可續航探測飛行器混合動力系統設計

邢琳琳+高培新

摘 要： 由于可參考的陸運和海運混合動力系統與空運混合動力系統存在較大差別，曾設計出的可續航探測飛行器混合動力系統均存在一定問題。因此，設計一種擁有強攀升能力和強能量優化能力的可續航探測飛行器混合動力系統，該系統依靠發動機和太陽能電池為可續航探測飛行器供應能量。在可續航探測飛行器的啟停、攀升和下落過程中，使用914型航空發動機利用燃料為其提供能量；而在探測過程中，系統將多個太陽能電池并聯起來，共同為可續航探測飛行器供應能量。系統實現部分給出了太陽能電池模型函數，以及系統能耗獲取流程圖。實驗結果表明，所設計的混合動力系統擁有較強的攀升能力和能量優化能力。

關鍵詞： 可續航探測飛行器； 混合動力系統； 914型航空發動機； 太陽能電池

中圖分類號： TN602?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0132?04

Design of hybrid power system for sustainable detecting aircraft

XING Linlin， GAO Peixin

（Flight College， Binzhou University， Binzhou 256603， China）

Abstract： Since the air transportation hybrid power system is very difference from the referable land transportation and marine transportation hybrid power systems， the previously?designed hybrid power systems for the sustainable detecting aircraft have a certain problem. Therefore， a hybrid power system for sustainable detecting aircraft with strong climbing ability and strong energy optimization ability was designed. The system depends on the aircraft engine and solar cell to supply the energy for the sustainable detecting aircraft. The 914?type fuel aircraft engine supplies the energy for the sustainable detecting aircraft during start， stop， rise and fall. The multiple solar cells are paralleled in the system in the detecting process to supply the energy for the sustainable detecting aircraft. The model function of the solar cell and flow chart of the system energy consumption acquisition are given in System Implementation section in the paper. The experimental result shows that the hybrid power system has strong climbing ability and energy optimization ability.

Keywords： sustainable detecting aircraft； hybrid power system； 914?type aero?engine； solar cell

0 引 言

由汽車領域首先提出的混合動力系統，是近些年科研組織的重點關注項目，其已被廣泛應用于陸運和海運領域。將混合動力系統應用于可續航探測飛行器，是一項極具發展前景的項目[1?3]。混合動力系統雖能夠有效增強可續航探測飛行器的各項飛行性能，但在實際應用中，由于可參考的陸運和海運混合動力系統與空運混合動力系統存在較大差別，科研組織對其設計方向往往存在偏差，使曾設計出的可續航探測飛行器混合動力系統無法擁有較強的攀升能力和能量優化能力。因此，設計一種擁有強攀升能力和強能量優化能力的可續航探測飛行器混合動力系統，對我國空運技術領域有著重要意義[4?6]。

曾設計出的可續航探測飛行器混合動力系統都或多或少地存在一些問題。如文獻[7]設計DA36E可續航探測飛行器混合動力系統，該系統采用串聯式設計，以電動機為系統的主要供能設備，并利用發電機進行系統輔助供能，極大地縮減了可續航探測飛行器的能耗，但整個系統的能量優化能力卻不高。文獻[8]設計“灰面鷲”可續航探測飛行器混合動力系統，該系統依靠鋰電池和燃料電池，為“灰面鷲”可續航探測飛行器提供了強勁的攀升能力，但系統的能量優化能力較弱、耗能較大。文獻[9]設計基于燃料電池和鋰電池的續航探測飛行器混合動力系統，該系統是對文獻[8]中系統的改進，其在維持原系統攀升能力的同時，大力改進了“灰面鷲”可續航探測飛行器混合動力系統的能量優化能力，是當今社會較為成熟的續航探測飛行器混合動力系統。但該系統的造價昂貴，維護成本也不低，無法對其進行大面積推廣。

1 可續航探測飛行器混合動力系統設計

1.1 系統整體設計

可續航探測飛行器混合動力系統依靠發動機和太陽能電池為可續航探測飛行器供應能量。圖1是系統結構圖。

由圖1可知，可續航探測飛行器混合動力系統的發動機主要依靠燃料為其提供能量，太陽能電池則主要依靠太陽能為其提供能量。可續航探測飛行器混合動力系統的設計原理是在發動機供能的基礎上，將太陽能電池收集到的太陽能經由發動機轉換為可續航探測飛行器能夠利用的機械能，以減少燃料使用，實現節能減排。

1.2 發動機設計

發動機是可續航探測飛行器混合動力系統的主要能源供應裝置，其能夠將其他形式的能轉換成機械能供可續航探測飛行器使用。可續航探測飛行器混合動力系統選用ROTAX公司生產的914型航空發動機，該發動機被廣泛應用于輕型飛行器中，其優勢有目共睹。914型航空發動機擁有電子啟動功能和雙重保護電子點火，其最大轉速為5 800 r/min，輸出功率為73.5 kW，獨立干式機油箱容量為3 L，以上參數保證了914型航空發動機能夠為可續航探測飛行器提供較強的起飛能力和攀升能力。在可續航探測飛行器的啟停、攀升和下落過程中，由于此時的能耗波動較大，可續航探測飛行器混合動力系統主要依靠914型航空發動機為可續航探測飛行器供應能量。而在波動較為平穩的探測過程，系統主要利用太陽能電池為可續航探測飛行器供應能量。當914型航空發動機或太陽能電源損壞時，兩者也能夠互相供電，以維持可續航探測飛行器的正常運行。914型航空發動機同太陽能電池切換電路如圖2所示。圖2中的a，b，c，x分別代表電路軸線的固定齒輪，齒輪公轉和自轉方向在不同可續航探測飛行器中不同的選擇；z1～z4代表電路中齒輪變速設備的專用齒輪。當變速設備的專用齒輪運轉時，914型航空發動機和齒輪a也會跟隨一同運轉。由于齒輪a，b，c三者互為相切安裝狀態，故齒輪b，c也會同時運轉。太陽能電池根據變速設備的轉速確定自身該何時開始工作。

1.3 太陽能電池設計

太陽能電池是維持可續航探測飛行器持續探測的基礎設施。太陽能電池的型號多種多樣，可續航探測飛行器混合動力系統對太陽能電池的要求主要有：太陽電池應具有較強的能量轉化能力和抗干擾能力，且其制作、運行成本應被盡量壓縮。因此，選用薄膜型太陽能電池。薄膜型太陽能電池不但能夠滿足系統的以上要求，其安裝牢固，能夠防止可續航探測飛行器在飛行過程中，受到沖撞造成太陽能電池的掉落情況。圖3是薄膜型太陽能電池的供能電路圖。

圖3中，虛線框內的箭頭方向表示太陽光能粒子的流向。當陽光照射到薄膜型太陽能電池上，粒子的規則流向會產生電流，電路中的電壓表能夠實時讀出薄膜型太陽能電池中半導體的總電壓，該總電壓能夠間接顯示出太陽能電池為可續航探測飛行器供應的能量。在實際應用中，通常將多個薄膜型太陽能電池連接起來，共同為可續航探測飛行器供應能量，如圖4所示。

由圖4可知，薄膜型太陽能電池組在本質上相當于多個二極管并聯，并聯方式能夠有效分攤太陽能電池電路中因太陽強光強產生的高電流，其在保護電路元件的同時，為可續航探測飛行器供應了更多的能量，也增強了可續航探測飛行器混合動力系統的能量優化能力。

2 可續航探測飛行器混合動力系統實現

2.1 太陽能電池模型函數設計

可持續探測飛行器混合動力系統實現部分構建了太陽能電池模型，可更好地分析系統性能。設太陽能電池中二極管的輸出電流為，電路總電流和二極管分路電流分別為，，總電壓為，電路總電阻、二極管電阻和支路總電阻分別為，，，則有：

式中：是電路品質因數；是太陽能電池的使用周期；是可續航探測飛行器混合動力系統的保守力做功。

若想進一步求取太陽能電池模型，應先計算出太陽能電池電路內部的各項基本指標。軟件將其各項客觀指標構建出太陽能性能函數，如下：

在太陽能電池電路中，式（2）～式（4）中，代表電路中兩個電容；代表電路短路電流；代表電路功率極大值處的實時電流值；代表電路斷路電壓；代表電路功率極大值處的實時電壓值。，，，的大致范圍值可由太陽能電池說明書提供。在可續航探測飛行器混合動力系統的實際運行中，太陽能電池的以上參數也能夠較為簡便地被獲取。由于飛行器在高空中受到的輻射較多，而輻射會對太陽能電池的電流產生不良限制，故在太陽能電池模型中排除掉輻射對電流的影響，得到太陽能電池的最終模型函數為：

式中：代表飛行器受到輻射的實時強度值；代表太陽能電池受到輻射的實時強度值。

2.2 系統能耗獲取流程

可續航探測飛行器混合動力系統利用耦合分析方法獲取系統能耗，在可續航探測飛行器混合動力系統的運行初期，軟件會對系統的初始能耗參數進行設定，該參數規定了系統能耗范圍，軟件會對不符合該范圍的系統不正常行為加以遏制。在獲取系統能耗的過程中，耦合分析方法根據探測飛行器的故障能耗對系統總能耗的影響力，對探測飛行器故障能耗首先進行預測，如圖5所示。

由圖5可知，耦合分析方法對系統的實時能耗預測，是以太陽能電池模型函數提供的數據為基礎，兼顧發動機能耗測量值進行的。系統總能耗預測值是根據系統實時能耗預測值求得的。將系統總能耗預測值與系統的初始能耗參數進行對比，若滿足設定范圍，則該預測值即為系統的最終預測結果；若不滿足范圍，軟件則會重新開始預測各能耗。當獲取到特定數量的能耗值，能耗獲取流程隨即停止。

3 實驗驗證

實驗驗證本文所設計的可續航探測飛行器動力混合系統，較比以往設計出的可續航探測飛行器動力混合系統來說，具有更強的攀升能力和能量優化能力。在曾設計出的可續航探測飛行器動力混合系統中，基于燃料電池和鋰電池的續航探測飛行器混合動力系統雖價格昂貴，但系統性能相對較高，故選取該系統與本文系統進行系統攀升能力和能量優化能力的對比實驗。實驗中，將基于燃料電池和鋰電池的續航探測飛行器混合動力系統稱作“驗證對比系統”。

3.1 攀升能力驗證

在可續航探測飛行器動力混合系統攀升能力的驗證中，實驗利用兩種方案對本文系統和驗證對比系統進行了驗證，實驗給予可續航探測飛行器5條環境不同的探測軌道。方案一中，實驗給予本文系統和驗證對比系統相同的攀升能量，令安裝了兩系統的可續航探測飛行器在相同軌道環境下同時進行攀升，記錄下兩系統攀升到1 000 m的用時，如圖6所示；方案二中，實驗給予本文系統和驗證對比系統相同的攀升時間，記錄下兩系統的攀升距離，如圖7所示。如圖6、圖7所示，驗證對比系統的攀升時間曲線和攀升距離曲線的波動幅度較大，可見軌道環境對該系統的攀升性能影響較大。其1 000 m的平均攀升時間為3.2 min，相同情況下的平均攀升距離為4.5 km；本文系統的攀升時間曲線和攀升距離曲線的波動幅度較小，可見軌道環境對本文系統的攀升性能影響較小。其1 000 m的平均攀升時間為2.2 min，低于驗證對比系統的平均攀升時間1 min。相同情況下本文系統的平均攀升距離為6.2 km，高于驗證對比系統的平均攀升距離1.7 km。

基于以上結果能夠預測，若在實驗中增大固定變量數值，兩系統實驗結果的差值將進一步拉大，驗證了本文系統擁有較強的攀升能力。

3.2 能量優化能力驗證

在混合動力系統中，一旦燃料耗盡，可續航探測飛行器的飛行安全即受到威脅，因此必須將混合動力系統中的額外能有效轉化成機械能。為了驗證可續航探測飛行器動力混合系統的能量優化能力，應從其能量轉化效率和耗能量兩方面入手。實驗在相同條件下，令安裝了本文系統和驗證對比系統的可續航探測飛行器攀升到10 km，并記錄下兩系統的能量轉化效率和總耗能量，如圖8、圖9所示。

由圖8可知，本文系統能夠較好地實現能量轉化，其平均能量轉化效率為89%，且轉化穩定性較強。驗證對比系統的能量轉化效率在可續航探測飛行器飛行的前10 h數值較高且較為穩定，但在更長時間得飛行過程中，其能量轉化效率大幅度降低。由圖9可知，本文系統的耗能量遠低于驗證對比系統的耗能量。且本文系統耗能曲線的抗干擾能力更強，其波動幅度不超出180 W·h。以上兩個結論能夠驗證本文系統擁有較強的能量優化能力。

4 結 論

本文設計一種擁有強攀升能力和強能量優化能力的可續航探測飛行器混合動力系統，該系統依靠發動機和太陽能電池為可續航探測飛行器供應能量。在可續航探測飛行器的啟停、攀升和下落過程中，914型航空發動機利用燃料為其提供能量；而在探測過程中，系統將多個太陽能電池并聯起來，共同為可續航探測飛行器供應能量。軟件設計太陽能電池模型函數，以及系統能耗獲取流程圖。實驗結果表明，所設計的混合動力系統擁有較強的攀升能力和能量優化能力。

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