近年来，各种无人机在民用、军事领域获得了越来越广泛的应用，民用无人机一般采用锂电池作为能量来源，但由于锂电池能量密度的限制，固定翼无人机的续航时间一般为3-4小时，旋翼无人机的续航时间一般为20-40分钟，续航时间的不足限制了民用无人机的推广与应用。燃料电池是一种可以利用氢气、氧气作为反应物，通过高效电化学反应发电的能源装置，氢燃料电池动力系统由于其高能量密度的特点，能够将无人机的续航时间提高2-3倍，在电动无人机领域的应用受到了广泛关注。
图1.“翌翔一号”燃料电池无人机
哈工大翌翔无人机团队基于对燃料电池动力系统多年深耕的基础上，本着科研转化成果，创造社会价值的理念，将目光投向了燃料电池电推进无人机这一蓬勃发展的领域。时间回到2020年6月，经过老师和同学们的多轮研讨，决定要研制一架新的燃料电池固定翼无人机，作为团队在燃料电池飞行器领域的开山之作，并命名为“翌翔一号”。
在2020年新冠疫情的特殊环境之下，团队成员通过线上会议的方式紧锣密鼓地攻克了无人机选型、无人机总体设计、动力系统设计等诸多难关，每周3次例会。2020年7月小组成员齐聚哈尔滨，在校外租住的房子里开始了紧张的实验工作。开辟一条崭新的道路总是需要披荆斩棘，首先需要完成的是动力系统开发工作，相对于锂电池动力系统，燃料电池系统复杂度，经过反复的摸索和实验，团队成员解决了燃料电池电堆的供气、排气、电堆活性不足等问题，测试了电堆的极化曲线特性，掌握了无人机的动力核心——燃料电池电堆的工作特性。8月份，团队成员以燃料电池为核心配套了直流转换器、超轻高压氢气罐、减压阀、输气系统、动力锂电池等多个部件，并设计了自动/主动切换式能量管理系统，在地面实验中成功完成多次测试运行。
图2.“翌翔一号”起飞瞬间
与此同时，团队成员与外单位合作完成了适配燃料电池动力系统的无人机载机，经过数十次外场飞行实验，验证了无人机的载机的性能，并对载机进行了适应性改装。时间来到了10月，迎来整个项目的关键步骤，燃料电池动力系统与无人机载机的集成，团队成员动力系统的功率和重量配比进行了细致的调整，同时使动力系统契合无人机的飞行任务剖面，调整各部件的位置，增强无人机飞行的稳定性。
团队成员所需要应对的不仅是发展燃料电池/锂电池混合动力系统过程出现的重重问题，由于无人机实验的对于环境条件的特殊需求，如果想在今年完成无人机项目，就需要赶在哈尔滨严寒大风天气之前完成首飞，整个团队也是在跟时间赛跑。完成燃料电池系统集成工作之后，最后的任务就是无人机的首飞测试了。10月中旬，天气已经转寒，常常刮起5-6级大风，团队成员两次出发前往试飞场地，但最终由于天气条件恶劣，难以完成飞行测试。此时时间已经来到10月末，紧迫感也压了在团队成员的心头。10月29日，团队成员第三次出发来到试飞场，天气条件达标，经过细致的飞行检查，飞行准备完成。随着一声令下，无人机启动了手抛起飞模式，无人机动力系统开足马力，一飞冲天，飞行过程十分顺利，燃料电池/锂电池混合动力系统工作正常，电源管理模块工作正常，完成多项性能测试后，无人机在控制台的控制下开启降落伞平稳落地，宣告了团队首架燃料电池无人机——“翌翔一号”首飞实验的圆满成功。
短短五个月的时间，从无到有，“翌翔一号”燃料电池研制成功，一定程度上创造了奇迹。成功的背后是团队成员的齐心协力、集智攻关，克服了重重困难，是辛勤汗水和数十个深夜鏖战。
图3.“翌翔一号”燃料电池无人机飞行图
“翌翔一号”无人机翼展为2.2m，最大起飞重量为8.0kg，有效载重大于0.5kg，理论续航时间可达到8小时，最大航程可以达到550km，是目前国内起飞重量最小的燃料电池固定翼无人机，是首架可采用手抛起飞/降落伞降落的燃料电池固定翼无人机，实用性强。得益于“翌翔一号”配备的高功率密度的燃料电池/锂电池混合动力系统，“翌翔一号”可以采用手抛起飞、降落伞降落的起降方式，适合在各种复杂地形中使用。
翌翔无人机团队掌握了氢燃料电池无人机的总体设计流程，发展了一套兼具高功率密度和高能量密度的燃料电池/锂电池混合动力系统和电源管理方法，并在试飞实验中完成了各项技术验证工作。燃料电池无人机得益于其续航优势，在多种传统无人机应用领域可以发挥更佳的能力。
图4. 无人机航拍和无人机送货
燃料电池无人机的应用前景广阔。在无人机航拍、勘测场景中，使用燃料电池动力系统可将无人机续航时间提升2-3倍，可以对更广阔的的区域进行探测，无人机运输场景中，相同载重条件下，使用燃料电池动力系统可将无人机续航里程提升2-3倍，相同续航里程条件下，使用燃料电池动力系统可将无人机载重能力提升1.4倍，相对于使用锂电池的无人机有着巨大优势。
期待哈工大翌翔无人机团队的下一个优秀作品。
