長航時電動無人機之技術發展與應用：材料世界網

張嵩駿、賴建銘、蔡麗端／工研院材化所

近年無人機之技術發展已由前數年持續開發並趨近成熟之飛控、通訊等方面，轉為物流、載人等需挑戰載重與航時等物理限制之課題。無人機產業如需持續擴展應用，高載重與長航時實為必須開發並建立之技術，兩技術息息相關，皆以動力/能量密度提升為最重要之關鍵。本文將針對長航時無人機之分類與最新技術進展進行介紹。

【內文精選】

前言

由於ICT與通訊技術進步以及關鍵元件之成本降低，使得無人機(Drone/Unmanned Aerial Vehicle; UAV)開始快速拓展至商業用途。此榮景可由最近兩年於美國拉斯維加斯舉辦之消費電子展(CES)得知一二。

2019年之CES展會上，加入了新議題—物流與載人。在物流方面，京東展出以無人機向中國偏遠地區提供消費品和醫療用品（圖一），同時亦藉虛擬實境(VR)讓場內人士體驗無人機飛行；至於載人部分，則以德事隆集團(Textron Inc.)旗下企業Bell所展示之1:1空中計程車設計最為吸睛（圖二），此名為Nexus之多軸無人機搭載6台可傾轉涵道風扇，可負載1名駕駛員及4名乘客，最高航速達150英里，提供安全高效之空中出行體驗。

圖二、Bell所展示之1:1空中計程車設計

除CES展會外，無人機之商業化進程於2019年尚有一件重大關鍵進展，即UPS於2019/10/1獲得無人機FAA’s Part 135 Standard Certification通過許可，為全美首間通過許可之無人機業者。UPS於驗證通過後，立即啟動第一架無人機進行WakeMed’s Hospital Campus藥物運送飛行任務，採用Matternet M2四軸無人機，進行視距外操作飛行，也是第一家美國合法之營利物流業者。

長航時無人機之分類

長航時無人機依飛行模式主要可分為定翼型(Fixed-wing)、多旋翼型(Multi-rotor)與複合翼型(Hybrid VTOL)三種；另有單軸旋翼之直升機型(Helicopter)，其動力模式與酬載參數等與多旋翼相近，且國際上較少利用此種型式設計長航時無人機，因此在此並不多加說明，若需評估其特性則可先以多旋翼之資料說明作為初步參考用。粗分為上述三種型式後尚可再依動力源再細分為純鋰電、油電混合與燃料電池(Fuel Cell)動力型三種，各種機身型式與動力源之組合各有其特點，分別可對應不同之應用情境。

國際長航時電動無人機（含複合動力）之技術發展與應用現況

2. 多旋翼型

(2) 油電混合動力

►Quaternium

歐洲Quaternium公司結合電池及汽油燃料的優勢，開發一款Hybrix.20無人機，續航力最大可達4小時以上（圖七），2017/12/24於西班牙之測試甚至長至4小時40分。其機身之酬載能力亦十分優秀，於2.5 kg之最大酬載狀態下仍可維持飛行2小時。

(3) 燃料電池複合動力

►MetaVista/Intelligent Energy

韓國無人機公司MetaVista與英國燃料電池公司Intelligent Energy合作，以Intelligent Energy之800 W氫燃料電池模組為動力源，配合機身下方一可盛裝6公升液態氫之儲存瓶，以四軸飛行載具於無酬載之狀態下完成長達12小時7分之續航測試（圖八），創下使用液態氫多旋翼無人機之最長滯空紀錄。

►工研院材料與化工研究所

工研院材化所以十數年之燃料電池研發能量，開發無人機等動力載具用之輕量高功率燃料電池電堆與系統，並持續發展新技術以提升發電功率密度與系統輕量化，於2019年12月成功以多軸無人機載具（圖十四）完成5 kg酬載下130 min之連續滯空測試，創下目前實用酬載下多旋翼燃料電池無人機滯空最長紀錄。