太阳能无人机关键技术研究

太阳能无人机关键技术研究

太阳能无人机飞行太阳能无人机利用光谱能在高、高、奇用途长的时间内连续飞行超过一周。该利用光电池将太阳能转化为能耗，并通过电机动力旋转发动机。白天,太阳能无人机依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能,维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行,同时对机载二次电源充电;夜间,太阳能无人机释放二次电源中储存的电能,维持整个系统的正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要,则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。太阳能无人机巡航时间长,飞行高度高,覆盖区域广,可以执行多种任务,具有常规飞行器不可替代的优点。太阳能在航空器上的应用研究,是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域,也是各国航空工业研究的一个新热点。1太阳能无人机在世界上最早出现1974年11月4日,世界上第一架太阳能无人机SunriseI在4096块太阳电池的驱动下,缓缓地离开了地面,这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临。此后随着太阳电池效率、二次电源能量密度的提高,以及微电子技术、新材料技术等的发展,太阳能无人机终于驶上了飞速发展的快车道。由于太阳能飞机具有广阔的应用前景,许多国家和组织都竞相展开对太阳能飞机的研究,各种型号层出不穷,表1列出了目前世界上知名的几种太阳能无人机。其中,飞行高度记录由美国“太阳神”系列无人机保持,目前飞行高度已突破30km,也是世界上飞得最高的螺旋桨驱动无人机。美国AC公司开发的SoLong太阳能无人机于2005年夏天连续飞行48h,是当时世界上飞行时间最长且唯一能昼夜飞行的太阳能无人机。2007年,英国防务公司Qinetiq研制的太阳能动力轻型飞机“西风Zephyr”号,在一次试飞中飞行了54h,打破了无人驾驶机飞行时间的世界纪录。图1所示为HELIOS太阳能无人机。2关键技术2.1太阳能电池技术太阳电池的发展水平是决定太阳能无人机性能的根本。目前在太阳电池的研究方面进步较快,各种材质的高效电池不断涌现,但航空领域对太阳电池的要求并不仅仅是较高的转化效率,它还要求电池具有良好的物理特性,如耐高/低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。我国目前尚没有专门为航空领域研制的太阳电池,因此就必须结合航空领域对太阳电池的具体要求,从现有电池中寻找理想产品并把它成功应用于太阳能无人机。对比当前各种电池,高端单晶硅产品凭借其高效、无毒无污染、技术成熟等特性成为当前太阳能航空器中应用最为广泛的电池品种。而各种轻质、低成本柔性薄膜电池和多元化合物电池将随着其效率的提高逐步取代硅基刚性电池,成为今后太阳能无人机的动力电源。太阳能电池在机体平台上的应用是非常困难的工作。太阳能电池既是产生电能的功能元件,又作为蒙皮的一部分承载气动载荷。其自身厚度小、刚度差、易碎易裂,对于弦长较小的机翼曲面环境很难适应,当飞行中机翼弯曲变形较大时,电池片将严重受损。这就要求机体平台既要解决对太阳电池的封装问题,又要为电池提供良好的铺设平台。此外,大型太阳能无人机上电池铺设面积大,焊点多,线路复杂,客观上降低了组件的可靠性,对工艺要求较高。总体来说,对太阳电池的各种处理和铺设是太阳能无人机设计制作过程中一个重要的环节,该部分消耗的时间和经费在整个研制时间和研制费用中都占有较大的比例。美国AC公司在研制Solong无人机的4年中,花费近一年时间用于把太阳电池与机体平台相结合(如图2所示)的工作上,其总研制费用的一半用于太阳能电池相关部分。探路者无人机研制经费的3/4用于太阳电池相关部分。据国外某航模网站介绍,在把A-300电池铺设于无人机翼面上的过程中,电池的损失率高达50%。2.2储能系统与能量管理系统储能系统是太阳能无人机中重要的组成部分,目前国外太阳能无人机概念设计阶段都提出储能器应选择高能量密度、高效率的燃料电池,个别小型太阳能无人机则选用了性能较好的锂聚合物电池。燃料电池尽管应用于大型飞行器已获得成功,但对于轻、微型飞行器,其现有的体积和重量是无法获得应用的。目前国外轻、微型太阳能无人机都采用高比能量的锂电池。锂电池技术成熟,应用简单方便、安全性和可靠性都较好。储能系统尽管都选用了目前较为先进的电池,但其总体的能量密度还是较低。目前在几种典型的太阳能无人机中,储能部分重量已经占据了1/3~1/2的起飞重量。例如美国Solong无人机起飞重量为12.6kg,其中锂电池重5.6kg,占到了全机重量的44%。2003年飞行的太阳神无人机加装燃料电池后全机增重362.88kg,占无人机起飞重量的34.8%。储能系统较大的重量百分比使得其对无人机最终的气动布局和几何尺寸都产生了较大影响,也是设计人员在设计初始阶段重点研究的参量之一。能量管理系统的主要作用就是实时地监测各单元的能源需求量并合理高效地进行能量调配,使得太阳电池吸收的能量得到最好的利用,从而使无人机的航程与航时得到扩展。对于逐渐发展起来的大型太阳能无人机,随着其飞行领域的扩展和设备的增多,能量管理系统将更为复杂,自动化程度和可靠性要求都要更高。开发一套功能强大、高效、高可靠性的能量管理系统将是未来太阳能无人机发展的关键技术。2.3平台体设计2.3.1飞行上的设计原则高空长航时太阳能无人机,由于飞行高度高,空气逐渐稀薄,导致飞行动压和雷诺数都比较小。由于太阳能电池能量转化效率较低,因此需要较大的机翼面积铺设太阳电池组件,导致太阳能无人机具有较大的机翼面积和较低的翼载。翼型的气动特性直接影响着全机的气动特性,过去的高性能翼型更多是针对航程和速度进行设计,并不特别适合太阳能长航时无人机。此外,长航时无人机一般采用小后掠角、大展弦比机翼,机翼的失速特性又直接取决于翼型,所以要求翼型的失速特性要比较和缓。长航时无人机对翼型的特殊要求使得设计师必须为其设计专有翼型。高升力带来高的诱导阻力,这可通过增大展弦比和翼载的椭圆分布去改善、优化,以使无人机的翼面上维持更多的层流区域和避免后缘流动分离,从而使无人机翼面上处于层流、湍流共存的流动状态,因此必须开展相应的边界层转捩和分离的研究,提高太阳能无人机的巡航效率。由于高空长航时无人机驾驶飞机全程自动飞行,仅在起飞和降落时由地面操作人员干预,所以对飞行品质要求较高,良好的横航向及纵向稳定性是对气动外形的基本要求。当前太阳能无人机的气动布局形式主要有常规布局和飞翼布局两种。常规布局是早已有之的布局形式,设计方法比较成熟,技术风险低,适合于太阳能无人机的初期设计。而在对太阳电池、储能系统、控制系统等方面研究成熟的情况下,可以考虑飞翼、联翼等先进布局形式,进一步提高无人机性能。Helios在2003年的燃料电池性能验证飞行中遭遇紊流,诱发了严重俯仰振荡而坠毁,迫使NASA着手紊流的研究。事故报告指出,大翼展飞翼布局表现出非线性稳定性和较大的控制问题,在柔性结构、非定常气动力、飞行控制系统、推进系统、环境条件以及飞行器的动力学特性之间产生了复杂的交互作用。而传统的设计方法和手段不能给出对飞行器复杂稳定性和控制性的准确分析。由此可见,需要对涉及多学科的先进设计方法进行研究,以适应未来太阳能无人机气动布局设计的需要。2.3.2气动弹性特性当前高空长航时太阳能无人机普遍使用轻质、高比强度和高比刚度的复合材料结构。如图3所示,大展弦比和柔软的机翼导致飞机在正常飞行条件下机翼产生相当大的变形,而大变形又对气动载荷重新分布和全机性能影响很大。这种气动/结构耦合的特点使飞行器飞行速度受到限制,飞行品质受到影响,机翼的自然频率和机翼的气动弹性特性产生明显变化,结构承载能力差以及由气动弹性带来了稳定性与安全性问题。此外,大展弦比机翼飞行过程中较大的柔性变形容易对翼面上铺设的电池造成损伤。太阳能无人机对结构重量的要求很高,开展大展弦比飞翼布局无人机机翼结构的综合布局优化设计研究极为重要。先进复合材料的大量采用,大展弦比的气动布局,以及对低结构重量、全轻质结构、高刚度的全面要求,对结构设计工作来说是一项严峻的挑战。此外,太阳能无人机机翼结构规模大,设计变量多,影响因素复杂,使得优化设计工作显得十分困难。2.3.3先进的稀土永磁直流无刷电机为提高系统可靠性,太阳能飞机多采用分布式推进系统,并以直驱方式为主,只在小型太阳能飞机上采用减速驱动方式以提高螺旋桨效率。推进系统中亟待突破的技术有两点:一是先进的稀土永磁直流无刷电机的设计;二是高高空低雷诺数下飞行的螺旋桨的设计。稀土永磁直流无刷电机效率高,可动部件少,在太阳能无人机上得到了广泛的应用,但其控制复杂,价格也较为昂贵。长航时太阳能无人机多采用定矩螺旋桨,以减少可动部件。这使得在不同的飞行状态下,定矩螺旋桨和无人机匹配困难,降低了系统的效率。如何设计高效率的减速转换机构、控制动力系统重量、解决系统匹配、系统散热等问题,也是目前提高太阳能无人机飞行性能急需解决的问题之一。2.3.4大气对太阳能电池阵列的影响太阳能电池的输出功率与其所受的太阳辐射量成正比,而在直射、散射、反射、热辐射等各种类型的辐射中,直射对于太阳电池的输出贡献最大,约为80%。因此对于无人机上太阳能电池阵列在不同经纬度、不同高度、不同天气、不同时间情况下太阳直射面积的数学模型的准确建立就非常重要,这直接关系到电池在各任务阶段中不同因素、不同水平下的输出响应,进而关系到太阳能无人机的起飞重量与气动布局。此外,针对大气环境的研究也是十分必要的,尽管大气不对太阳能无人机的能量产生提供帮助,但却与阻力的产生和能量的消耗密切相关。高空飞行时,较强的阳光辐射会使太阳能电