高空长航时太阳能无人机集体采用全复合材料
发布时间:2015-07-31   浏览:493 views   调整大小: 16px  14px  12px

高空长航时太阳能无人机具有飞行高度高、工作时间长、覆盖区域广、使用灵活、运行成本低和无环境污染等优点,成为执行情报、侦察、监视和通信中继等任务的理想空中

平台,有着非常广阔的应用前景。

NASA开发的长航时太阳能无人机“格里奥斯”号(Helios HP01)。
太阳能飞机在白天使用太阳能电池维持系统工作并对机上蓄电池充电;晚上通过释放蓄电池中储存的电能来维持整个无人机系统的运转。太阳光辐射强度在近地面受地球大气层

影响显著,太阳能飞机通常要在距地面20km以上的临近空间飞行。如果能量平衡能够一直维持,那么高空飞行的太阳能无人机在理论上就可以实现数月乃至数年的不间断飞行。

随着太阳能电池、蓄电池和相关领域关键技术的突破,高空长航时太阳能无人机将会实现跨越式发展。

基于重量和能量平衡的飞行器总体综合设计

与其他使用燃料的飞行器相比,太阳能飞机有个特点,即在飞行过程中始终保持重量和能量平衡,没有燃料消耗带来的重量变化。正因如此,太阳能飞机的气动力设计属于“

单设计点”。在飞机总体方案设计过程中,如果使飞机在设计点的效率达到最高,就可以把全机需用功率降到最低。

长航时太阳能无人机要完成长时间持续飞行,必须使整个系统在一昼夜内获得的可用能量与全机实际消耗的能量之间达到平衡。由于从太阳光获得的能量受到可用的太阳能电

池面积影响,太阳能电池面积又与机翼面积密切相关,而实现夜间飞行所需要的蓄电池重量又影响到飞机总重,这些因素最终都会影响到飞机的翼载和推重比,因此在太阳能飞机

总体设计过程中必须采用基于能量平衡的方法确定飞机的总体设计参数。

低雷诺数下的高升阻比气动力设计

由于高空长航时太阳能无人机表面需要铺设大面积的太阳能电池,机翼面积很大,翼载一般都在10kg/m2以下。相比之下,大型运输机的翼载超过600kg/m2。为了降低巡航时对

动力系统的功率需求,此类无人机的巡航速度都很低,巡航时升力系数比较大。而为了减小高巡航升力系数下的诱导阻力以提高升阻比,飞机的展弦比达25以上。同时,为了减少

对单台电机的功率需求,此类无人机一般装有多台电动机。

高空长航时太阳能无人机飞行高度高、速度低,飞行雷诺(Re)数小。在低空巡航飞行时,无人机的Re数在50万左右,到20km高度飞行时Re数减小到20万左右,到30km高度飞行

时Re数甚至降到10万以下,远远小于大型飞机达数千万的飞行Re数。在小Re数情况下,气流边界层扰动小,机翼表面以层流为主。虽然高空长航时太阳能无人机翼面具备形成稳定

层流的条件,但低Re下的层流是一种不稳定的流态,较容易产生气流翼面分离,导致气动效率降低。因此太阳能无人机的翼型厚度大,且要满足轻量化的结构设计要求;在机翼前缘

采用小钝头形状,可以避免气流在前缘分离;在上翼面前部有较大范围的顺压梯度,可保持较长层流区域;下翼面后缘弯度较大,以提高设计升力系数。因此,机翼设计需要优化机

翼展向的升力分布,以使翼面上维持更多的层流区域,并避免后缘可能产生的流动分离。

高性能电机和螺旋桨

高空长航时太阳能无人机的动力系统一般由电动机、减速器、螺旋桨和控制装置等组成,其中亟待突破的技术难点主要集中在先进直流电机研制和提高不同飞行条件下螺旋桨

的效率。

太阳能无人机使用的电机目前存在以下几个方面的问题:一是需要解决效率低,尤其是非设计点效率低的问题;二是电机间的协调控制需要进一步完善;三是电机的高速恒定功

率控制还处于理论分析阶段;四是需要解决长寿命和可靠性等问题。

提高螺旋桨效率是太阳能飞机动力系统研制的另外一个难点。在高空飞行时,一方面因平流层空气密度小、空气运动黏性系数大、飞机平飞速度低,螺旋桨效率提高很困难;另

一方面,需要进一步减轻螺旋桨的重量,提高动力系统的功重比,进一步降低能源消耗。

太阳能无人机在高空飞行时,为了产生足够大拉力,螺旋桨转速不能过小,可能会使飞机平飞速度与桨叶转速不匹配,造成桨叶绕流的气流角偏小,特别是在桨尖区气流偏角

更小,导致翼型绕流效率显著下降,造成螺旋桨效率降低。

高空长航时无人机爬升和下降过程中高度变化范围大,使飞机的气动特性、动力系统的输出功率都发生很大变化。螺旋桨翼型在小迎角下可能出现层流分离,升力系数随迎角

增加缓慢增大,并可能出现静态滞回,同时阻力系数迅速增大,导致螺旋桨气动效率严重下降。同时,为了弥补平流层大气密度降低引起的螺旋桨推力和功率损失,螺旋桨直径和

转速都比较大,因而要求螺旋桨具有良好的适应性。

先进太阳能电池和储能系统

太阳能电池按基体材料的不同可分为:硅太阳能电池、化合物太阳能电池和有机太阳能电池。太阳能电池的性能,尤其是转换效率,是太阳能飞机基本性能的决定因素。近几

十年来太阳能电池研究方面的进步很快,例如美国Solar Junction公司制造的三结叠层太阳能电池在418倍聚光条件下效率已达到43.5%。

表1 不同类型的蓄电池性能对比

除太阳能电池本身,太阳能电池在飞机上的施工工艺也是技术难点。通常太阳能电池既是产生电能的功能元件,同时又可作为飞机蒙皮的一部分承载部分气动载荷。过去的太

阳能电池由于自身厚度薄、刚度差、易碎易裂,很难适应机翼上曲率变化大的部位。当机翼受载变形时,电池可能严重受损。这就要求既要解决对太阳能电池的封装问题,又要为

电池提供良好的铺设平台。为保证气动效率,太阳能电池不仅要保证安装时与飞机蒙皮共形,而且要保证在整个飞行过程中与蒙皮的紧密贴合,所以太阳能电池的柔韧性也至关重

要。

储能系统是太阳能飞机实现昼夜持续飞行的关键系统之一,目前在太阳能飞机上应用最成熟的主要有燃料电池和锂电池。虽然燃料电池的能量转换效率可以高达40%~50%,而

且重量轻、符合环保要求,但由于燃料电池依赖燃料补充,无法满足长航时飞行对续航时间的要求,因此大多数太阳能飞机仍然采用高能量密度的锂电池来储备电能。与其他电池

相比,锂电池的能量密度大、电压高、自放电率低、循环使用寿命长、高温放电性能优于其他各类电池、不含有重金属有害物质,无环境污染等。表1为不同种类的蓄电池的性能对

比。

尽管锂电池的能量密度已经很高,目前也只能满足电动推进系统的最低要求。因此,要满足高空长航时太阳能无人机的使用要求,储能器件还需有较大幅度的提高,另外,锂

电池在高空低温环境下使用时的环境适用性也是需要解决的关键问题之一。

全复合材料机体设计与制造

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,结构形式一般是管状/盒状梁、夹心结构和网状结构。用于太阳能无人机的复合材料结构需要具

备以下特点:首先,要以很轻的重量实现大翼展和低翼载的结构;其次,机体结构应实现高应力水平下的刚度要求;第三,应避免大展弦比机翼可能出现的气动弹性问题;第四,复合

材料机体结构还应满足飞机特殊环境的使用要求。

“阳光动力”号的桁架肋和蜂窝夹层翼梁。

目前太阳能无人机常用的机体结构形式主要有两种:一种是薄壁蜂窝夹层结构机身和机翼,弱梁肋结构,蒙皮为单层或薄厚度多层复合材料,在机翼和机身表面铺设太阳能电

池;另一种采用碳纤维复合材料管状承力结构,其上布置肋,表面覆盖单层复合材料或高强度超薄聚碳酸酯薄膜,其上再粘贴太阳能电池板。

以“阳光动力”号太阳能飞机为例,该机为载人飞机,全机多采用碳纤维蜂窝结构,机翼共有120根碳纤维翼肋,按50cm间距均匀分布。超薄柔性的太阳能电池要承受变形、振

动,-60~80℃的温度变化以及强紫外线照射。超过70m的超轻细长机翼盒形翼梁结构由碳纤维复合材料制作而成,蒙皮用透明的塑料膜。

另一款太阳能无人机“探路者”号全机空重600kg,几乎都用复合材料制造,太阳能电池板布满整个上翼面。单管状梁为机翼主梁,由碳/环氧复合材料制成。全翼均匀分成6段

,每个对接点处有一个复合材料舱, 装有起落架、电池、飞行计算机和电子设备等。

能源综合管理系统

高空长航时太阳能无人机通过太阳能电池将太阳能转化为电能,再通过锂电池或燃料电池的配合,以及相关电器附件,如功率转化器、电子调速器等设备的配合,驱动无刷直

流电机和螺旋桨,为无人机提供动力,同时为机上的飞控、航电以及任务系统等设备提供能源。由于供电和用电系统并存,而且大量不同用电品质的负载同时工作,因此,为了在

有限的资源下最大程度地满足各单元的用电需求,需要通过能源综合管理系统实现对全机能源的管理分配和优化。通常对能源综合管理系统的要求有:实时接收飞行管理计算机给

出的电力需求信息;实时探测太阳能电池、蓄电池的工作状态信息;根据测量信息对能源进行控制,满足不同阶段的能量需求:能够处理来自能源系统的突发故障情况等。
“阳光动力”2号。

能源综合管理系统的主要作用就是实时监测各单元的能源供给和需求,并合理高效地进行能量分配,使得太阳能电池吸收转换的能量得到最好的利用。太阳能无人机的飞行过

程可以概括为能量的收集、储存、管理和消耗的过程。在设计过程中, 需要通过能源综合管理系统优化结构,提高能源利用率。
“探路者”号太阳能飞机的桁架肋、圆管梁、薄膜蒙皮和太阳能电池。

完整的能源管理系统组成包括:地面站控制端、飞行控制模块、动力系统模块、电源系统模块、能源管理控制模块以及传感器模块等。地面站控制端将能源控制指令发射给机

载计算机,机载计算机将无人机飞行的功率需求信息和能源控制指令以及传感器测量到的信息都传递给能源管理控制单元,能源管理控制单元将电力需求信息传递给电子调速器,

以控制动力系统的功率输出,执行给定的能源管理控制策略,控制各个电源的输出以满足动力系统的需求。

整理:玻璃钢电缆支架

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