小型太陽能無人機技術(shù)特點及關(guān)鍵技術(shù)研究

郭彬新，馬建超

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州 450005）

小型太陽能無人機技術(shù)特點及關(guān)鍵技術(shù)研究

郭彬新，馬建超

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州 450005）

在國內(nèi)外太陽能無人機的發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，總結(jié)了小型太陽能無人機技術(shù)特點，給出了概念設(shè)計階段主要參數(shù)的估算公式。根據(jù)某小型太陽能無人機概念設(shè)計階段的參數(shù)，分析了太陽能無人機的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了未來太陽能無人機的發(fā)展方向。

太陽能;無人機;技術(shù)特點;關(guān)鍵技術(shù)

太陽能無人機以太陽輻射作為推進能源的無人機。太陽能綠色環(huán)保，能源供應(yīng)沒有限制［1］。太陽能無人機具有超長航時和高高空飛行能力，可執(zhí)行戰(zhàn)略級和戰(zhàn)役級偵察任務(wù)，具備持久的情報收集和戰(zhàn)場監(jiān)視能力?？赏瓿赡壳耙恍┑蛙壭l(wèi)星執(zhí)行的作戰(zhàn)任務(wù)，但相比使用衛(wèi)星，它成本更低，使用更靈活，具有可修復(fù)性，是當今世界各國無人機發(fā)展的重點［2］。當然，太陽能無人機發(fā)展還處于起步階段，它將面臨許多新的技術(shù)特點和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 太陽能無人機發(fā)展概況

2002年7月14號，由美國太空總署資助研制的太陽能無人機“太陽神”在夏威夷試飛，它是首架完全靠太陽能驅(qū)動的飛機?！疤柹瘛庇锰祭w維復(fù)合材料制造，整架飛機僅重五百九十公斤。機身長二點四米，翼展達七十五米，裝有六萬五千片太陽能電池板;太陽能電池板輸出電力驅(qū)動小型電機，帶動機上十四個螺旋槳。采用較輕的燃料電池，白天將產(chǎn)生的2/3的電能儲存到燃料電池中以保證夜間飛行。

Solar impulse（太陽脈動）太陽能飛機，由瑞士等多國合作開發(fā)，翼展為61米，相當于一架空客A340的展長。機翼承載了200平方米的太陽能電池面板，但機身僅重1500公斤，主題結(jié)構(gòu)使用碳纖維和蜂窩復(fù)合材料。平均飛行速度每小時70公里，巡航高度8500米，能適應(yīng)零下40度的嚴寒。裝有一組400公斤的鋰電池，通過4臺電動機驅(qū)動直徑數(shù)米的螺旋槳，可快速換裝成為無人機系統(tǒng)。

國外太陽能無人機已有相當?shù)募夹g(shù)儲備并已進行了基礎(chǔ)的驗證飛行，國內(nèi)此方面的研究報道不多，屬一新興的技術(shù)領(lǐng)域。

圖1 “太陽神”與“太陽脈動”

2 太陽能無人機技術(shù)特點

2．1 飛行器平臺

為提高氣動效率，太陽能無人機多采用大展弦比機翼，尤其是高空長航時太陽能無人機，展弦比都在20以上。為減輕結(jié)構(gòu)重量，太陽能無人機大量使用碳纖維、凱芙拉等先進復(fù)合材料。

結(jié)構(gòu)重量和續(xù)航因子為飛行器平臺的兩個重要技術(shù)指標，太陽能無人機的結(jié)構(gòu)重量估算公式如下：

其中，mstruct為無人機結(jié)構(gòu)重量，kstruct為質(zhì)量因子，b為機翼翼展，AR為展弦比。

太陽能無人機一般采用無后掠的平直機翼，太陽能無人機的巡航效率因子簡化公式如下：

其中，CL3/2/CD為巡航效率因子，CL為巡航升力系數(shù)，CD0為零升阻力系數(shù)，e為奧斯瓦爾德因子［3］。

2．2 能源系統(tǒng)

能源系統(tǒng)包括太陽能電池板和蓄電池。目前多數(shù)太陽能無人機采用的為轉(zhuǎn)化效率15%－20%的單晶硅太陽電池，部分采用了多晶硅太陽電池。蓄電池多為能量密度200wh/kg左右的鋰電池，部分太陽能飛機采用爬高方式儲能或能量密度600wh/kg的燃料電池儲能。蓄電池重量占全機很大比重，在無光照條件下飛行時間越長，所需的蓄電池重量越大，要做到全天候的飛行，蓄電池甚至要占總重的50%。蓄電池重量和太陽能電池板面積估算公式如下。

蓄電池重量公式：

其中，mbatt為無光照巡航所需蓄電池質(zhì)量，P為巡航功率，Tnight為無光照巡航時間，ηbec為蓄電池放電深度，ηdischarg為蓄電池放電效率，ηbatt為蓄電池能量密度。

太陽能電池板面積估算公式如下：

其中，Scell為所需太陽能電池板面積，Tdav為光照時間，ηcharg為蓄電池充電效率，Irmax為最大光照強度，Klight為光照強度因子（云層及其空氣污染影響），ηcell為光電轉(zhuǎn)換效率，ηmppt為最大功率跟蹤器效率，Tnight為無光照時間。

2．3 推進系統(tǒng)

太陽能飛機多采用分布式推進系統(tǒng)，并以直驅(qū)方式為主，但小型太陽能飛機為了提高螺旋槳效率而采用減速方式驅(qū)動。永磁直流無刷電機效率高，可動部件少，在太陽能飛機上得到了廣泛的應(yīng)用，有刷直流電機以其重量輕、價格便宜等優(yōu)勢在小型太陽能無人機上也有一定應(yīng)用［4］。

太陽能飛機多采用定矩螺旋槳，以減輕結(jié)構(gòu)重量，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性。

推進系統(tǒng)重量與功率之間關(guān)系可以簡化為下式：

其中，mprop為推進系統(tǒng)重量，kprop為推進系統(tǒng)重功比，Pprop為推進系統(tǒng)功率。

2．4 特性分析

針對以上經(jīng)驗公式，圖2給出了某小型太陽能無人機概念設(shè)計階段翼展、展弦比與主要設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系曲線。主要設(shè)計輸入如表1所示。

由圖2可以看出，翼展固定，隨著展弦比的增大，飛行阻力減小，飛行器結(jié)構(gòu)重量降低，推進系統(tǒng)需求功率下降，巡航速度增大，機翼面積減少。大展弦比布局具有很大優(yōu)勢，但大展弦比布局會導(dǎo)致太陽能電池鋪設(shè)困難、結(jié)構(gòu)強度不易滿足等問題。因此，在概念設(shè)計階段需要綜合各種關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)關(guān)系，選擇較為理想的參數(shù)值。

目前，國外高空太陽能無人機已具有24小時以上的續(xù)航能力，高空太陽能無人機的翼展可達70米，其結(jié)構(gòu)重量可以做到很輕，為能源系統(tǒng)提供充足的重量空間，可以做到理論持久巡航狀態(tài);但小型太陽能無人機的結(jié)構(gòu)重量很難減小，蓄電池能量密度提高有限，很難做到持久巡航。

表1 部分設(shè)計輸入?yún)?shù)

圖2 翼展與主要技術(shù)參數(shù)關(guān)系

3 關(guān)鍵技術(shù)

3．1 超輕型高效飛行器平臺

太陽能無人機續(xù)航時間長，甚至可以做到持久巡航。這就要求巡航效率因子足夠大，具有更優(yōu)化的氣動布局形式。氣動布局設(shè)計不僅包括低雷諾數(shù)翼型設(shè)計、大展弦比機翼外形優(yōu)化設(shè)計、靜氣彈設(shè)計和氣動剪裁設(shè)計等傳統(tǒng)氣動性能設(shè)計內(nèi)容，還包括飛行器平臺的氣動變形對飛行穩(wěn)定性和飛行控制率的影響;而此類問題在傳統(tǒng)飛機設(shè)計中很少考慮。

目前無人機結(jié)構(gòu)雖然已經(jīng)廣泛采用碳纖維、玻璃纖維等輕質(zhì)復(fù)合材料，但對復(fù)合材料仍缺少全面的、細致的了解，在工程應(yīng)用中仍趨于保守的設(shè)計原則，不能做到恰到好處。針對高空長航時太陽能無人機，還面臨高空環(huán)境對材料性能的影響程度研究，距離真正的高空長航時太陽能無人機的應(yīng)用仍有一段距離。

3．2 自適應(yīng)多模態(tài)飛控技術(shù)

高空太陽能無人機翼展很大，飛行過程中受到氣動力的作用，會產(chǎn)生很大形變。變形后的無人機控制參數(shù)和控制結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大變化，傳統(tǒng)飛控技術(shù)已經(jīng)遠不能滿足控制要求。

自適應(yīng)多模型飛控技術(shù)是近年來提出的一種多模態(tài)控制方法，多模型控制的關(guān)鍵是：當飛機內(nèi)部及外部狀態(tài)變化時，飛機控制系統(tǒng)采用模態(tài)識別方法識別應(yīng)采用的模型及控制器并進行轉(zhuǎn)換。使用多模態(tài)控制，通過及時檢測內(nèi)外部環(huán)境變化來選擇最優(yōu)的控制器，提高了軌跡跟蹤精度、效率和生存能力，且有更好的穩(wěn)定性。

但自適應(yīng)多模態(tài)控制方法還處于實驗室階段，這種方法在實際飛機飛行控制應(yīng)用中還必須考慮許多實際環(huán)節(jié)的影響。

3．3 高效能源動力系統(tǒng)

能源動力系統(tǒng)包括：蓄電池、驅(qū)動電機和螺旋槳。

蓄電池重量可占太陽能無人機總重的50%，提高蓄電池的能量密度預(yù)示著提高太陽能無人機的載荷能力和飛行性能，目前蓄電池研究的主要方向為：鋰聚合物電池、磷酸鐵鋰電池和高分子鋰電池。鋰聚合物電池重量較同等容量規(guī)格鋁殼電池輕20%。同等規(guī)格的鋰聚合物電池比同等尺寸規(guī)格的鋁殼電池高5－10%，而且比鋰離子電池更安全。磷酸鐵鋰電池是世界公認的最好的電池，它具有安全性、環(huán)保性、高能量密度、高循環(huán)性能等諸多優(yōu)點。高分子鋰電池不論在形狀、充放電、可靠性與對環(huán)境的保護方面都有相當大的發(fā)展空間。高分子鋰電池具有可薄形化、可任意面積與可任意形狀等諸多優(yōu)點，可做成任何形狀與容量的電池;其能量密度比市場上的鋰離子電池高50%以上;而在可靠性方面，不會發(fā)生漏液與燃燒爆炸等安全方面的問題。

為提高系統(tǒng)可靠性，太陽能飛機多采用分布式推進系統(tǒng)，并以直驅(qū)方式為主，只在小型太陽能飛機上采用減速驅(qū)動方式以提高螺旋槳效率。永磁直流無刷電機效率高，可動部件少，在太陽能飛機上得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)電機存在以下幾方面的不足：第一，效率不高，特別是非設(shè)計點的工作效率，需要從材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上下功夫;第二，電機間的協(xié)調(diào)控制急需改進，從而提高總的系統(tǒng)效率，并保證飛機可靠運行，需要在系統(tǒng)硬件和軟件上進一步研究完善;第三，電機的高速恒定功率控制還處于理論分析階段，需要深入研究并應(yīng)用到實際中。

太陽能飛機多采用定矩螺旋槳，以減少可動部件。但不同轉(zhuǎn)速下的螺旋槳效率相差很大，定矩螺旋槳和電機的匹配困難，降低了系統(tǒng)的效率。

3．4 柔性高效太陽能電池

單晶硅太陽能電池陣列應(yīng)用于太陽能無人機需要進一步提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。目前多數(shù)單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率為15%－20%，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率嚴重限制了太陽能無人機的性能。美國倫斯勒理工學院2008年開發(fā)出一種新型涂層，涂在太陽能電池表面，把太陽能電池對陽光的吸收率從70%提高到96．2%［5］。

為保證飛行器氣動性能，太陽能電池板不僅要保證安裝時與蒙皮的共形，更要保證飛行過程中與蒙皮的緊密貼合，需要更具柔韌性能的太陽能電池板。位于美國硅谷的一家公司推出了一項全新太陽能涂層技術(shù)，將涂料直接噴涂到像鋁箔一樣的金屬片上，就可以制成太陽能電池，可以節(jié)約90%的成本，并且適合各種彎曲曲面，特別適宜太陽能無人機的機翼翼面曲線。

4 結(jié)論

通過對太陽能無人機技術(shù)特點的總結(jié)和對關(guān)鍵技術(shù)的分析，未來太陽能無人機技術(shù)的主要公關(guān)方向有發(fā)下幾個方面：1）獨特氣動布局提供更高的巡航效率因子，降低飛行中功率需求;2）自適應(yīng)多模態(tài)飛控針對飛行中靜氣彈或主動形變提供更精確的控制功能;3）高效能源系統(tǒng)提升太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率和蓄電池能量密度，減少能源系統(tǒng)重量，提升載荷能力;4）柔性太陽能電池板更好與機翼曲面貼合，減小飛行阻力，減小系統(tǒng)功率需求。

［1］楊金煥，陸鈞，黃曉櫓．太陽能發(fā)電地面應(yīng)用的前景及發(fā)展動向［J］．中國新能源，1995，（12）．

［2］鄧海強，余雄慶．太陽能飛機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］．航空科學技術(shù)，2006，（1）．

［3］Niels Diepeveen．The Sun－SurferDesign and construction of a solar powered MAV［R］．Internship Report，2007．

［4］李榮．太陽能無人飛機動力驅(qū)動器的研究［J］．西安：西北工業(yè)大學，2004．

［5］張銳．薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用介紹［J］．廣州建筑，2007，（2）．

［編校：鄧桂萍］

Study on Technical Characteristics and Key Technology of Small Solar Unmanned Aerial Vehicle

GUO Binxin，MA Jianchao
（The27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450005）

This paper introduces the present situation of the development of solar unmanned aerial vehicle（hereafter abbreviated as uav）at home and abroad，summarizes the technology characteristics of small solar uav，and gives the estimating formula ofmain parameters in the concept design phase．According to the parameters of a small solar uav in the concept design phase，it analyzes the key technology of solar uav and promises the future development direction of solar uav．

solar energy;uav;technology characteristics;key technology

V279

A

1671－9654（2013）04－044－04

2013－09－28

郭彬新（1978－），男，河南商丘人，工學碩士，工程師，研究方向為無人機氣動。