如何降低无人机油耗

由 Lauren Nagel

准确估算无人机的燃油消耗，是确保任务准备充分和取得成功的关键因素。这一单一性能变量将告诉你，你的燃油无人机是否能够投递包裹、到达场地的最远角落，或抵达你的目标。

图 1：燃油无人机在飞行中

对于勉强可行的飞行航线，你可以采用几种方法来降低燃油消耗、增加航程，并提升完成任务的信心。

确定如何改善燃油消耗，首先要计算或测量无人机的燃油消耗量。在配备燃油流量传感器的先进无人机上，这个数值可以轻松地从燃油监测系统中获取。 对于没有燃油监测系统的简单无人机，我们可以借鉴有人驾驶航空中的燃油估算概念。

本文将带你了解如何估算燃油需求、如何测量实际燃油消耗，以及如何降低无人机的燃油消耗/提高其燃油效率。

目录

1. 如何估算无人机燃油需求

• 任务剖面和性能图表

• 示例问题

• 滑行、预热和起飞

• 爬升

• 巡航

• 下降和着陆

• 总燃油需求

• 燃油储备和 BINGO 时间

• 高度和风况

2. 如何测量无人机燃油消耗

• 无人机燃油流量传感器

• 飞行回放软件

• 燃油流量测量中的常见问题

• 燃油流动的正确方向

• 燃油管路中的气泡

• 燃油与机油比例

3. 如何降低无人机燃油消耗

• 转速和功率设置

• 化油器调节

• 燃油混合比优化

• 螺旋桨螺距控制

• 高度和风速

• 航线优化

• 发动机与螺旋桨的匹配

如何估算无人机燃油需求

许多无人机规格表会标明最大燃油续航时间或最大飞行时间，但这些估算通常是在理想条件下得出的。迎风、湿度以及各种飞行机动动作都会逐分钟地逐渐降低最大飞行时间。

在解释了每个变量如何影响燃油消耗后，我们将使用一个示例来演示如何利用这些参考表来估算无人机的性能， 即使你的无人机没有配备这些图表。

任务剖面和性能图表

这里我们将首先从有人驾驶航空中汲取灵感。有人驾驶飞机附带性能规范，详细说明了飞机在不同条件下的燃油消耗。以下是塞斯纳 172M 天鹰的示例：

图 2：1976 年塞斯纳 172M 天鹰飞行手册巡航性能表

如你所见，压力高度、温度和转速都会影响燃油消耗。

在 10,000 英尺高度、标准温度下，以 2,400 转/分钟运行，该飞机每小时消耗约 6.4 加仑燃油。

如果是在更冷的一天，即低于标准温度 20°C 或 -5°C 的相同条件下巡航，你将每小时消耗 6.6 加仑燃油。虽然差距不大，但可能具有重要意义。

现在让我们看看爬升性能：

图 3：塞斯纳 172M 飞行手册爬升性能表

在地面为标准温度的一天，从海平面爬升到 10,000 英尺需要 25 分钟，并消耗 4.5 加仑燃油。这相当于每小时消耗 10.8 加仑燃油，比巡航飞行高出 69%。

示例问题

假设我们有一架 2,300 磅的固定翼无人机，并且我们知道其规格表显示，在海拔 10,000 英尺、2,400 转/分钟巡航时，它每小时消耗约 5 加仑燃油。然而，我们除了这个数值外，还没有详细的性能数据或图表。

图 4：最大起飞重量为 2,250 磅的 MQ-1 猛禽无人机

现在假设我们的任务是爬升到海拔 12,000 英尺，巡航 30 分钟，然后直接下降着陆。温度为 35°C，我们的起飞点位于海平面。

我们需要多少燃油才能完成任务？ 

我们可以利用上方的图表得出一个合理的估算，或者寻找与我们无人机或飞机具有相似特征的无人机或飞机的类似性能图表。

本文将使用图 2 和图 3 中的图表。

为了简化这个示例，我们将假设风速中性（无迎风或顺风），但我们将在后面的部分重新讨论风况如何影响燃油消耗。

我们已经知道，在塞斯纳 172M 每小时消耗 6.4 加仑燃油的相同条件下，我们的无人机每小时消耗约 5 加仑燃油。因此，我们的无人机燃油消耗量约为参考飞机的 78%，至少在巡航阶段。为了简化起见，我们将假设所有飞行阶段都采用相同的比例。

我们需要计算四个飞行阶段的燃油消耗：

1. 滑行、预热和起飞

2. 爬升

3. 巡航

4. 下降和着陆

然后我们可以计算总燃油需求，并考虑燃油储备和 BINGO 时间。

滑行、预热和起飞

对于与我们无人机质量相同的 2,300 磅塞斯纳 172M，预计滑行、预热和起飞需要 1.1 加仑燃油。我们将应用 78% 的比例（1.1*0.78），向上取整，并估算此飞行阶段消耗 1 加仑燃油。

在此练习中，我们将始终向上取整，以增加安全余量。

爬升

对于爬升阶段，我们可以使用图 3 来得出估算。图表显示，爬升到我们 12,000 英尺的目标高度需要 6.1 加仑。然后我们可以应用 78% 的比例（6.1*0.78），估算为 4.8 加仑。

然而，我们还没有完成，因为爬升性能会受到温度的影响，而我们是在一个温暖的 35°C 的日子里运行。塞斯纳飞行手册指出：“非标准温度的近似影响是，由于爬升率较低，每高于标准温度 10°C，时间、燃油和距离都会增加 10%。”

因此，由于我们高于标准温度 20°C，我们必须将燃油消耗估算增加整整 20%。

4.8*1.2 = 5.76，我们将向上取整为 6 加仑，以给我们留出一点安全余量。

巡航

计算巡航燃油消耗很简单——我们可以从图 2 中获取基础数值：在 2,400 转/分钟、12,000 英尺和高于标准温度 20°C 时，172M 的燃油消耗为 6 gph。由于我们巡航 30 分钟，这将总计为 3 加仑，乘以 78% 得 3*0.78 = 2.34，我们将向上取整为 2.5 加仑。

下降和着陆

飞行手册中没有关于下降燃油消耗的专门部分，但我们仍然可以使用图表得出估算。在下降过程中，会使用较低的功率设置，因此我们可以使用巡航图表中提供的最低设置作为参考，即 2,200 转/分钟。

2,200 转/分钟下的燃油消耗在我们的起始高度（12,000 英尺时为 5.3 gph）和图表中的最低高度（2,000 英尺时为 6.1 gph）有所不同。我们将选择一个保守的平均中值 5.8 gph 用于我们的计算。

500 英尺/分钟的下降率提供了一个舒适的下降速度，从 12,000 英尺到海平面将需要 24 分钟。(24/60)*5.8 = 2.32; 2.32*0.78 = 1.8 加仑，我们将向上取整为 2 加仑。

我们将假设我们进行直线进场着陆，并且着陆所需的燃油已经包含在此下降计算中。

总燃油需求

如果我们把所有的估算汇总，我们这次任务的总燃油需求为：

1. 滑行、预热和起飞：1 加仑

2. 爬升：6 加仑

3. 巡航：2.5 加仑

4. 下降和着陆：2 加仑

总计 = 需要 11.5 加仑燃油。

燃油储备和 BINGO 时间

在估算我们任务所需的燃油时，还有两个其他因素需要考虑。

第一是，我们希望在着陆时机上携带多大容量的燃油储备。在有人驾驶的通用航空中，建议在白天 VFR 飞行着陆时机上携带至少 30 分钟的燃油，或在夜间 VFR 飞行中携带 45 分钟的燃油。

对于无人任务，我们不需要像有人驾驶那样严格，因为机上没有人，尽管我们显然希望找回我们的无人机。因此，对于这次任务，假设我们希望在着陆时保留 15 分钟的燃油，这在巡航时相当于 6.4*(15/60)*0.78 = 1.25 加仑，我们将向上取整为 1.5 加仑。

为了确保我们的无人机有足够的燃油在保留安全余量的情况下着陆，我们将确保在这次任务开始时机上携带至少 13 加仑燃油（11.5 + 1.5）。

BINGO 时间允许我们确定何时需要掉头返回基地，以便以我们指定的燃油储备着陆。BINGO 时间确保无论我们在任务中的什么位置，只要我们立即掉头，我们就能带着至少 15 分钟的燃油返回基地。

要计算 BINGO 时间，我们首先确定我们基地/加油站与任务中最远点之间的距离。假设那是 10 英里。然后我们确定飞行这段距离需要多少时间。根据我们的巡航性能图表，我们可以估算我们正在以约 100 节，或 115 英里/小时的速度飞行。要飞行 10 英里，将需要略多于 5 分钟，或约 0.5 加仑燃油。

我们将此行程时间（5 分钟）添加到我们的储备（15 分钟），并注意到当机上燃油降至 20 分钟时，我们需要掉头返回基地。如果我们带着 13 加仑燃油起飞，并且假设平均消耗率为 5 gph，这将使我们机上拥有约 2.6 小时（2 小时 36 分钟）的燃油。因此，我们需要在 2 小时 16 分钟（2 小时 36 分钟 - 20 分钟）后掉头返回基地。

BINGO 时间倒计时从我们启动发动机的那一刻就开始。如果我们于 10:00 启动无人机发动机，我们的 BINGO 时间就是 10:00 + 2 小时 16 分钟，因此我们的无人机最迟将在 12:16 掉头返回基地。

高度和风况

风况也必须考虑在准确的燃油消耗分析中，尤其是如果任务是基于航线而非基于时间。迎风会减慢你的无人机速度并增加每英里的燃油消耗，而顺风则会产生相反的效果。

有许多应用程序你可以使用来确定目标高度的风速和风况，例如 Windy 应用程序或你当地的航空气象供应商（NAV CANADA、AWC 等）。

图 5：带有特定高度风速的 Windy 应用程序桌面界面

增加的燃油消耗是通过确定在这些条件下任务将延长多久来计算的，并引入了空速与对地速度的概念。

空速测量的是飞机相对于周围空气的速度，而对地速度是相对于下方地球表面的实际速度。在恒定油门下，空速不会因迎风或顺风而改变，而对地速度会。

例如，在无风条件下以 115 英里/小时的空速飞行 50 英里的航线将花费我们约 26 分钟。然而，如果我们加上 15 英里/小时的迎风，我们的对地速度会降低到 100 英里/小时，而同样的航线将花费我们约 30 分钟。

如果我们以 5 gph 的燃油消耗率在 10,000 英尺巡航，这在这一段任务中会产生约 0.3 加仑（2.2 加仑对 2.5 加仑）的差异。

在关键任务中，这些微小的差异可能会影响你的载荷、航程，以及你的无人机是否能安全返回。

如何测量无人机燃油消耗

上一部分使用的变量可以用来估算无人机的燃油需求。然而，建模只能让你接近真实的燃油消耗，尤其是在没有无人机特定性能数据的情况下。

例如，Hyokawa 等人探索了一种估算无人机燃油消耗的方法。虽然作者认为该方法是有效的，实际燃油消耗（0.05 g/s）恰好落在 0.04-0.1 g/s 的估算范围内，但该范围的上限比下限高出 150%，因此并不特别精确。

为了更准确地估算无人机的燃油需求，我们建议使用无人机发动机测试台，它配备了无人机燃油流量传感器和飞行回放功能，可帮助您在与实际飞行条件相似的环境中测量燃油消耗。更多详情见下文。

要使用该测试台测试无人机的动力系统，只需使用提供的发动机安装板安装发动机和螺旋桨，并将燃油箱连接到燃油流量传感器。

图 6：Flight Stand 60 发动机测试台

无人机燃油流量传感器

Flight Stand 60 发动机测试台配备的燃油流量传感器可测量 20 - 800 mL/min 之间的燃油流量，分辨率为 1 mL/min。

这是一种涡轮式燃油流量传感器，燃油流经时会带动内部叶轮旋转，转速与流量成正比。

飞行回放软件

Flight Stand 软件随 Flight Stand 60 发动机测试台免费提供。 

该软件对无人机发动机测试最实用的功能之一称为飞行回放功能，它允许您上传之前飞行的油门控制器数据，从而在发动机连接到测试台时回放油门模式。下面的视频演示了此功能的工作原理。

图 7：Flight Stand 软件中的飞行回放界面

这让您能够准确估算无人机在特定飞行中的燃油消耗，并且可以使用风墙来模拟更真实的动态环境。

燃油流量测量中的常见问题

燃油流向

测量无人机燃油流量时需要注意几个问题。首先要确保燃油流量传感器连接时燃油流向正确。传感器上设有箭头，指示燃油在燃油箱、传感器和发动机之间应流动的方向。

燃油管路中的气泡

第二个问题是燃油管路中存在气泡。为了尽量减少无人机燃油系统中的气泡，确保所有燃油管路、油箱接头和连接处都已妥善密封且无裂纹，因为即使是很小的泄漏也可能导致空气进入系统。定期检查并更换老化燃油管，确认油箱吸油管（clunk）在整个飞行过程中保持浸没状态，并将燃油管路远离发热部件，以减少燃油汽化和气泡形成。

燃油混合比

最后，如果您使用两冲程发动机，确保正确的油燃比至关重要。该比例在磨合阶段和正常运行期间可能有所不同，因此请查看发动机用户手册中的说明。正确控制这一比例将有助于避免润滑不足和积碳，确保更平稳的性能和连续的测试。

如何降低无人机燃油消耗

既然我们已经知道如何估算和测量无人机燃油流量，接下来看看如何对其进行优化。

以下是 7 种可以改善无人机燃油消耗的方法。

1. 转速和功率设置

降低燃油消耗最简单的方法之一是让发动机在最高效的转速下运行，而不是以最大功率运行。

在 Öztürk 和 Öncü 于 2025 年进行的一项研究中，研究人员评估了两冲程无人机发动机在 3,000 至 5,000 RPM 之间不同螺旋桨和转速组合下的表现。他们确定了约 4,000 RPM 的最佳运行点。在此设置下，代表性四小时任务中的燃油消耗从 2.51 L 降至 1.86 L，同时整体性能提高了 47%。

研究还发现，将转速提高到最佳范围以上会使推力收益递减，同时显著增加燃油消耗和发动机温度。对于长航时任务，选择仍能满足空速和载荷要求的最低功率设置，可以大幅提高燃油经济性。

2. 化油器调校

正确的化油器调校对燃油消耗有出人意料的巨大影响，尤其是在两冲程发动机上。

过浓的混合气会浪费燃油并可能导致积碳，而过稀的混合气可能会导致过热、爆震或发动机损坏。对高速和低速针阀进行微调，通常只需 ⅛ 到 ¼ 转，就可以显著改善发动机平顺性、油门响应和燃油效率。

调校化油器时，应在监测发动机温度、转速和燃油消耗的同时逐渐进行调整。配备燃油流量传感器的发动机测试台使这一过程变得更加容易，并允许对变化进行定量判断，而不是仅凭感觉判断。

3. 燃油混合优化

燃油空气混合比优化提供了另一个降低燃油消耗的机会。

Mahadevappa 等人研究了通过自动化发动机管理延长固定翼无人机航时的方法。他们的工作表明，将燃油混合控制与变距螺旋桨运行相结合，可使长航时无人机平台的航时增加多达 12 小时。

更先进的系统可以实现这一过程的自动化。Wang 等人开发了一种基于模糊 PID 控制器的闭环空燃比（AFR）控制的燃油供应策略。与传统的开环燃油校准方法相比，AFR 控制系统将功率效率提高了 9-33%，同时将航时增加了约 30 分钟。闭环方法还提高了发动机稳定性，并降低了油门变化期间的瞬态燃油消耗。

对于配备电子燃油喷射系统的无人机，AFR 监测和自动化混合控制可以显著提高燃油经济性，同时保持稳定的发动机性能。

4. 螺旋桨变距控制

螺旋桨在决定发动机功率转化为推力的效率方面起着重要作用。

定距螺旋桨仅针对狭窄的空速和运行条件进行了优化。相比之下，变距螺旋桨允许在整个飞行过程中调整叶片角度，有助于螺旋桨在爬升、巡航和下降过程中保持更高的气动效率。

Stevenson 等人比较了定距和变距推进系统，发现变距螺旋桨在巡航飞行中消耗的能量更少。在七次使用相同机身和相似飞行条件的飞行测试中，变距系统始终比定距配置所需的能量更少，根据测试条件的不同，归一化后的能量消耗降低了约 12-23%。通过根据转速和空速调整叶片距，推进系统在整个任务中能够更接近其最佳效率点。

虽然变距系统增加了复杂性、重量和成本，但它们可以为远程无人机运行提供显著的航时提升。

5. 高度和风力条件

环境条件会对燃油消耗产生显著影响。

逆风飞行会增加完成路线所需的时间，从而增加燃油消耗，即使油门设置保持不变。顺风则会产生相反的效果，并能大幅延长航程。

高度也会影响燃油消耗。较高的高度通常会降低空气密度，从而减少气动阻力并可能提高巡航效率。然而，空气密度的降低也会降低发动机功率输出和螺旋桨推力。最佳巡航高度取决于具体发动机、机身和任务剖面。

在任务开始前，请查看您计划运行高度的预报风力，因为选择风力更佳的高度可以带来显著的航时收益。

如果您想在户外之前验证无人机在不同风力条件下的性能，WindShaper 风墙是室内模拟这些条件的绝佳方式。

图 8：使用 WindShaper 测试无人机风速性能

6. 飞行路径优化

最短路线并不总是燃油效率最高的路线。

急转弯、频繁的高度变化和激进的机动都会增加燃油消耗。更平滑的飞行路径可以减少阻力，降低载荷系数，并让飞机保持在最高效的运行状态。

Roberge 等人使用粒子群优化（PSO）优化了沿监控轨迹的无人机功率设置，从而展示了这一概念。他们的算法将三维路径平滑与优化功率管理相结合，同时遵循飞机性能限制。由此产生的轨迹与传统飞行规划方法相比，燃油消耗降低了多达 25%。

对于自主无人机，路线优化软件可以在完全不进行任何硬件修改的情况下提供可观的航时收益。

7. 发动机与螺旋桨匹配

即使是高效发动机，如果与错误的螺旋桨搭配，也会浪费燃油。

发动机、螺旋桨和机身应被视为一个完整的推进系统。过小的螺旋桨可能会迫使发动机在不必要的高转速下运行，而过大的螺旋桨则可能使发动机过载并降低效率。

Öztürk 和 Öncü 的工作突出了正确匹配发动机和螺旋桨的重要性。他们的分析表明，螺旋桨的选择对发动机行为有重大影响，约占所观察到的发动机温度变化的 86%。优化的螺旋桨配置还使燃油消耗降低了约 7%。

在选择推进系统时，应综合评估燃油消耗、推力和运行温度。螺旋桨直径或距的微小变化通常可以带来可测量的航时提升，而无需对发动机本身进行任何修改。

结论

提高无人机燃油效率很少是靠单一的修改。相反，最大的收益通常来自将准确的燃油消耗测量与优化的发动机设置、螺旋桨选择、飞行规划和操作程序相结合。通过了解您的无人机如何消耗燃油，并通过实际测试验证性能，您可以增加航时，延长航程，提高任务可靠性，并更有效地利用机载的每一升燃油。