱值都是一定的。飛得時間久就需要多帶油;多帶油就需要更大的飛機;更大的飛機也就更費油。以目前最成熟的 AF25B 無人直升機為例:飛機空重 16 公斤,最大起飛重量 32 公斤,每飛 1 小時需要燒掉 4 公斤的油。所以即使把所有的載荷都換成燃油,其續航時間在理想情況下也就是 4 小時。考慮到任務設備的重量和配重造成的載荷損失,能飛到 2 小時已經是極限。有一些更大的機型,可以用更複雜同時燃燒效率更高的發動機,可以將燃料佔總重量的比例提高,但也是有極限的,即使是 S100 和 APID60 這樣昂貴的無人機,其滯空時間也不過 4-6 小時。

  對於電動的無人機而言,續航時間則更加捉襟見肘。尤其對於多旋翼而言,由於電動機的響應快容易控制,電動是其福音。然另一方面電動又是制約其續航時間的一個巨大難題。

  因為電能的載體是電池,然電池的重量很大且空電池不會變輕,而且對於電動機而言隨着負載的增大其耗電量會激增。所以電動無人機不是往上堆砌電池續航時間就能增加的,而是一個函數取極值的問題。即使是大名鼎鼎的 MD4-1000,其任務飛行時間也不過 25 分鐘。

  4、“我想風雨無阻”

  你們的無人機能抗幾級風?

  這是客戶很關心,也是我們很關注的一個實際問題。無人機的飛行介質就是在風中行走,有風就相當於路不好走。無人直升機的抗風性平心而論還是相對比較不錯的,五六級風都能飛,因為其重心低而升力點再上,即使風大些也未必出問題。當然風大了,風險總還是會增大,就好比路太爛坦克也怕翻車。一個是怕超過極限失控,還一個是怕螺旋槳因柔性而與其它部分打架。尤其是雙槳共軸的無人機直升機。

  不過對於多旋翼而言,情況恐怕就沒有那麼樂觀了。因為多旋翼像走平衡木,升力點並沒比重心高多少,非穩定結構,也非完全控制結構。所以就算是很大的八旋翼,能抗 5 級風也就很勉強了。

  你們的無人機能防雨嗎?

  不能!無人機的電子設備尤其是舵機,發熱量是很大的,防雨做的太好會導致散熱不好。所以即使是油動直升機,也不過是短暫防淋雨,突然下雨趕緊返航可以,冒雨飛行不行。

  倒是一個小型多旋翼能防雨,就是德國的那個大名鼎鼎的 MD4 無人機能防雨,MD4 也因此可以賣到如此昂貴的價格。

  5、“我想靠譜”

  廠商們大都迴避一個問題:風險。一方面確實有些小廠的無人機土法上馬,或者太激進,可靠性不佳,另一方面,無人機飛行有風險是不可避免的,除了故障還有不可抗力。

  為了提高可靠性,飛機會採用成熟的機體或者冗餘度更高的設計。直升機盡量用進口 AF25B,多旋翼則用八旋翼;另一方面飛控採用像 MP2128 這樣的經過多年驗證,甚至是 AX100 這樣的軍用級飛控;飛手要經過長時間的練習,地勤也要兢兢業業。

  但不管再可靠的機器都不敢保證萬無一失,而且飛機在天上飛還要考慮環境因素的影響。“絕對可靠” 是不現實的。所以無人機的飛行必須規避人口密集區、飛機有異常就得檢修,就不能逞能,不管有多少錢的合同,多大的領導期望。

  我們不妨再換一個角度想這個問題:用戶為什麼要買無人機?為啥不用有人機呢?

  無人機本質上說就是讓電腦代替飛行員去開飛機,同樣載荷的無人機必然會比有人機貴。為啥非要買無人機呢?還不是因為飛行有風險,尤其這些低空飛行,地形複雜氣流亂,最近的通用航空接二連三的出悲劇,每次事故都伴隨着慘烈的傷亡。

  所以無人機之所以越來越火,並不是因為飛行很安全,而是飛行很不安全。我們在做的事情,只是讓機器代替人去冒險。

  6、“我想接地氣”

  你們的無人機超預算了,能便宜點不?——不能!

  一分錢,一分貨。亘古不變的真理,就像你不能指望奧迪雙鑽的四驅車跑達喀爾拉力賽,你也不能指望奔馳 G55 賣到奧拓的價格。無人機作為飛行器對可靠性的要求更高,相應的成本控制難度也就更大。無人機是個若干子系統共同運作的一個複雜系統,每個子系統出問題都是致命的,因此為了省錢而採用質量稍次的部件都是得不償失的。

  電池能用便宜的嗎?電腦能用經濟的嗎?電台能換成 4G 手機嗎?減震墊片能湊合一下嗎?飛機能換成山寨的嗎?飛控能換成 ACE 嗎……

  我的回答是都不能,而且對此非常無奈。不止一個客戶圖便宜,買了便宜貨,摔了又想起來找我們,有意思嗎?

  7、“我想省吃儉用”

  無人機的後期維護保養與使用成本也是廠家總要迴避的問題。但對用戶而言這個問題非常棘手。

  在油動無人直升機中,發動機等硬件的使用壽命是個非常關鍵的問題。目前比較常用的是活塞式發動機,這種發動機一點也不先進,對海拔敏感,但是其優勢就是耐用,壽命可以有數百個飛行小時。也正如汽車摩托車,如果保養良好,其實際使用壽命可以長於設計壽命。有些比較先進的機型會使用渦輪發動機,但小型渦輪機就算是大型國家研究所的產品,其壽命也僅有幾十個小時。

  對於固定翼無人機而言,機體的壽命則是關鍵。固定翼的採購價比較便宜,但受制於使用環境和飛手水平,一般只能傘降或者撞網回收。暴力降落也就意味着壽命的巨大縮短。某軍用固定翼無人機的壽命也不過 40 個架次,民用機的壽命更加可憐。有客戶跟我們抱怨之前用的固定翼無人機總要換機翼,然實際上經常更換機翼恰恰是說明飛機質量好,質量稍差些的機體本身的損耗率也很嚇人。

  作為一個工科男,並沒有妄議時下熱門的法律法規方面的問題,只是說了些老生常談的問題。這些對無人機應用的制約並不是來自於有關部門,而是來自——牛頓。我想這盆冷水能澆滅一些用戶不切實際的幻想,也能沖洗掉一部分奸商的謊言。

  大概看完我的文章,心中應該是哇涼哇涼的。無人機這也不能,那也不能,到底能幹什麼呢?——不能幹的事情越多,能幹的事情也就越多。高中政治課本就教導過我們:尊重客觀規律與發揮主觀能動性是辯證統一的。只有更好的尊重客觀規律,更知天高地厚,才能更大的發揮作用。

  “多旋翼的宣傳參數總能突破物理定律” 沒錯,但天津塘沽爆炸之時,某參數逆天高的電動多旋翼臨危受命,效果卻還沒某些消費級的無人機好。

  與之形成鮮明對比的是又有許多參數非常寒酸的多旋翼,巡線、架線、航拍甚至檢測了龍潭河等特大橋上長久以來的盲區。發現了深藏的安全隱患,讓橋檢所的專家們都讚不絕口。

  有些參數保守,外形簡單的多旋翼,經受住了高強度植保作業的考驗,其效率並不比參數更漂亮的機型低。

  還有些看着不科幻,參數也不驚艷的油動無人直升機,真的肩負起了保衛人民生命財產安全的重任。在小長假時高強度飛行指揮交通,發揮了不可替代的作用。使用方甚至興奮的說出了 “一架警用無人機的巡邏能力相當於 30 輛警車和 150 名警察,監視範圍達到地面警力的 15 倍。” 這樣連我們廠家自己都不敢說的話。

  更有些樸實的無人機,在踏實的飛手操作下,發揮了意想不到的作用,成功遏制了防不勝防的地下石油管線偷盜問題。

  總之,無人機絕非媒體宣傳的那個樣子,也有這樣那樣的限制因素,還有許多技術難題需要解決。我們要以求真務實的態度重新審視無人機,這樣才能發揮無人機們應有的作用,也好給某些好事兒的新聞編輯更多的談資。(本文作者趙汗青來自北京七維航測)

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