低空太阳能无人机研究现状及关键技术研究
以下文章来源于战术导弹技术 ，作者曹潇 王正平 等
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转自：战术导弹技术
本文选自《战术导弹技术》2019年第1期
作者：曹潇，王正平， 贺云涛， 刘刚
摘要：针对低空太阳能无人机的发展过程及关键技术瓶颈，综述了该类型无人机的发展现状，分析了低空太阳能无人机的关键技术。指明了适应低空环境的太阳能电池、合理的能源管理策略、高效可靠的推进系统、轻质高效的机体平台，稳定的飞行控制，以及能量最优的航迹规划是未来低空太阳能无人机发展过程需要解决的核心问题。为总体设计阶段提供了必要的参考依据和设计思路。
关键词：低空；太阳能无人机；太阳能电池；能源管理
随着世界经济迅速发展，能源危机和生态环境危机迫使各国大力推动可再生能源的发展。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，储量巨大，可利用率大，是理想的可再生能源。自1954年贝尔实验室发明了太阳能电池以来，人们对太阳能的开发和探索不断跟进，太阳能技术得到了大规模的推广和应用。大力发展太阳能技术，是保护环境和节约资源的重要途径。太阳能无人机作为光伏发电技术发展的伴生产品，突破了传统无人机的设计理念。在设计上，太阳能无人机以能量为核心，实现能量推进系统一体化的嵌入式结构设计和二次电池的嵌入式结构设计，以满足太阳能无人机的设计要求。与传统无人机相比，太阳能无人机巡航时间长，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。太阳能无人机装有有效载荷，可以用于军事、民用、商业等方面，无人机不受任何限制，可以长期停留在某个空域，具有极大应用前景。
太阳能无人机已经研制多年，尤其在高空领域上，不受太阳能电池片发电效率的影响，高空太阳能可以研制成较大的翼展。随着太阳电池效率的提高，低空太阳能无人机开始进入人们视野。低空领域，燃油无人机污染且能源不可再生，锂电池能量密度较低使得锂电池无人机航时较短，燃料电池无人机由于氢能的问题而限制了发展，高空太阳能由于追求极限飞行，而使得其结构特性较弱，起降受场地的限制较大。低空小型太阳能无人机具有绿色环保、较长航时、较强结构且能多次起降，使其在低空领域有广阔的发展前景。
1.1 国外发展现状
1974年，世界上第一架太阳能无人机SunriseⅠ问世，其在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。进入21世纪，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，太阳能飞机驶上了飞速发展的快车道。目前正在研制太阳能无人机的国家，主要有美国，英国和瑞士等国。
美国是研究太阳能飞机起步较早的国家，从1977年开始，P.B. Mac Cready等人就开始设计双座载人太阳能动力飞机，并于1980年完成首次飞行。在无人机方面，美国的“太阳神”太阳能无人机系列，已成功研制出四代试验验证机，分为高空型和长航时型，其是AeroVironment公司为 NASA 的传感器技术计划和环境研究而研制的，可以实现昼夜飞行。该公司先后研制了多款小型可用于低空的太阳能无人机。
2005年，该公司成功试飞了带动力的滑翔太阳能无人机SoLong，其主要用于遥测遥感的民用，如表1所示。该机采用上单翼“V”型尾布局，机体采用大量碳纤维复合材料。SoLong的能源系统由76块转换效率为20%的Sun Power-A300单晶硅太阳能电池和120节Sanyo18650锂电池构成。为了获得较高太阳能能电池功率，机上带有由AC推进公司开发的300W峰值功率追踪器。
表1 SoLong太阳能无人机基本参数
同年，苏黎世瑞士联邦理工学院和欧洲宇航局合作研发一款适用于火星表面的“天空使者”号太阳能无人机，翼展3.2m，总重2.6kg，安装了216块硅太阳能电池片，理想光照条件下可为无人机提供80w以上电力。机体结构采用的是轻木虑芯和碳纤维刚性轻质材料制作而成。无人机通过手动起飞，可在地球上飞行5小时。2018年，美国的新墨西哥州立大学机械与航空航天工程系Mostafa Hassanalian等人研究了适用于太阳系行星表面的不同特性太阳能无人机。考虑不同行星下雷诺数，根据行星的密度、粘度，压力、温度和重力等因素，设计及优化不同尺寸的小型、微型太阳能无人机。如图1所示。
（a）“天空使者”号太阳能无人机
（b）微型太阳能无人机 （c）小型太阳能无人机
图1 微小型太阳能无人机
近年来，AeroVironment公司又发布了一款PumaAE混合能源无人机，如图2所示，无人机结合之前开发的一个混合燃料电池供电系统，太阳能使用的是超薄砷化镓电池，可产生足够的发电量供无人机进行远距离飞行，比非太阳能电池的PumaAE装置要延长2-3小时，总共可以在空中飞行9小时。基本参数如表2所示。
表 2 PumaAE混合能源无人机基本参数
图2 PumaAE混合太阳能无人机
1.2 国内发展现状
近年来，国内高校包括北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、北京理工大学等都在开展太阳能飞机的研究。
1992年，北京航空航天大学李晓阳博士和赵庸教授设计并制作了“翱翔者”号太阳能飞机，该机是中国历史上有记载的首架具有原创自主知识产权的太阳能飞行器。“翱翔者”号机体上翼面和水平尾翼能够都用交互布阵法铺设和连接单晶硅太阳能电池薄片，但太阳能电池片薄且极易碎裂，所以上翼表面与太阳能电池之间设有GPPS薄膜的缓冲层。采用特制的镍氢电池组作为二次电源，来为配有减速装置的低速螺旋桨提供动力电源。同时，为了减轻重量，用人手投掷起飞，回收采用滑橇式降落架的起降方式，且飞行控制方式采用望远镜配合人工目视的简易操作。受太阳电池效率、微电子技术、新材料技术等技术的限制，“翱翔者”号只有极小的任务载荷能力。
南京航空航天大学研制翼展分别为4.5m的“灵翼”Ⅰ型和6m的“灵翼”Ⅱ型两种小型太阳能无人机，如图3所示。两种无人机采用的是性能优良的铜铟镓硒柔性薄膜太阳能电池，其中“灵翼”II型机翼还可以进行部分变形以增加太阳光的照射强度，目前，已经实现了仅依靠太阳能来长时间飞行。
（a）南航“灵翼”Ⅰ型 （b）南航“灵翼”Ⅱ型
图3 南京航空航天大学太阳能无人机
2016年6月19日，汉能控股集团于北京国际无人机系统产业博览会上展出了两款新型汉能太阳能无人机，展长分别为3.3 m 复合翼垂直起降太阳能无人机和 4.4 m 固定翼太阳能无人机，如图4所示。这 2 款太阳能无人机采用了轻、薄、柔和、高效率特性的的砷化镓薄膜太阳电池，转化效率最高达31.6%，相比于常规纯电池无人机 1.5～2 h 的续航时间，其可以长达 6 ～10 h，作业范围为400～700公里。
（a）3.3m复合翼垂直起降太阳能无人机
（b）4.4m固定翼太阳能无人机
图4 汉能公司太阳能无人机
2018年，北京理工大学新能源飞行器技术研究所的刘莉教授团队研发了一款蒲公英“Ⅱ”号组合式翼身融合太阳能无人机。其针对燃油飞机污染且能源不可再生，发动机震动对机载设备有不利影响，采用了电动推进系统的太阳能/锂电池混合能源；针对目前太阳能多数采用的是大展弦比机翼，结构特性较弱，起降受场地限制较大的特点，提出了常规起落架和旋翼垂直起降的组合起降方式的翼身融合太阳能无人机。
表3 蒲公英“Ⅱ”号组合式翼身融合太阳能无人机基本参数
无人机如图5所示，采用的是HIT薄型高效单晶硅太阳能电池作飞机蒙皮，该电池片单片发电效率为23%（25℃，1000w/m2，光谱AM1.5条件下），太阳能铺片面积为1.7m2。实际测试，在光照强度为692 w/m2的工况下，整体太阳能电池组件的发电效率为19.2%。动力系统方面采用的是一级减速动力系统，来带动螺旋提供较大的推力。
图5 蒲公英“Ⅱ”号组合式翼身融合太阳能无人机
2.1 适用于低空环境的太阳能电池
太阳能电池又叫光伏电池（ＰＶ），是一种通过光电效应或者光化学效应直接将太阳光转换成电能的器件，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池根据制备材料的不同，可以分为晶体硅太阳能电池，薄膜太阳能电池，非晶硅太阳能电池，化合物太阳能电池，有机太阳能电池（聚合物太阳能电池），染料敏化太阳能电池。如图6光伏电池产生电流原理。
图6 光伏电池产生电流原理
太阳能电池是低空无人机的主要动力来源，面临不同的光照强度或者云层遮挡等条件下，要求并不仅仅是较高的转化效率，还需要电池具有良好的物理特性，如抗风性、耐高/低温变化、耐腐蚀、高可靠性等，未来低空太阳能电池发展需考虑这些因素。同时，适于低空无人机的太阳能电池与日常用于光伏发电站和家用的太阳能电池不一样，其不但要求重量轻和厚度薄，而且需要有一定的柔性，以便于铺设在机翼或其他机体的外表面。目前太阳能飞机上使用的多半为薄膜单晶硅太阳能电池和柔性薄膜多元化合物电池（如：砷化镓薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池等）。柔性薄膜太阳能电池与晶体硅片太阳能电池和硬衬底（如玻璃）薄膜太阳能电池相比，柔性薄膜太阳能电池具有可弯曲、不易破碎、质量轻等特点，但转化效率相对较低。而薄膜单晶硅太阳能电池是目前发展最快、最稳定、转化效率最高的太阳能电池，低空太阳能无人机现阶段使用最多。
2.2 合理的能源管理策略
能源系统方面，锂电池技术成熟，应用简单方便、安全性和可靠性都较好，目前国内外多数低空轻、微型太阳能无人机采用太阳能为主，锂电池为辅的两电混合能源系统。同时，燃料电池具有高能量密度、高效率，新型无人机采用太阳能、锂电/燃料电池的三电混合能源系统。
对混合能源进行管理，有利于提高能源的利用效率，如图7所示。低空太阳能无人机能源管理策略是混合能源管理系统的顶层核心部分，针对设计的无人机在不同工况下飞行，合理分配各系统的能源，既能合理高效地进行能量调配，同时，还可以实时地监测各种能源的使用量，从而扩展无人机的航程与航时。对于逐渐发展起来的低空太阳能无人机，随着动力系统以及机载设备、有效载荷用电需求增多，能量管理系统将更为复杂，自动化程度和可靠性要求都更高。未来，开发一套性能强大且高效、功能好用且安全的能量管理系统将是未来低空太阳能无人机发展的关键技术。
图7 混合能源系统
2.3 高效可靠的推进系统
在动力系统方面，低空太阳无人机采用的是电动推进系统。电动推进系统可分为直驱和减速两种动力系统，如图8所示。直驱动力系统直驱能具有转速高、稳定性好、可靠性高、效率高等优点，而减速动力系统通过降低转速来带动较大的螺旋桨，提高了推力和扭力，但也降低了其机构可靠性和动力系统的效率。直驱动力系统功耗大，所提供推力和扭矩较小，而低空太阳能无人机所能提供的功率通常偏小，难与直驱动力匹配，造成直驱电机重量和体积偏重。采用匹配减速动力系统，增强可靠性，可大幅降低电动机重量，也能提供较大的力矩和推力，如图9所示。同时，变桨距减速动力系统也是未来研究重点之一。
（a）直驱动力系统
（b）减速动力系统
图8 电动推进系统
图9 减速与直驱动力系统实际测试对比图
2.4 轻质高效的机体平台
2.4.1 低空气动布局设计
首先，翼型的选择直接影响着全机的气动特性，由于，太阳能无人机翼载较低，同时考虑能源动力提供较弱，翼型选取需重点考虑减阻。如果升力系数过小，需要增加速度来平衡重力，功率增加对能源要求也会增大。另外一方面，翼型选取需考虑是否利于电池的铺设，机翼不只是常规的平直翼，还有三角翼、边条翼等不同单、双曲度的机翼，对电池片有不利的影响。此外，无人机设计需考虑重心、后掠角等，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。对低空太阳能无人机而言，翼型的选取较为严格。
低空太阳能无人机设计与高空昼夜太阳能无人机不同，受飞行高度变化影响较小，但需要考虑抗风性、升阻比、太阳能电池片遮挡和贴片率等因素。目前太阳能电池的转化效率大约为10%-30%，效率不高，且不能像高空采用大展弦比机翼，需考虑联翼、飞翼、翼身融合等布局，来增加无人机抗风性，同时还增强机翼的刚度和提供较大的机翼面积铺设太阳电池组件，使太阳能无人机具有较大的升阻比和较低的翼载。
低空太阳能无人机起飞和降落时需由地面操作人员操控，同时在空中，受侧风等恶劣低空环境影响，所以需对无人机的纵向、横航向稳定性设计并计算校核。同时，需考虑无人机的飞行品质，确保低空太阳能无人机飞行安全和顺利完成既定飞行任务。
2.4.2 太阳能蒙皮铺设方案
太阳能蒙皮设计与铺设是低空太阳能无人机的难点之一。目前，太阳能电池片多数由发电效率高的单晶硅半柔性材料制成。在完成太阳能电池片单片的制作后采用高分子材料进行封装，封装后的组件具有一定强度，并具有缓冲能力、防水防尘等特点，所以在设计飞机时直接将太阳能电池组件作为机翼上表面蒙皮使用。太阳能蒙皮设计与铺设占无人机机体设计与制作的较大比例。如图10所示。
图10 太阳能蒙皮设计
在铺设方面，单晶硅太阳能电池模组虽然具有半柔性的特点，但是由于电机片自身材料限制，最大弯度只能达到30°左右。在设计飞机时，为了保证机翼上表面与蒙皮之间的紧密结合以及机翼气动外形完整度，需要对机翼的整体气动外形进行针对性设计以及对太阳能电池模组进行分块处理。
2.4.3 机体结构设计
为了减少能耗，太阳能无人机结构比一般无人机设计得更轻，同时要保证足够的强度。目前，结构（骨架、蒙皮）多半采用轻质非金属材料，其中主要承力结构通常采用碳纤维复合材料。低空机翼受侧风等恶劣环境因素影响，导致飞机在正常飞行条件下机翼会产生相当大的变形而大变形会对气动载荷重新分布和全机性能影响很大。这种气动/结构耦合的特点使得飞行器飞行受到限制，飞机机体结构受到影响，机翼的自然频率和机翼的气动弹性特性产生明显变化，给无人机带来了稳定性与安全性问题。
因此，需对太阳能无人机的结构进行设计与优化。首先，可通过复合材料的碳纤维铺层分布和铺层方向的优化设计，来减轻质量和增强结构的刚度，避免无人机结构“气动弹性发散”“颤振”的发生而导致结构变形发散、断裂，如图11所示。其次，可采用蒙皮骨架结构、框架式等结构，加入诸多隔框与封闭盒式结构，增强机翼结构，使机体有较强的抗扭转和抗弯曲能力。此外，太阳能无人机机翼结构设计变量多，影响因素复杂，需多方面的考虑。
图11 无人机气动弹性变形
2.5 航迹规划与飞行控制
无人机采用自动驾驶仪替代飞行员，完成飞机的飞行控制。作为无人机的“大脑”，自动驾驶仪可以控制它完成几乎所有的动作。现代自动驾驶仪主要包含机载飞行控制系统和地面站两部分，机载飞行控制系统主要由控制器、惯性测量组合、高度传感器、GPS 接收机、舵机、无刷直流电机和遥控接收器组成。低空太阳能无人机飞行环境丰富多变、任务要求复杂多样，且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区别较大，导致太阳能机翼的可用功率不同。通过合理的姿态控制与航迹规划，可使太阳能机翼可用能量与无人机消耗能量之差，即剩余能量最大；因此，需要对无人机进行能量最优的航迹规划。航迹规划在低空太阳能无人机轨迹设计，以及性能改进等传统问题中起着至关重要的作用。低空太阳能无人机航迹规划过程，不仅要考虑无人机的姿态控制问题，还需考虑太阳光照问题，使其所得到的能量最优。适用于低空太阳能无人机的飞行控制，需根据航迹控制无人机姿态，使机翼转向太阳以获得最优的能量。自动驾驶仪是未来低空太阳能无人机的“核心”，需要根据太阳能无人机的特点，有针对性的进行研究和开发。
本文针对面向应用的低空太阳能无人机，从太阳能电池、能源与动力系统和无人机机体平台三个主要方面的技术难点展开研究与分析。在太阳能电池方面，目前电池转化效率和弯度还不能很好匹配无人机机翼上表面，随着各种轻质、低成本柔性薄膜电池和多元化合物电池发展，未来会提高无人机的动力电源效率;在能源动力方面，其是无人机的核心，根据不同布局的低空太阳能无人机，设计和选取匹配的能源与动力系统，使无人机达到最佳效率输出;在机体平台方面，太阳能无人机需考虑低空恶劣环境、多次起降等影响实用性因素，可考虑联翼、翼身融合等不同布局，同时采用轻质复合材料来增强结构实用性。未来，随着适用于低空环境关键技术的突破，将会有更多高效且实用的低空太阳能无人机运用于人类的活动。
[引用格式]：曹潇,王正平,贺云涛,等. 低空太阳能无人机研究现状及关键技术研究[J]. 战术导弹技术, 2019, (1): 64-71.
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