長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)設(shè)計(jì)及能源管理

孟軍輝（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院）

長航時(shí)無人機(jī)由于其留空時(shí)間長，可廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域的空中監(jiān)控與偵察，近年來得到廣泛的關(guān)注。由于長時(shí)留空的需求，能源動(dòng)力系統(tǒng)成為其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，以太陽能、燃料電池、鋰電池等多種混合能源為動(dòng)力的新型無人機(jī)逐漸進(jìn)入公眾視野。參考混合動(dòng)力汽車行業(yè)的發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)高效的能量輸出與供給，無人機(jī)能源控制及管理成為其設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

長航時(shí)無人機(jī)因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)長時(shí)間空中巡航，非常適用于以信息技術(shù)為主的現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭中敏感地區(qū)不間斷的實(shí)時(shí)情報(bào)偵察和監(jiān)視，甚至被稱為“大氣層衛(wèi)星”，因此得到了世界很多國家和地區(qū)的重視，各科研機(jī)構(gòu)圍繞長航時(shí)無人機(jī)開展了大量的相關(guān)試驗(yàn)和研究，并有相關(guān)型號(hào)問世。另外，長航時(shí)無人機(jī)在民用領(lǐng)域也擁有廣闊的應(yīng)用前景，主要包括氣象檢測、地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)檢測、沿海無線監(jiān)控、地理信息測繪、農(nóng)業(yè)信息監(jiān)管等。由于長時(shí)間駐空飛行的需求，輕質(zhì)高效的能源供給成為長航時(shí)無人機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳統(tǒng)的化石燃料能源已經(jīng)成為其航時(shí)的巨大阻礙。在提升無人機(jī)性能的同時(shí)，各研究機(jī)構(gòu)的研究焦點(diǎn)主要集中在太陽能、氫能等新型能源的利用上，希望能給長航時(shí)無人機(jī)的發(fā)展帶來新的動(dòng)力。

美軍在無人機(jī)的發(fā)展方面提出了不同種類各層面梯次搭配的無人機(jī)家族。小型長航時(shí)無人機(jī)載荷重量和尺寸都存在限制，但同時(shí)也具有操縱更加簡單、靈活，飛行更加安全，成本相對(duì)較低等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段化石燃料的供應(yīng)趨緊和空氣污染的日益加重，同時(shí)更高能量密度和更大供電功率能源的快速發(fā)展，使得小型長航時(shí)無人機(jī)逐漸向著尺寸更小、續(xù)航時(shí)間更久的方向發(fā)展。

航空和地面車輛中常用儲(chǔ)能原件Ragone圖。

長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)能源動(dòng)力系統(tǒng)

能源動(dòng)力系統(tǒng)是長航時(shí)無人機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的部分?，F(xiàn)階段研制的電動(dòng)無人機(jī)多數(shù)采用鋰電池等蓄電池作為能源。參考幾種在航空和車輛常用的儲(chǔ)能原件Ragone圖可以看出，鋰電池等化學(xué)電池的功率密度較高，適合短時(shí)間高功率放電，但其能量密度小，無法滿足長航時(shí)無人機(jī)長時(shí)間放電的需求；與化學(xué)電池相比，以氫燃料電池為代表的燃料電池能量密度較高，適合小功率長時(shí)間放電；但同時(shí)功率密度也相對(duì)較小，不適合高功率短時(shí)放電。另外，由于當(dāng)前的儲(chǔ)氫等燃料電池存儲(chǔ)技術(shù)尚處于起步階段，使得燃料電池?zé)o人機(jī)的航時(shí)同樣受到影響。因此，將傳統(tǒng)鋰電池與燃料電池和太陽能電池等新型能源搭配組成混合能源，成為解決長航時(shí)無人機(jī)供電功率與續(xù)航時(shí)間之間的矛盾的有效途徑。

長航時(shí)無人機(jī)由于可以長時(shí)間留空飛行，使用太陽能電池將源源不斷的太陽輻射帶來的能量轉(zhuǎn)化為電能理所當(dāng)然成為其能量來源的首選。太陽能無人機(jī)通過光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)利用儲(chǔ)能電池將多余的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，理論上可實(shí)現(xiàn)晝夜24小時(shí)不間斷的飛行。但是，現(xiàn)階段太陽能電池的發(fā)電效率相對(duì)較低，大面積的光伏電池及其安裝系統(tǒng)給無人機(jī)的結(jié)構(gòu)重量帶來了很大壓力；同時(shí)，對(duì)于低空飛行的小型長航時(shí)無人機(jī)而言，其飛行環(huán)境的太陽光照條件受云層遮擋、大氣衰減等環(huán)境影響較大，嚴(yán)重影響了無人機(jī)的續(xù)航性能。

總體而言，對(duì)于長航時(shí)無人機(jī)，單獨(dú)的太陽能電池或者燃料電池能源系統(tǒng)基本解決了化石能源帶來的環(huán)境問題，甚至通過與鋰電池的混合可實(shí)現(xiàn)跨晝夜的長時(shí)間飛行。但能源管理系統(tǒng)帶來的無人機(jī)總體重量的增加使得其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是機(jī)翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度做出了很大的犧牲，導(dǎo)致其工作環(huán)境基本被限定在氣流較為平緩的平流層。因此，鑒于太陽能電池可以不斷獲得能量供給的特點(diǎn)，將燃料電池與鋰電池結(jié)合的能源系統(tǒng)中加入太陽能電池，形成三者混合的動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)揮各自能源的優(yōu)勢，或許將會(huì)成為發(fā)展長航時(shí)無人機(jī)，特別是低空小型長航時(shí)無人機(jī)的解決之道。

長航時(shí)無人機(jī)典型任務(wù)剖面圖。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

多能源混合技術(shù)首先在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。對(duì)于混合動(dòng)力汽車，一般是指油電混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV），即采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（柴油機(jī)或汽油機(jī)）和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，也有的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過改造使用其他替代燃料，如壓縮天然氣、丙烷和乙醇燃料等。清華大學(xué)田光宇教授在2001年提出混合動(dòng)力汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)基本可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式3種。在選型中，需要考慮車輛的使用條件、性能要求和成本、使用維護(hù)費(fèi)用等因素，這對(duì)于無人機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)提供一定的參考。

目前，國內(nèi)外關(guān)于太陽能/氫能混合動(dòng)力的研究大多集中于太陽能/氫能聯(lián)合發(fā)電領(lǐng)域，主要用于大型光伏電池陣列與氫燃料電池共同工作的并網(wǎng)發(fā)電。在航空無人機(jī)領(lǐng)域，為了追求更長的航時(shí)，也有研究者對(duì)光伏電池與燃料電池相結(jié)合的途徑進(jìn)行了研究。M.Harmats和D.Weihs于1999年對(duì)混合動(dòng)力高空長航時(shí)無人機(jī)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了較為詳盡的闡述，在整機(jī)氣動(dòng)性能分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合能量平衡的要求，對(duì)無人機(jī)翼面積進(jìn)行了設(shè)計(jì)?；旌蟿?dòng)力無人機(jī)并非簡單地在現(xiàn)有太陽能無人機(jī)或燃料電池?zé)o人機(jī)的基礎(chǔ)上增加新的能源系統(tǒng)，需要重新進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。美國在太陽能無人機(jī)的基礎(chǔ)上加裝燃料電池，以解決蓄電池能量密度低的問題，結(jié)果由于高翼載荷下遇到湍流而引起大柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)失效而墜毀。美國伊利諾理工大學(xué)提出了太陽能/氫能混合的方案，通過仿真說明了理論上的可行性，但并沒有進(jìn)行飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。韓國宇航研究院在燃料電池?zé)o人機(jī)的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)并增加了太陽能電池，完成了22h8min連續(xù)飛行試驗(yàn)，證明了低空太陽能/氫能混合動(dòng)力無人機(jī)方案的可行性。

現(xiàn)階段我國對(duì)于長航時(shí)無人機(jī)的研究，大多側(cè)重于高空無人機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)于低空混合動(dòng)力無人機(jī)的研究相對(duì)較少。國內(nèi)有專家提出了太陽能/氫能混合動(dòng)力無人機(jī)概念，開展了混合動(dòng)力小型無人機(jī)總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，并搭建了太陽能/氫能混合動(dòng)力無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)能源控制地面測試平臺(tái)，使用質(zhì)子交換膜燃料電池、太陽能電池和蓄電池進(jìn)行了能源系統(tǒng)運(yùn)行與切換的地面試驗(yàn)。2012年，我國“雷鳥”（LN60F）無人機(jī)，采用全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。以氫燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ矗囯姵刈鳛檩o助動(dòng)力源的無人試驗(yàn)機(jī)在沈陽某機(jī)場首飛取得圓滿成功。近年來，混合動(dòng)力技術(shù)已經(jīng)在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用，實(shí)踐證明這是一種行之有效的新技術(shù)，可以預(yù)見它在航空領(lǐng)域必定有著廣闊的前景。

長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力無人機(jī)總體設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案的過程，涉及到多個(gè)學(xué)科，且不同學(xué)科之間往往存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)過程要以能量為核心，建立供能關(guān)系、升力與重力的關(guān)系。對(duì)于常規(guī)固定翼飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)流程，定義任務(wù)需求，即確定任務(wù)剖面，對(duì)于確定燃油質(zhì)量系數(shù)及各飛行階段飛機(jī)重量極其重要。對(duì)于無人機(jī)，尤其是長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)來說，確定任務(wù)剖面成為更加重要的問題?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)所涉及到的太陽能電池、燃料電池和儲(chǔ)能鋰電池等系統(tǒng)，針對(duì)不同任務(wù)需求制定控制策略，優(yōu)化控制能量合理流動(dòng)，使得長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求的條件下等效燃油消耗量較少且運(yùn)行穩(wěn)定的目的。另外，混合動(dòng)力系統(tǒng)中太陽能電池、燃料電池和儲(chǔ)能鋰電池等電學(xué)輸出特性不僅受溫度、氣壓等大氣環(huán)境影響，還受到飛機(jī)姿態(tài)、太陽光照環(huán)境和大氣成分等影響，不同任務(wù)需求對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大的影響。

相比于常規(guī)的固定翼飛機(jī)，長航時(shí)無人機(jī)存在著自身的特點(diǎn)。機(jī)翼尺寸大、翼載荷小、超大展弦比和結(jié)構(gòu)輕等特點(diǎn)使得長航時(shí)無人機(jī)結(jié)構(gòu)較弱，氣動(dòng)彈性問題嚴(yán)重，影響飛機(jī)的操控性、穩(wěn)定性和安全性。在太陽能、鋰電池、燃料電池等多種混合能源的基礎(chǔ)上，結(jié)合重量平衡、能量平衡的設(shè)計(jì)原則，考慮無人機(jī)重量/能量耦合關(guān)系，以翼展、展弦比等無人機(jī)參數(shù)作為主要設(shè)計(jì)變量，對(duì)無人機(jī)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先，對(duì)于重量平衡，需要滿足長航時(shí)無人機(jī)各部分總量之和等于全機(jī)升力，并且重心和焦點(diǎn)等相對(duì)位置需要滿足穩(wěn)定性要求，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)整體配平狀態(tài)。其次，對(duì)于能量平衡，需要滿足長航時(shí)無人機(jī)飛行過程中各個(gè)階段能量消耗量與多種混合能源提供的總能量相等。此外，無人機(jī)在長時(shí)間駐空飛行過程中，需要時(shí)刻滿足功率需求，即電源系統(tǒng)所能夠提供的功率輸出不小于無人機(jī)飛行所需總功率。

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能源管理策略類型。

長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)能源控制與管理

長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)動(dòng)力能源多樣，不同任務(wù)需求條件下需要滿足重量平衡、能量平衡以及功率需求等要求，因此不同能源系統(tǒng)之間的控制及分配管理成為長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)的靈魂。

根據(jù)飛行剖面中不同的飛行階段，起飛段和爬升段需用功率較大，單種能源無法滿足需求功率要求，可考慮采用多種能源混合輸出模式。巡航段優(yōu)先使用太陽能電池，在光照條件不滿足要求時(shí)可考慮使用燃料電池作為主要能源，全過程中鋰電池作為輔助能源使用。降落段和著陸段，太陽能電池、氫燃料電池和鋰電池等可根據(jù)電量和功率等要求進(jìn)行任意的組合，這就需要對(duì)能源分配進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前混合動(dòng)力汽車經(jīng)過長期理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)積累，已經(jīng)取得較好的結(jié)果。因此，在設(shè)計(jì)長航時(shí)混合動(dòng)力無人機(jī)能量管理系統(tǒng)時(shí)，可借鑒混合動(dòng)力汽車能量管理的成功經(jīng)驗(yàn)。

目前，在混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究較多的能量控制策略主要有基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)化的控制策略兩種。對(duì)比分析兩種不同的控制策略可知，基于規(guī)則的控制策略可以對(duì)汽車的功率分配進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理，并且易于工程實(shí)現(xiàn)，因而實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較多。但是，這種控制策略所采用的規(guī)則多來源于設(shè)計(jì)師的直覺感知、工程經(jīng)驗(yàn)和建模仿真，不依賴于特定的工況或工作循環(huán)?；趦?yōu)化的控制策略需要知道車輛在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的全部數(shù)據(jù)，然后才能對(duì)控制過程進(jìn)行優(yōu)化求解，因?yàn)闊o法預(yù)知未來的車輛工況數(shù)據(jù)，所以該方法在實(shí)際工程中應(yīng)用的難度較高。

與混合動(dòng)力汽車相比，長航時(shí)無人機(jī)中關(guān)于混合動(dòng)力的研究相對(duì)薄弱。現(xiàn)階段僅有少數(shù)人研究了用于無人機(jī)能量控制的邏輯門限管理策略和神經(jīng)模糊自適應(yīng)管理策略，尚沒有出現(xiàn)關(guān)于無人機(jī)能量管理策略優(yōu)化的研究?；趦?yōu)化的無人機(jī)能量管理的實(shí)現(xiàn)，除了需要考慮算法本身的局限性外，還需要考慮無人機(jī)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的功重比要求的約束。能夠進(jìn)行主動(dòng)優(yōu)化控制的混合動(dòng)力系統(tǒng)，同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)重量的增加，從而降低混合動(dòng)力所帶來的優(yōu)勢。

結(jié)束語

本文介紹了長航時(shí)無人機(jī)發(fā)展過程中新的嘗試——混合動(dòng)力無人機(jī)?；旌蟿?dòng)力無人機(jī)總體設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案的過程，涉及到多個(gè)學(xué)科，且不同學(xué)科之間往往存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)過程要以能量為核心，在太陽能、燃料電池和鋰電池等多種混合能源的基礎(chǔ)上，結(jié)合重量平衡和能量平衡的設(shè)計(jì)原則，對(duì)無人機(jī)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)任務(wù)剖面中不同的飛行階段，參考混合動(dòng)力汽車，對(duì)長航時(shí)無人機(jī)多種混合能源進(jìn)行分配與控制，成為提高其續(xù)航時(shí)間，增加載荷量的有效手段。 ■