針對小型低空長航時電動無人機需求,給出了太陽能/氫能混合能源動力系統(tǒng)集成方案和小型低空長航時無人機構(gòu)型。針對典型任務(wù)剖面,綜合考慮太陽能電池和氫燃料電池特性,提出了一種考慮全機重量能量耦合關(guān)系的總體設(shè)計方法和任務(wù)剖面驅(qū)動的能源管理策略;建立了能源系統(tǒng)模型,給出了能源控制流程,開發(fā)了能源管理仿真平臺。以1.5kg任務(wù)載荷為例,完成了無人機總體方案設(shè)計,仿真分析了各種能源特性對飛行結(jié)果的影響。結(jié)果表明:能源管理策略能夠根據(jù)任務(wù)剖面的要求合理配置能源系統(tǒng)的功率,滿足各階段的功率需求;無人機在冬至日航時為21h、夏至日可實現(xiàn)跨晝夜飛行;在能源系統(tǒng)重量相同情況下,該混合能源無人機的航時分別是純鋰電池?zé)o人機和燃料電池?zé)o人機的5.5倍和1.2倍。 

【文章來源】：航空學(xué)報. 2016,37(01)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：19 頁

【部分圖文】：

圖１無人機典型任務(wù)剖面Ｆｉｇ．１ＴｙｐｉｃａｌＵＡＶｆｌｉｇｈｔｐｒｏｆｉｌｅ

１４６航空學(xué)報Ｊａｎ．２５２０１６Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１圖２能源動力系統(tǒng)框圖Ｆｉｇ．２Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎｓｙｓｔｅｍｄｉａｇｒａｍ統(tǒng)的限制。如機身需要滿足容納燃料電池堆、氫氣罐的要求，機翼平面形狀與翼型需要滿足太陽能電池鋪設(shè)的要求，等。借鑒類似的低空無人機產(chǎn)品，總體構(gòu)型采用常規(guī)布局和氣動效率較高的大展弦比機翼。并從以下兩個方面綜合考慮燃料電池、太陽能電池混合能源的特殊性：１）機翼位置采用上單翼方案，以保證機身內(nèi)部的連通性；對機身容積進行詳細設(shè)計，適當(dāng)增加容積。以便滿足裝載燃料電池元件需求。２）采用上單翼主翼、Ｔ型尾翼布局。如此便于太陽能電池鋪設(shè)，增加太陽能電池鋪設(shè)面積，減小機身、垂尾的遮擋。無人機的總體構(gòu)型方案如圖３所示。圖３無人機總體構(gòu)型Ｆｉｇ．３ＵＡＶｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ２主要總體參數(shù)計算方法與一般的無人機設(shè)計方法不同，本文所研究的小型低空長航時無人機存在較為明顯的能量重量耦合問題。對此，本文從能量平衡和重量平衡角度出發(fā)，分析各模型間的耦合關(guān)系，提出了一種考慮全機重量能量耦合關(guān)系的總體設(shè)計方法。２．１功率匹配根據(jù)推力、速度的計算關(guān)系，可以得到無人機的平飛需用功率為Ｐｌｅｖ＝Ｆ·ｖ＝ｍ３／２·ＣＤＣ３／２Ｌ·２ｇ３ρ槡Ｓ（１）式中：Ｐｌｅｖ為無人機巡航條件下的需用功率；Ｆ為無人機巡航狀態(tài)下的發(fā)動機拉力；ｖ為飛行速度；ｍ為無人機起飛重量；ＣＤ為阻力系數(shù)；ＣＬ為升力系數(shù)；ｇ為重力加速度；ρ為空氣密度；Ｓ為機翼參考面積�？紤]調(diào)速器、電動機、螺旋槳相應(yīng)的效率，以及機載設(shè)備

足容納燃料電池堆、氫氣罐的要求，機翼平面形狀與翼型需要滿足太陽能電池鋪設(shè)的要求，等。借鑒類似的低空無人機產(chǎn)品，總體構(gòu)型采用常規(guī)布局和氣動效率較高的大展弦比機翼。并從以下兩個方面綜合考慮燃料電池、太陽能電池混合能源的特殊性：１）機翼位置采用上單翼方案，以保證機身內(nèi)部的連通性；對機身容積進行詳細設(shè)計，適當(dāng)增加容積。以便滿足裝載燃料電池元件需求。２）采用上單翼主翼、Ｔ型尾翼布局。如此便于太陽能電池鋪設(shè)，增加太陽能電池鋪設(shè)面積，減小機身、垂尾的遮擋。無人機的總體構(gòu)型方案如圖３所示。圖３無人機總體構(gòu)型Ｆｉｇ．３ＵＡＶｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ２主要總體參數(shù)計算方法與一般的無人機設(shè)計方法不同，本文所研究的小型低空長航時無人機存在較為明顯的能量重量耦合問題。對此，本文從能量平衡和重量平衡角度出發(fā)，分析各模型間的耦合關(guān)系，提出了一種考慮全機重量能量耦合關(guān)系的總體設(shè)計方法。２．１功率匹配根據(jù)推力、速度的計算關(guān)系，可以得到無人機的平飛需用功率為Ｐｌｅｖ＝Ｆ·ｖ＝ｍ３／２·ＣＤＣ３／２Ｌ·２ｇ３ρ槡Ｓ（１）式中：Ｐｌｅｖ為無人機巡航條件下的需用功率；Ｆ為無人機巡航狀態(tài)下的發(fā)動機拉力；ｖ為飛行速度；ｍ為無人機起飛重量；ＣＤ為阻力系數(shù)；ＣＬ為升力系數(shù)；ｇ為重力加速度；ρ為空氣密度；Ｓ為機翼參考面積�？紤]調(diào)速器、電動機、螺旋槳相應(yīng)的效率，以及機載設(shè)備的功率損耗，可以得到整機的飛行需用電功率為Ｐ＝Ｐｌｅｖηｅｓｃηｍｏｔηｐｒｐｌ＋Ｐｐｌｄ（２）式中：Ｐ為無人機巡航條件下的飛行需用電功率；Ｐｐｌｄ

【參考文獻】：
期刊論文
[1]利于冬季飛行的太陽能飛機構(gòu)型研究[J]. 馬東立,包文卓,喬宇航.  航空學(xué)報. 2014(06)
[2]太陽能飛機原理及總體參數(shù)敏度分析[J]. 昌敏,周洲,鄭志成.  西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2010(05)
[3]太陽能飛機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 鄧海強,余雄慶.  航空科學(xué)技術(shù). 2006(01)

博士論文
[1]太陽能/氫能混合動力小型無人機總體設(shè)計[D]. 李延平.北京理工大學(xué) 2014



本文編號：3579085