问题

大疆无人机极限高度大概是几千米,哪些因素限制了它继续上升?

回答
大疆无人机并非所有型号都设定了统一的“极限高度”,这取决于无人机的型号、设计用途、动力系统、电池容量、飞行控制系统以及当地的法规限制。但是,我们可以从以下几个方面来详细探讨大疆无人机常见的飞行高度上限及其限制因素:

一、 大疆无人机的常见飞行高度

一般来说,消费级大疆无人机(如 Mavic 系列、Air 系列)的官方最大飞行高度限制通常在 500 米 左右。这个高度是基于美国联邦航空管理局(FAA)等航空管理机构的普遍规定,也是为了确保无人机在城市区域或人口密集地区飞行时的安全。

而对于一些专业级或针对特定用途设计的无人机(如部分行业版 Inspire、Matrice 系列),它们的实际物理飞行能力可以达到数千米,例如一些可以达到 1000 米、2000 米甚至更高。但这并不意味着它们在任何情况下都可以飞到这么高。

需要明确的是:

官方限制高度(Regulatory Altitude Limit): 这是由大疆在固件中设定的安全上限,通常是基于各国航空法规。例如,在中国大陆,民用航空局(CAAC)规定无人机飞行高度不得超过 120 米,除非获得特殊批准。大疆的固件会根据你所在区域的 GPS 信息自动调整这个限制。
物理飞行能力(Physical Capability): 这是无人机硬件本身能够达到的最高高度,理论上可能远高于官方限制。然而,由于环境因素和功率限制,实际能达到的高度会受到影响。

二、 限制大疆无人机继续上升的因素(非常详细)

一旦无人机试图突破官方限制高度,或者在实际飞行中想要持续攀升,会遇到多方面的限制因素。这些因素相互作用,共同决定了无人机的最终飞行高度:

1. 空气密度和升力下降(Air Density and Lift Reduction):

原理: 随着海拔的升高,空气变得越来越稀薄,即空气密度降低。无人机的升力主要来自于机翼(螺旋桨)在空气中切割时产生的压力差。稀薄的空气意味着更少的空气分子被螺旋桨推动,产生的推力(升力)也会随之减小。
影响: 即使电机转速保持不变,稀薄空气下的螺旋桨产生的升力也会显著下降。为了维持相同的升力,电机需要以更高的转速(即更大的功率输出)来补偿,但这会迅速消耗电池。
比喻: 就像在水中游泳和在空气中“游泳”一样。空气越稀薄,你“划水”产生的推力就越小。

2. 电机功率和效率下降(Motor Power and Efficiency Degradation):

原理: 电机在稀薄空气中的冷却效果会变差。虽然电机本身是电能转化为机械能,但散热是保持其高效运行的关键。空气稀薄,散热效率降低,容易导致电机过热。
影响: 过热的电机性能会下降,输出功率可能不稳定,甚至可能触发过热保护导致无人机降落或失控。虽然许多无人机电机设计有一定散热能力,但达到高空时,散热问题会更加突出。
考虑因素: 无人机的电机是空气动力学设计的一部分,其效率也与空气密度相关。

3. 电池性能衰减(Battery Performance Degradation):

原理: 锂离子电池(大疆无人机常用)的性能在低温环境下会受到影响。高海拔地区通常气温较低,这会导致电池的内阻增加,输出电压下降。
影响: 即使电池容量没有减少,由于内阻增大,实际可用的能量会减少,无人机能够维持飞行的时间也会缩短。同时,电机在高功率需求下(如爬升时)从性能衰减的电池中获取的能量也会减少,导致无人机动力不足。
温度效应: 许多电池的性能会随着温度的降低而下降,这是普遍的物理现象。

4. 飞行控制系统和传感器限制(Flight Control System and Sensor Limitations):

气压计的精度(Barometer Accuracy): 大疆无人机通常使用气压计来感知高度。气压计的工作原理是测量大气压力,并根据大气压力随高度的变化来估算高度。
原理: 高度越高,气压越低。
限制: 在高海拔地区,由于空气密度变化更快且更不稳定,或者存在不规则的气流,气压计的读数可能会受到影响,导致高度估算不够精确。
天气影响: 天气变化(如气温、湿度、风的变化)也会影响气压,从而影响气压计的读数。
GPS 的精度(GPS Accuracy): 虽然 GPS 主要用于定位,但高度信息的精度通常不如水平位置精度。在高海拔地区,信号可能受到地形、建筑物或其他因素的干扰,影响定位和高度信息的准确性。
其他传感器: 如果无人机依赖视觉传感器(如避障系统)来感知环境,在高海拔地区,空气能见度可能较低(如雾、霾),或者地面特征模糊,也会影响其功能。

5. 气象和环境因素(Meteorological and Environmental Factors):

风力(Wind): 随着高度的增加,风力通常会增强。强风会给无人机带来巨大的侧向力,迫使无人机消耗更多能量来抵抗风力,导致续航里程和爬升能力大幅下降。
温度(Temperature): 如前所述,低温会影响电池性能。同时,极端低温也可能影响电子元件的正常工作。
气流(Air Currents): 高空中可能存在上升气流或下降气流,这些都会影响无人机的稳定性和能量消耗。

6. 结构和材料限制(Structural and Material Limitations):

轻量化设计: 大多数无人机为了提高续航和机动性,都采用了轻量化设计。在高空稀薄的空气中,结构可能需要更强的支撑来抵消风力,但过多的加强会增加重量,形成一个两难的局面。
材料的适应性: 虽然常见的无人机材料(如碳纤维、塑料)在一定程度上可以适应不同环境,但在极端高空低温环境下,材料的性能也可能有所变化。

7. 动力系统设计(Propulsion System Design):

螺旋桨效率(Propeller Efficiency): 螺旋桨的设计是对特定空气密度范围优化的。在高海拔地区,其效率会显著下降。虽然一些专业无人机会采用更大直径或更特殊形状的螺旋桨来提高在高海拔下的性能,但这也会增加体积和重量。
电机/电调(ESC)的散热能力: 如前所述,稀薄空气下的散热问题。

8. 法规限制(Regulatory Restrictions):

空域管理: 这是最直接和最常见的限制。几乎所有国家都有关于无人机飞行高度的法律法规。例如,在中国,大多数无人机被限制在 120 米以下飞行。即使无人机本身能够飞到更高,也必须遵守这些规定。
飞行员责任: 飞行员有责任了解并遵守当地的飞行规定。超高飞行可能会导致严重的法律后果。
国家空管: 高空属于飞机和更高级别航空器的活动范围,未经批准的无人机进入这些空域是非常危险和非法的。

总结:

大疆无人机的极限高度是一个复杂的问题,涉及物理极限和人为设定(法规与固件)两个层面。

法规是强制性的第一层限制。 大多数消费者无人机被限制在 500 米,专业级可能更高,但总是受限于当地空域管理。
物理极限主要由空气密度下降、电机功率与效率、电池性能、气压计精度等一系列因素共同决定。 随着高度的增加,这些因素会相互作用,导致无人机的升力、续航和稳定性急剧下降,最终使其无法继续上升。

当大疆无人机被设定或尝试突破其官方限制高度时,它会启动一系列安全机制,如自动降落、限制飞行距离或直接禁止起飞,以确保飞行安全和合规性。即使是技术上能够飞到几千米的专业级无人机,在实际应用中也必须考虑上述所有限制因素,并通常在经过特殊培训和获得授权的情况下使用。

网友意见

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Mavic 御 2 pro,选择它主要是因为它可以折叠,轻,背着爬雪山不费劲。

海拔4500米,低空起飞悬停正常。


海拔4700米,起飞、悬停正常。


海拔5200米,起飞悬停正常。


雪线以上了,海拔5800米,一切正常。


让人十分意外的是,雪线以上之后,无人机的抗风能力明显增强了许多,高山阵风几乎不造成什么影响,机体的晃动反而比低海拔要小很多。在雪山上,风几乎没有持续吹的,都是一阵一阵,阵风强度有时候我感觉8级风没问题,然而这家伙比低海拔表现要好。我猜测可能是高海拔空气稀薄,横风影响会变小,不晓得大疆的工程师去高海拔测试过没有。


你龙哥依旧精神。


唯一的缺陷是高海拔以后,白平衡不好使了,怎么调都调不好。高山雪原反光特别强烈,走在雪原上如果太阳光强烈的话,你会感觉下巴磕晒得疼。我用的普通镜头,不晓得哈苏的头子会不会好点。





下面是讲原理的时间:


我们知道,普通直升机,就是那种好几百万上千万一台的直升机,高原性能是很差的。一般直升机的升限也就几千米的样子,极限升限也很难超过8000米,实际实用的升限也就5000米到6000米之间。


苏联/俄罗斯的卡-52武装直升机的实用升限也就5500米的样子,美国的“阿帕奇”武装直升机也才6200米。

这俩家伙都是能上亿美元的高科技产品,凭什么实用升限还不如区区几千块钱的大疆呢?


同样都是旋翼机,都是靠旋翼产生的升力悬停在空中,总不可能价格差距上万倍的东西,反而是便宜的性能更好吧?原因就在于普通直升机是需要吸气、燃烧才能提供动力,而大疆是靠的电池里的电。


在高海拔,空气变得非常稀薄,普通直升机一般是依靠涡轴发动机提供的动力,需要从周围吸取空气,压缩后燃烧,再推动转子上的高压涡轮旋转产生动力。可想而知,空气稀薄以后,吸入的空气质量下降,发动机的功率也是急剧下降的,就不能产生足够的动力继续上升了。

同时,旋翼的设计也是更适合低空使用的,极限高空中旋翼的效率也会下降。


而大疆的无人机不存在这个问题,它不需要从空气里吸气,空气稀薄造成的唯一影响就是需要旋翼转快一些。电池的电力不受海拔影响,电动机的功率又是可以调节的,所以这个几千块的东西居然能够比上亿的直升机实用升限更高。


我认为大疆无人机的极限升限大概是在平流层里面,上万米是没问题的,不考虑电池受低温影响的话。在换用高空设计的旋翼、软件里放开转速限制、换装更大功率电机的情况下,突破平流层估计也不是什么问题。


需要注意的就是电池温度,低温会让电池没电。我每次爬雪山带无人机的话,都是把电池抠下来揣怀里,用体温保持温度,续航时间没有明显下降。




所以,限制大疆无人机极限飞行高度的唯一原因,是中国人民解放军空军

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和很多人想象中不同的是,我们的民用级的无人机,飞行高度极限都会比普通直升机高。

原因就是 @龙牙 大哥说的,直升机烧油,高空空气稀薄会严重影响发动机效率,而民用无人机用电,受到影响更小。

随着大疆这两年新机的不断推出,其实哪怕是入门级的无人机都是可以飞到很高的。

下面是欧洲的一位朋友用mini2飞到1650米,从视频可以看到,不用任何技巧,简直是毫无压力。

DJI mini 2 1650 m https://www.zhihu.com/video/1486406264414121984

不过从视频同时也可以看到,其实飞的太高对于拍摄景色来说,帮助不大,一千多米的高空,如果云层低,已经感觉像在民航飞机飞的很高的感觉了,下面都被云层挡住了。

如果我们要拍地面的景色,的确大部分都集中在0-500米,就算突破500米,其实1000米以内也是足以满足绝大部分正常需求了。

虽然无人机技术上飞到几千米都不是问题,不过高空还是存在风大,撞机等不可控因素的,所以其实一般也没必要去冒这个风险。

下面这个视频竟然把mavic pro飞到了9044m,当然它在下降的时候是断电来省电,不然续航是不够的。但是如果是续航更强的Mavic 3,我相信极限高度一定还可以比这个更高。

Mavic pro high altitude 9044m https://www.zhihu.com/video/1486407821420273664

真的是比较夸张,因为这个高度已经接近温带地区的平流层的底部高度了。

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