แบตเตอรี่โดรนใช้งานได้นานเท่าใด

การคาดการณ์ว่าโดรนจะสามารถบินอยู่ในอากาศได้นานเท่าใด อาจดูเหมือนเป็นเรื่องง่ายเพียงแค่อ่านข้อมูลจำเพาะจากแผ่นข้อมูลของผู้ผลิต แต่ในทางปฏิบัติแล้ว นี่คือหนึ่งในคำนวณที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนที่สุดในสาขาระบบอากาศยานไร้คนขับ ระยะเวลาบินไม่ใช่คุณลักษณะคงที่ แต่เป็นผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยด้านไฟฟ้า กลศาสตร์ อากาศพลศาสตร์ และสิ่งแวดล้อม วิศวกร นักบิน และนักวิจัย ต่างก็อาศัยการประมาณค่าความทนทาน (endurance) ที่แม่นยำเพื่อวางแผนภารกิจ ออกแบบระบบขับเคลื่อน และประเมินเทคโนโลยีแบตเตอรี่ ดังนั้น การเข้าใจวิธีคำนวณระยะเวลาบินของโดรนจึงจำเป็นต้องมองโดรนในภาพรวมในฐานะ 'ระบบที่เปลี่ยนพลังงาน' มากกว่าการมองเป็นเพียงชุดของส่วนประกอบที่แยกจากกัน

แก่นแท้ของการคำนวณนี้อยู่ที่ความสัมพันธ์ระหว่าง พลังงานที่เก็บไว้ และ การใช้พลังงาน แบตเตอรี่ของโดรนทำหน้าที่เป็นแหล่งเก็บพลังงานเคมี ซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า และจากนั้นจึงแปลงเป็นแรงขับเชิงกล ระยะเวลาการบินขึ้นอยู่กับอัตราการสูญเสียพลังงานจากแหล่งเก็บนี้ แม้ว่าหลักการพื้นฐานจะคล้ายคลึงกับแบบจำลองการใช้เชื้อเพลิงของอากาศยานแบบดั้งเดิม แต่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าก็สร้างลักษณะเฉพาะที่ไม่เหมือนใคร เช่น การลดลงของแรงดันไฟฟ้า (voltage sag) เส้นโค้งการปล่อยประจุที่ไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear discharge curves) และประสิทธิภาพที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปัจจัยเหล่านี้ทำให้การประเมินระยะเวลาร่อนบิน (endurance estimation) ทั้งน่าสนใจในเชิงเทคนิคและมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปฏิบัติงาน

ก่อนอื่น จำเป็นต้องวัดปริมาณพลังงานที่มีอยู่ในแบตเตอรี่ของโดรนให้ชัดเจน โดรนสำหรับผู้บริโภคและมืออาชีพส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่แบบลิเธียม-โพลิเมอร์ (LiPo) หรือลิเธียม-ไอออน (Li-ion) ซึ่งความจุของแบตเตอรี่เหล่านี้มักแสดงเป็นหน่วยมิลลิแอมแปร์-ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ความจุเพียงอย่างเดียวไม่สามารถระบุพลังงานได้โดยสมบูรณ์ เนื่องจากต้องพิจารณาแรงดันไฟฟ้าด้วย พลังงานรวมของแบตเตอรี่คือผลคูณระหว่างความจุกับแรงดันไฟฟ้าที่ระบุไว้ (nominal voltage) ซึ่งแสดงเป็นหน่วยวัตต์-ชั่วโมง การแปลงหน่วยนี้มีความสำคัญยิ่ง เพราะการบริโภคพลังงานวัดเป็นหน่วยวัตต์ และระยะเวลาการใช้งานจริง (endurance) คืออัตราส่วนระหว่างวัตต์-ชั่วโมงต่อวัตต์ แต่แม้การแปลงหน่วยนี้ก็ยังไม่สามารถสะท้อนพฤติกรรมในการใช้งานจริงได้อย่างครบถ้วน เนื่องจากแบตเตอรี่มักไม่สามารถจ่ายพลังงานได้เต็มตามค่าที่ระบุไว้ เนื่องจากความต้านทานภายใน การเสื่อมสภาพตามอายุการใช้งาน และข้อจำกัดด้านความปลอดภัยเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด ดังนั้น วิศวกรจึงมักใช้แนวคิดเรื่อง “พลังงานที่ใช้งานได้จริง” (usable energy) ซึ่งเป็นค่าที่ลดลงจากค่ามาตรฐาน เพื่อสะท้อนข้อจำกัดเชิงปฏิบัติจริง มากกว่าข้อมูลเฉพาะทางที่ได้จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ

เมื่อเข้าใจปริมาณพลังงานที่มีอยู่แล้ว ความสนใจจะเปลี่ยนไปยังการใช้พลังงานของโดรน สำหรับแพลตฟอร์มแบบมัลติโรเตอร์ การขับเคลื่อนถือเป็นส่วนใหญ่โดยสิ้นเชิงของการใช้พลังงานทั้งหมด มอเตอร์แต่ละตัวต้องสร้างแรงยกเพียงพอเพื่อต้านน้ำหนักของโดรน และพลังงานที่จำเป็นในการผลิตแรงยกนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อน้ำหนักบรรทุกเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างแรงยกกับพลังงานนั้นขึ้นอยู่กับอากาศพลศาสตร์ของใบพัดและประสิทธิภาพของมอเตอร์ ซึ่งทั้งสองปัจจัยนี้แปรผันตามความเร็วในการหมุน โดรนที่บินค้างตัว (hover) ที่ระดับคันเร่งที่สะดวกสบายจะใช้พลังงานน้อยกว่าโดรนที่ทำงานใกล้ขีดจำกัดสูงสุดของแรงยกอย่างมาก นี่คือเหตุผลที่การเพิ่มน้ำหนักบรรทุก แม้เพียงเล็กน้อย ก็สามารถลดเวลาบินได้อย่างชัดเจน: เพราะสิ่งนั้นทำให้ระบบขับเคลื่อนทำงานในช่วงที่มีประสิทธิภาพต่ำลง

กำลังขณะลอยตัว (Hover power) มักถูกใช้เป็นค่าพื้นฐานสำหรับการประมาณระยะเวลาการบินต่อการชาร์จ (endurance estimation) เนื่องจากมันแสดงสภาวะคงที่ (steady-state condition) การวัดกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าขณะลอยตัวให้การประมาณการโดยตรงเกี่ยวกับการใช้พลังงาน อย่างไรก็ตาม ภารกิจจริงแทบไม่เคยประกอบด้วยการลอยตัวเพียงอย่างเดียวเท่านั้น การบินไปข้างหน้า การไต่ระดับ การเบรก และการเปลี่ยนทิศทาง ล้วนสร้างภาระแบบไดนามิก (dynamic loads) ต่อมอเตอร์ ลมยังเพิ่มความแปรปรวนให้กับระบบอีกด้วย บางครั้งทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก ด้วยเหตุนี้ การคำนวณระยะเวลาการบินต่อการชาร์จที่อาศัยข้อมูลจากการลอยตัวเพียงอย่างเดียวจึงมักให้ผลที่ค่อนข้างมองโลกในแง่ดีเกินจริง การคาดการณ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นจำเป็นต้องเข้าใจว่าพลังงานเปลี่ยนแปลงอย่างไรตลอดเส้นทางการบิน (mission profile)

การสร้างแบบจำลองตามภารกิจ (Mission-based modeling) แบ่งการบินออกเป็นช่วงย่อยๆ ได้แก่ ระยะขึ้นบิน ระยะไต่ขึ้น ระยะบินทรงตัว ระยะลดระดับ และระยะลงจอด โดยกำหนดค่ากำลังไฟฟ้าให้กับแต่ละช่วง ระยะขึ้นบินและระยะไต่ขึ้นมักต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด ในขณะที่ระยะลดระดับอาจต้องการกำลังไฟฟ้าน้อยมาก กำลังไฟฟ้าในระยะบินทรงตัวขึ้นอยู่กับความเร็วของอากาศ แรงต้านทางอากาศพลศาสตร์ และแรงยกเชิงการเคลื่อนที่ (translational lift) โดรนแบบมัลติโรเตอร์จะมีการลดลงของกำลังไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยในระหว่างการบินไปข้างหน้า เนื่องจากกระแสลมที่ผ่านใบพัดมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ประโยชน์นี้มักถูกชดเชยโดยแรงต้านที่เพิ่มขึ้นจากโครงสร้างตัวเครื่องและภาระบรรทุก ด้วยการให้น้ำหนักกับแต่ละช่วงตามระยะเวลาที่ใช้ วิศวกรสามารถคำนวณค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่สะท้อนความเป็นจริงในการปฏิบัติงานได้ดียิ่งขึ้น

สภาพแวดล้อมยังทำให้การประมาณค่าความทนทานซับซ้อนยิ่งขึ้นอีก ความหนาแน่นของอากาศลดลงตามระดับความสูงและอุณหภูมิ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของใบพัดลดลง และบังคับให้มอเตอร์หมุนเร็วขึ้นเพื่อรักษาแรงขับไว้ อุณหภูมิต่ำจะลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีช้าลง ขณะที่อุณหภูมิสูงจะเพิ่มความเครียดจากความร้อนต่อมอเตอร์และตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) ลมมีอิทธิพลอย่างมาก: การบินสวนลมแรงอาจทำให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ในขณะที่การบินตามลมอาจช่วยลดการใช้พลังงานได้ เนื่องจากปัจจัยด้านสภาพแวดล้อมมีความแปรผันอยู่เสมอ จึงมักมีการรวมระยะปลอดภัย (safety margin) ไว้ในการคำนวณความทนทาน เพื่อให้มั่นใจว่าโดรนจะสามารถบินกลับมาถึงฐานได้แม้ในสภาวะที่แย่ลง

อีกปัจจัยสำคัญหนึ่งคือสุขภาพของแบตเตอรี่เอง ตลอดระยะเวลาการใช้งาน วงจรการชาร์จ-ปล่อยประจุซ้ำๆ จะทำให้สารเคมีภายในแบตเตอรี่เสื่อมสภาพ ส่งผลให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นและกำลังจุลดลง การเสื่อมสภาพนี้แสดงออกมาในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าตกต่ำขณะอยู่ภายใต้ภาระงาน (voltage sag under load) ซึ่งอาจทำให้ระบบแจ้งเตือนแรงดันต่ำทำงานก่อนเวลาอันควร และลดระยะเวลาบินลง ด้วยการตรวจสอบสุขภาพแบตเตอรี่ผ่านการวัดค่าความต้านทานภายในและการนับจำนวนรอบการชาร์จ-ปล่อยประจุ ผู้ปฏิบัติงานสามารถคาดการณ์การลดลงของประสิทธิภาพล่วงหน้า และเปลี่ยนแบตเตอรี่ก่อนที่จะเริ่มไม่น่าเชื่อถือ สำหรับการบริหารจัดการฝูงอากาศยานในระยะยาว การติดตามการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่มีความสำคัญไม่แพ้การคำนวณระยะเวลาบิน

ลักษณะของภาระบรรทุกก็มีอิทธิพลต่อความทนทานในการบินเช่นกัน ซึ่งส่งผลเกินกว่าเพียงแค่น้ำหนักเท่านั้น ภาระบรรทุกแบบมืออาชีพหลายประเภท—เช่น เครื่องสแกน LiDAR กล้องมัลติสเปกตรัม และโมดูลการสื่อสาร—ดึงพลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ของโดรน ดังนั้น การใช้พลังงานเพิ่มเติมเหล่านี้จึงจำเป็นต้องรวมเข้ากับพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนเมื่อประเมินการใช้พลังงานทั้งหมด ภาระบรรทุกที่ดึงกำลังไฟ 20 วัตต์อาจดูไม่มีน้ำหนักมากนัก แต่ในภารกิจที่ดำเนินเป็นเวลา 30 นาที จะใช้พลังงานไป 10 วัตต์-ชั่วโมง ซึ่งอาจทำให้เวลาบินลดลงได้หลายนาที วิศวกรจึงจำเป็นต้องพิจารณาทั้งผลกระทบเชิงกลและผลกระทบเชิงไฟฟ้าของภาระบรรทุกอย่างรอบด้านเมื่อคำนวณความทนทานในการบิน

การเลือกใบพัดมีบทบาทสำคัญอย่างน่าประหลาดใจต่อการเพิ่มประสิทธิภาพระยะเวลาบิน ใบพัดขนาดใหญ่ที่มีมุมเกลียวต่ำมักมีประสิทธิภาพสูงกว่าในการสร้างแรงผลักดันที่ความเร็วการหมุนต่ำ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโดรนที่เน้นระยะเวลากลางอากาศนาน ส่วนใบพัดขนาดเล็กที่มีมุมเกลียวสูงจะสร้างแรงผลักดันได้มากขึ้นที่ความเร็วสูง แต่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าในโหมดลอยตัวนิ่ง การจับคู่ลักษณะของใบพัดให้สอดคล้องกับความต้องการของภารกิจสามารถช่วยยืดระยะเวลาบินได้อย่างมีนัยสำคัญ ในทำนองเดียวกัน ค่า KV ของมอเตอร์ (จำนวนรอบต่อนาทีต่อหนึ่งโวลต์) ก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพเช่นกัน โดยมอเตอร์แบบค่า KV ต่ำที่ใช้งานร่วมกับใบพัดขนาดใหญ่มักให้สมรรถนะการบินระยะยาวที่เหนือกว่า เนื่องจากทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความเร็วรอบต่ำ

เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการทำนายความสามารถในการใช้งานต่อเนื่อง วิศวกรมักพึ่งพาการทดสอบเชิงประจักษ์เป็นหลัก แท่นวัดแรงขับ (Thrust stands) ให้ค่าการวัดโดยละเอียดเกี่ยวกับแรงขับ กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า และประสิทธิภาพ สำหรับชุดมอเตอร์-ใบพัดเฉพาะแต่ละชุด ข้อมูลเหล่านี้ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างเส้นโค้งสมรรถนะที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างการใช้พลังงานกับแรงขับที่ได้ โดยเมื่อรู้น้ำหนักของโดรนแล้ว ก็สามารถคำนวณแรงขับที่จำเป็นต่อมอเตอร์แต่ละตัวได้ และอ่านค่าพลังงานที่สอดคล้องกันจากเส้นโค้งดังกล่าว วิธีการนี้มีความแม่นยำมากกว่าการอ้างอิงข้อมูลจำเพาะจากผู้ผลิตหรือการวัดค่าขณะลอยตัวนิ่ง (hover measurements) อย่างง่ายๆ อย่างมาก

โดรนสมัยใหม่ยังสร้างบันทึกข้อมูลการส่งสัญญาณแบบเรียลไทม์ (telemetry logs) อย่างละเอียด ซึ่งบันทึกค่ากระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า ตำแหน่งคันเร่ง และความเร็วรอบของมอเตอร์ตลอดระยะเวลาการบิน การวิเคราะห์บันทึกเหล่านี้ช่วยให้เข้าใจรูปแบบการใช้พลังงานภายใต้สภาวะจริงได้ดียิ่งขึ้น ตามระยะเวลาที่ผ่านไป ผู้ปฏิบัติงานสามารถพัฒนาแบบจำลองเชิงทำนายที่ปรับแต่งเฉพาะสำหรับโดรน ภาระบรรทุก (payload) และประเภทภารกิจของตนเองได้ บางระบบที่มีความก้าวหน้าแม้แต่ใช้การเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) เพื่อทำนายระยะเวลาการบินโดยอิงจากข้อมูลประวัติศาสตร์ ปัจจัยสภาพแวดล้อม และพารามิเตอร์ของภารกิจ

แม้ปัจจัยเหล่านี้จะมีความซับซ้อน แต่การคำนวณพื้นฐานยังคงเรียบง่ายอย่างสง่างาม: เวลาบินเท่ากับพลังงานที่ใช้งานได้หารด้วยอัตราการใช้พลังงานเฉลี่ย ความท้าทายอยู่ที่การระบุค่าทั้งสองนี้อย่างแม่นยำ พลังงานที่ใช้งานได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของแบตเตอรี่ อุณหภูมิ การเสื่อมสภาพตามอายุการใช้งาน และขีดจำกัดการปล่อยประจุ ส่วนอัตราการใช้พลังงานเฉลี่ยขึ้นอยู่กับน้ำหนัก ลักษณะอากาศพลศาสตร์ ประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน ลักษณะภารกิจ และสภาวะแวดล้อม โดยการวิเคราะห์ปัจจัยแต่ละข้ออย่างเป็นระบบ วิศวกรสามารถสร้างการประมาณค่าความทนทาน (endurance) ที่มีความน่าเชื่อถือสูงได้

ในการดำเนินงานเชิงมืออาชีพ การประมาณค่าความทนทาน (endurance) ไม่ใช่เพียงแค่การวิเคราะห์เชิงเทคนิคเท่านั้น แต่ยังเป็นข้อกำหนดด้านความปลอดภัยอีกด้วย กฎระเบียบและกรอบข้อบังคับต่าง ๆ มักกำหนดให้โดรนต้องคงพลังงานสำรองไว้เพื่อรับมือกับเหตุการณ์ที่ไม่คาดคิด เช่น การเปลี่ยนแปลงของกระแสลม หรือการลงจอดฉุกเฉิน การทำนายระยะเวลาการบินอย่างแม่นยำจึงช่วยให้สอดคล้องกับข้อบังคับเหล่านี้ และลดความเสี่ยงจากการสูญเสียพลังงานกลางอากาศ สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ เช่น การทำแผนที่ การตรวจสอบ และการจัดส่ง ความทนทานส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการทำงานและต้นทุนการดำเนินงาน โดยโดรนที่สามารถบินได้นานขึ้นเพียงไม่กี่นาทีก็อาจครอบคลุมพื้นที่ได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ หรือเสร็จสิ้นงานเพิ่มเติมได้ในแต่ละภารกิจ

มองไปข้างหน้า ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่มีแนวโน้มจะเปลี่ยนแปลงวิธีการคำนวณระยะเวลาบินต่อเนื่อง (endurance) แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตต และแบตเตอรี่ที่ใช้แอนโอดที่มีซิลิคอนสูง มีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ LiPo และ Li-ion ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดให้ทางเลือกอื่นในการยืดระยะเวลาบินต่อเนื่อง โดยเฉพาะสำหรับโดรนขนาดใหญ่ เมื่อเทคโนโลยีเหล่านี้พัฒนาจนพร้อมใช้งานจริง วิธีการคำนวณระยะเวลาบินต่อเนื่องก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย แต่หลักการพื้นฐานเกี่ยวกับพลังงานและกำลังจะยังคงเป็นหัวใจสำคัญต่อไป

โดยสรุป การคำนวณระยะเวลาบินของโดรนต้องอาศัยความเข้าใจอย่างรอบด้านเกี่ยวกับวิธีการที่พลังงานถูกจัดเก็บ แปลง และใช้ไป แม้สูตรพื้นฐานจะค่อนข้างตรงไปตรงมา แต่ความแม่นยำในโลกแห่งความเป็นจริงจำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับพฤติกรรมของแบตเตอรี่ ประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน ลักษณะภารกิจ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม และคุณลักษณะของภาระบรรทุก โดยการผสานแบบจำลองเชิงทฤษฎีเข้ากับการทดสอบเชิงประจักษ์และการวิเคราะห์ข้อมูล วิศวกรสามารถทำนายระยะเวลาบินได้อย่างมั่นใจ และปรับแต่งโดรนให้มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับภารกิจที่หลากหลายซึ่งโดรนเหล่านั้นได้รับการออกแบบมาเพื่อปฏิบัติ การทนทาน (Endurance) ไม่ใช่เพียงแค่ข้อกำหนดทางเทคนิคหนึ่งข้อ แต่ยังเป็นตัวสะท้อนคุณภาพโดยรวมของการออกแบบโดรนและความพร้อมในการปฏิบัติงานอีกด้วย