熊治民 / 工研院產科國際所
無人機系統創新研發需求
目前商用無人機系統在應用上面臨的主要問題之一，是如何有效提高負載與續航力(或持續作業時間)。目前許多無人機服務應用均使用多旋翼無人機，這種無人機可垂直起降及在作業空間中保持定點停懸，能在航拍、巡檢、救災、運輸、通訊中繼等服務應用上帶來更多作業彈性。然而，目前多旋翼無人機以鋰電池作為電力來源，導致實際作業飛行時間只有30~40分鐘，甚至更短；同時也在有效負載上造成限制。因此發展高負載、長航程的無人機系統，是目前產學研界都非常重視的創新研發議題。
無人機要實現高負載、長航程，目前有兩種不同的研發途徑。首先是從提高無人機動力系統儲能密度著手，包括研發儲能密度更高的二次電池，使用油電混合動力系統，以及發展燃料電池動力系統。其次，是在保持多旋翼無人機可垂直起降、停懸優勢的同時，設法提高無人機氣動效能，進而增加負載、延長航程。主要方法是採用結合定翼機與多旋翼的複合式構型設計。
高負載長航程無人機
1. 油電複合動力無人機
在政府科專計畫支持下，工研院機械所近幾年持續發展基於油電複合動力的高負載、長航程無人機。這些無人機可應用在貨物運送、救災、噴灑農藥、清洗電塔礙子等不同工作。
油電複合動力無人機，使用燃油引擎驅動發電機組，再供電給無刷馬達。相較於只使用鋰電池的純電無人機，油電複合動力無人機可以攜帶重量較輕的燃油完成相同航程飛行，因此能有更多負載能力用於執行實際工作。而在相同負載下，油電複合動力無人機則可以攜帶更多燃油，大幅延長飛行時間與航程。(圖一)
圖一、工研院無人機油電混合複合動力系統
工研院透過油電複合動力系統，使八軸多旋翼無人機在負載30公斤的情況下，飛行時間可達到45分鐘；有效載荷僅為20公斤情形下，飛行時間可長達1小時。
此外，工研院研發創新機身拓樸技術，透過彈性主副旋翼配置，可因應不同負載需求，調整多旋翼無人機軸數與軸距，形成具備不同效能的無人機構型。例如，6軸18槳長軸距(3.75 m)大型無人機(圖二)，最大起飛重量可達180公斤；包含20公升燃油、負載50公斤，酬載比(燃油及負載重量，除以最大起飛重量)達到38%。
工研院也開發「馬達動力失效保護」飛控軟體，可提高多軸旋翼無人機飛行安全性。例如無人機在飛行中，當其中一軸的馬達故障時，透過此飛控軟體，能自動切換到馬達失效保護模式，幫助無人機迅速恢復穩定飛行。
油電複合動力系統，不只能應用在大型運補無人機，也具備在小型垂直起降(VTOL)載人飛行器上應用潛力。透過增加軸數及旋翼數，或是改用更高功率馬達與較大尺寸螺旋槳，將有效負載提高到150~200公斤，即可擁有搭載2名乘客的能力，並具有較純電VTOL更久的飛行時間與載客航程。
2. 燃料電池動力無人機
燃料電池工作原理是使用氫氣(H2)作為燃料，讓氫氣及氧氣(O2)透過燃料電池進行化學反應，產生電力及水(H2O)。由於反應過程除了水之外，不會產生其他會造成溫室效應的廢氣排放，因此也是一種清潔能源使用模式。相較於鋰電池組，燃料電池加上一定的儲氫量(包含高壓儲氣罐)，具有更高的能量密度，所以能大幅增加無人機飛行時間。
在政府科專計畫支持下，工研院材化所研發可搭載在無人機上的燃料電池(圖三)與儲氫模組。無人機燃料電池能量密度達到487 Wh/kg，是目前一般鋰電池的3倍。因此，可以讓酬載5公斤的四軸無人機持續飛行130分鐘；酬載10公斤時的飛行時間也達到74分鐘，都遠高於相同酬載下的一般純電無人機 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、使用燃料電池之長航時高負載商用無人機用混成電力系統