《The Aeronautical Journal》：A comprehensive review of hybrid-powered drones for long-distance water sampling and in-flight physicochemical analysis insights
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无人驾驶飞行器（UAV）因其操作灵活性、成本效益和高空间分辨率而越来越多地应用于环境监测。基于UAV的水采样已成为水生生态系统生物学和理化评估的重要方法。尽管以往的综述已分别考察了水采样机制或推进技术，但统一且综合的评估仍然缺乏。本文对用于水采样应用的远程UA
无人驾驶飞行器（UAV）因其操作灵活性、成本效益和高空间分辨率而越来越多地应用于环境监测。基于UAV的水采样已成为水生生态系统生物学和理化评估的重要方法。尽管以往的综述已分别考察了水采样机制或推进技术，但统一且综合的评估仍然缺乏。本文对用于水采样应用的远程UAV平台进行了系统综述，特别强调对水采样机制、飞行中理化传感技术和混合推进架构的综合评估。所综述的文献被划分为三个主要领域：基于UAV的水采样系统、飞行中理化分析技术以及混合UAV配置，包括燃料电池驱动的和其他混合推进系统。这些进展为可持续且高效的水采样应用飞行平台铺平了道路。最后，本文指出了关键的研究空白，并概述了基于UAV的水采样未来创新的潜在方向。
水资源质量监测对生态保护和公共健康至关重要。传统水采样方法依赖船只或人工涉水，成本高、效率低，且存在人身安全风险和生物安全威胁。无人机（UAV）凭借操作灵活、成本低、空间分辨率高等优势，已广泛应用于环境监测，但在水采样领域的应用仍面临挑战。以往的综述或聚焦于水采样机构，或只讨论推进技术，缺乏将水采样、飞行中理化分析和混合动力推进相结合的综合性评估。随着极端天气和自然灾害频发，亟需一种能够远程采样并实时分析水质的无人机平台。因此，本文开展系统综述，旨在整合水采样机制、飞行中理化传感技术和混合动力架构，为设计远程水采样无人机提供理论依据。
研究人员系统梳理了相关文献，将文献分为三大类：基于UAV的水采样系统、飞行中理化分析技术以及混合UAV配置。通过深入比较，他们确定质子交换膜燃料电池（PEMFC）最适合小型商用无人机，并推荐半主动燃料电池（FC）/电池混合架构作为最优方案。该架构将电池直接连接直流（DC）母线，FC通过DC-DC变换器接入，兼顾了能量密度和动态响应。研究还表明，混合动力技术已从多旋翼和固定翼无人机扩展至垂直起降（VTOL）平台。这项研究的重要意义在于为开发可持续、高效的水采样飞行平台提供了技术路线，并指出了未来研究方向。
在方法学上，这是一项系统综述。研究人员采用文献检索与分类方法，综合评估了多种水采样装置和传感器，对比分析了三种燃料电池类型（PEMFC、固体氧化物燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC））的工作原理与性能，并归纳了直接、半主动和全主动混合结构的拓扑特点。此外，研究人员回顾了约二十年来的燃料电池无人机发展历程，引用了来自美国海军研究实验室（NRL）、高校及企业等机构的多个平台实例。注：本综述不涉及实验样本队列。
研究结果呈现如下：
2.0 水采样无人机与飞行中初步理化分析过程
本节概述了无人机在水环境监测中的应用，指出尽管无人机平台和载荷取得突破，但水文化学数据采集仍受限于空中采样装置的可靠性。
2.1 传统水采样方法
传统方法包括潜水员、船只或绳索人工采样，存在健康安全风险，且劳动密集、成本高，受场地可达性和天气条件制约。
2.2 基于无人机的水采样方法
无人机可远程采集样本，显著减少人力需求，能够到达难以进入或危险区域，减少对水环境的干扰，长期运行成本更低。
2.3 水采样现场质量控制
现场质量控制至关重要，包括设备冲洗、样本防污染等措施。对于氢-电池混合无人机，还需考虑旋翼下洗流、排气残留和硬件交叉污染等特有途径。
2.4 现有水采样装置回顾
传统采样器如Van Dorn、Niskin、Ruttner和Kemmerer可在特定深度采集样本。现代集成系统如DOST-PCIEERD自动采样系统、SwellPro-UK采样套件和NeroSampler系列（Nero Poli和Nero Mia）实现了无人机载采样，提高了效率和安全性。
2.5 理化分析工具
多种传感器可集成到无人机上，包括溶解氧（DO）、电导率、pH、浊度、氨氮和总悬浮固体（TSS）传感器，实现实时水质评估，有助于污染源早期检测。
3.0 燃料电池无人机的混合拓扑
本节讨论无人机推进系统的性能制约。燃料电池与电池、超级电容器、太阳能电池等组合可弥补动态响应慢和功率密度低的问题。
3.1 无人机主要燃料电池类型
比较了PEMFC、SOFC和DMFC。PEMFC因工作温度低、功率密度高、系统成熟，被确定为小型商用无人机的最佳选择。
3.2 混合推进系统
电池可稳定功率输出，超级电容器可提供瞬时大功率，太阳能电池可延长续航。能量管理策略（EMS）旨在稳定功率、优化利用并延长系统寿命。多种混合方式已被实验验证，如FC/电池、FC/超级电容器/电池和FC/电池/太阳能电池系统。
3.3 混合结构类型
直接混合结构简单但无法主动调节；半主动和全主动结构使用DC-DC变换器。综合比较后，半主动FC/电池结构（电池直连DC母线，FC经单向DC-DC变换器）在效率、重量和动态性能间达到最佳平衡，被选为推荐方案。
4.0 具有混合推进系统的无人机
本节回顾了燃料电池无人机的发展历程。
4.1 概念燃料电池无人机
早期平台如Spider Lion、XFC和Ion Tiger验证了燃料电池飞行的可行性。Ion Tiger在2013
