平流層飛艇能源系統(tǒng)可靠性研究

劉劍， 王庶， 陳吉安

（1.上海飛機客戶服務有限公司，上海 200240；2.上海交通大學航空航天學院，上海 200240；3.同濟大學電信學院，上海 201804）

0 引言

由于平流層飛艇具有很高的軍民戰(zhàn)略使用價值，近年來成為各國研究的熱點。平流層飛艇具有費效比高、機動性好、持續(xù)工作時間長、覆蓋范圍廣、生存力強、滯空時間長以及易以更新和維護等優(yōu)點。它可以在戰(zhàn)場指揮與控制、通信、監(jiān)視和偵察、實時跟蹤以及邊境控制等方面發(fā)揮巨大的作用。

平流層飛艇一般飛行在約20 km高度，具有時速30 m/s的風中、定點懸浮和機動飛行能力，其滯空時間可長達數(shù)月或1年以上。因此，其能源系統(tǒng)的設計對于飛艇設計工作至關重要，必須具有高可靠性，確保飛艇能夠長時間地正常工作。

文獻 [1-5]對平流層飛艇的能源系統(tǒng)進行了介紹，描述了能源系統(tǒng)的組成和功能。文獻 [2-4]給出了飛艇能源系統(tǒng)的試驗結果，但并未涉及能源系統(tǒng)可靠性設計的相關討論。文獻 [6]研究高空無人飛機的初步可靠性設計問題，雖然研究了電機推進配置、機隊可靠性及太陽能電池陣可靠性方面的問題，但也未從總體上論述能源系統(tǒng)的可靠性。本文對平流層飛艇的能源系統(tǒng)基本可靠性：太陽能電池陣、可再生燃料電池、拓撲可靠性3個方面的內容進行了研究，對能源系統(tǒng)與推進系統(tǒng)的基本組合可靠性進行了分析和研究，并提出可靠性改進的組合模型。

1 平流層飛艇能源系統(tǒng)的概述

為了滿足平流層飛艇長時間高空飛行的要求，飛艇能源系統(tǒng)必須具有長時間電能供給和免維護能力。因此其能源系統(tǒng)必須采用由太陽能電池陣和電池組組成的可再生能源系統(tǒng)，保證長時間的電源供給。由于飛艇承載重量的限制，希望能源系統(tǒng)具有最小的重量和最大的功率，平流層飛艇普遍采用新能源技術：薄膜太陽能電池陣和可再生氫氧燃料電池。薄膜太陽能電池重量輕，可彎曲，非常適合于安裝在飛艇囊體的表面。典型的非晶硅薄膜太陽能電池陣的重量約為0.12 kg/m2，遠低于空間站太陽電池陣的1.3 kg/m2[1]。可再生氫氧燃料電池的比能量可達400～600 W·h/kg，遠高于比能量150 W·h/kg的鋰離子電池[7]。因此，柔性薄膜太陽能電池陣和可再生氫氧燃料電池系統(tǒng)成為飛艇能源系統(tǒng)的最佳選擇。

典型的飛艇可再生能源系統(tǒng)示意圖如圖1所示，由薄膜太陽電池陣、可再生氫氧燃料電池組和能源管理系統(tǒng)組成。薄膜太陽能電池陣敷設在飛艇的表面，白天吸收太陽能并轉化為電能，供給飛艇負載使用；多余的電能儲存在燃料電池組中，補充夜間釋放的能量。在夜間，沒有太陽能輸入時，依靠可再生氫氧電池組的放電供給負載工作。

圖1 平流層飛艇能源系統(tǒng)示意圖

2 能源系統(tǒng)基本可靠性研究

2.1 薄膜太陽能電池陣可靠性

薄膜太陽能電池陣敷設在飛艇的表面，為飛艇提供電能。由于單片薄膜太陽能電池的電壓、電流值比較低，不能滿足最終功率的輸出要求。在組成太陽能電池陣時，必須由多個太陽能電池片串聯(lián)后組成單路太陽電池串，再多路并聯(lián)組成，示意圖如圖2所示。其可靠性模型為各個太陽能電池片串聯(lián)，單路電池串可靠度計算公式為：

式 （1）中：RC——太陽電池片的可靠度；

RW——太陽電池串引線可靠度；

RD——單路太陽電池串隔離二極管的可靠度。

整個太陽電池陣的可靠度為：

圖2 太陽能電池陣原理圖

薄膜太陽能電池陣的可靠度提高有兩種方式：1）提高電池陣電路器件的內在可靠性，如電池片提高表面平整度以降低泄露阻抗[8]，封裝改進、降低雜質、上下電極焊點多點冗余[9]、隔離二極管I級降額使用、電纜多線并聯(lián)等措施；2）整體并聯(lián)冗余，太陽能電池陣總共設置n路并聯(lián)，其中k路是滿足要求的功率所必須的并聯(lián)數(shù)，其余n-k路為冗余。即最多允許損失n-k路太陽電池串，太陽能電池陣仍然能夠正常工作。其可靠性計算公式如公式 （3）所示：

表1給出了薄膜太陽電池陣電路的器件失效率。假定由100片電池片串聯(lián)后，20路并聯(lián)組成太陽電池陣，要求工作時間1年，則太陽電池陣可靠度為0.981 681。如果期望太陽能電池陣可靠度大于0.999 5，則需要1路冗余。圖3給出了工作時間3～12個月4種情況下，冗余數(shù)與太陽能電池陣的可靠度數(shù)值變化關系?？梢钥闯?，隨著冗余支路的增加，可靠性也在增加。

表1 太陽電池陣器件失效率表

圖3 太陽電池陣可靠度與冗余關系

2.2 可再生氫氧燃料電池可靠性

可再生氫氧燃料電池由燃料電池和電解器兩部分組成。燃料電池部分包括燃料電池堆、氫氣罐、氧氣罐、閥門、調節(jié)閥、過濾器、管路、傳感器和控制器。電解器部分包括電解器、加熱的電水箱、連接至氫氣罐和氧氣罐的管路和閥門。圖4給出了可再生氫氧燃料電池的原理圖。

圖4 可再生氫氧燃料電池原理圖

假定可再生燃料電池系統(tǒng)的各個部件相互獨立，互不影響，且可靠度服從泊松模型，則該系統(tǒng)的可靠性模型為串聯(lián)模型，為各個部件串聯(lián)。即該系統(tǒng)是沒有冗余的。表2給出了可再生燃料電池部件的失效率統(tǒng)計表。由表中數(shù)據可算得，總失效率為15.58*10-61/h，則工作一年的可靠度為0.872 423。如果期望可靠度大于0.95，則該系統(tǒng)必須采取措施進行可靠性改進。

表2 燃料電池系統(tǒng)失效率統(tǒng)計表

可再生燃料電池的可靠性提高有兩種方式：1）提高系統(tǒng)內在可靠性，即盡可能地減少系統(tǒng)中不必要的部件，提高部件的可靠性，如選擇更高質量的質子交換膜等部件，減少使用時間，減少污染[10]；2）通過冗余來提高可靠性。這又分為兩種方式：1）采用部件級冗余方式，如采用雙氫氣罐、雙氧氣罐、雙進氣管道等措施可以提高單個可再生燃料電池的可靠性指標；2）采用系統(tǒng)級冗余并聯(lián)方式，如設置多套可再生燃料電池系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都能滿足系統(tǒng)最大負載輸出功率需求。其可靠度變化情況如表3所示。要求可靠度大于0.95時，兩個燃料電池系統(tǒng)并聯(lián)能夠滿足要求。

表3 燃料電池系統(tǒng)可靠度與冗余關系

2.3 能源系統(tǒng)的拓撲與可靠性

平流層飛艇能源系統(tǒng)的工作環(huán)境與航天器的工作環(huán)境類似，因此其能源系統(tǒng)的拓撲結構與航天器相同。從能量傳輸?shù)慕嵌葋砜矗茉聪到y(tǒng)的拓撲結構可以分為兩大類：直接能量傳遞方式 （DET）和峰值功率跟蹤方式 （PPT）[11]。

直接能量傳遞方式是指太陽能不經過連接元件直接傳遞給負載。電路的典型拓撲結構如圖5所示。峰值功率跟蹤方式是在太陽能電池陣、蓄電池組和負載之間，引入一個串聯(lián)開關調節(jié)器，調節(jié)太陽電池陣的輸出電壓始終設定在輸出功率最大的電壓值上。電路的拓撲結構如圖6所示。

圖5 DET拓撲圖

圖6 PPT拓撲圖

能源系統(tǒng)從母線電壓的調節(jié)方式上又可以分為3種方式：不調節(jié)母線、部分調節(jié)母線和全調節(jié)母線。在能源系統(tǒng)的拓撲中，反映了分流調節(jié)器（SR）和放電調節(jié)器 （BDR）的配置情況。在不調節(jié)母線的方式中，沒有設置SR和BDR；在白天或夜間，能源系統(tǒng)的母線電壓都是波動變化的。在部分調節(jié)母線的方式中，僅設置了SR。在白天，由于SR的作用，始終保持母線電壓是穩(wěn)定的；在夜間，母線電壓是變化的。在全調節(jié)母線的方式中，設置了SR和BDR，在白天和黑夜，母線電壓都是穩(wěn)定的。

飛艇能源系統(tǒng)的兩種拓撲分類方式可以進行組合，組合方式如表4所示。

表4 能源系統(tǒng)拓撲分類組合

飛艇能源系統(tǒng)拓撲的可靠性框圖如圖7所示。其可靠性模型為各個模塊串聯(lián)?？煽啃杂嬎愎綖椋?/p>

圖7 能源系統(tǒng)可靠性框圖

飛艇能源系統(tǒng)的不同拓撲，其可靠性變化如圖8所示。在直接傳輸方式中，不調節(jié)母線所設置的控制模塊最少，其可靠性最高；全調節(jié)母線所設置的控制模塊最多，其可靠性最低。峰值功率傳輸只有半調節(jié)和全調節(jié)兩種拓撲結構方式。半調節(jié)方式的可靠性高于全調節(jié)方式。在實際的設計過程中，可以根據母線電壓設計波動范圍要求，能源系統(tǒng)的可靠性指標進行權衡，選擇合適的拓撲結構。

圖8 電源系統(tǒng)拓撲可靠性

3 能源系統(tǒng)與推進系統(tǒng)組合可靠性研究

3.1 推進系統(tǒng)配置與可靠性

平流層飛艇推進系統(tǒng)由直流電動機、齒輪箱和螺旋槳組成。飛艇的推進器配置方案主要有以下3種：尾部推進、兩側推進、尾部加兩側推進[12-14]。尾部推進采用單尾部矢量電機，實現(xiàn)矢量推力。從可靠性的角度來講，由于不存在冗余措施，其可靠度是較低的。

在兩側推進中，推進器安裝在飛艇兩側，距離質心較遠，可以提供較大的偏航力矩。同時，通過改變螺旋槳的旋轉可以實現(xiàn)飛艇傾斜或偏航控制，實現(xiàn)升降舵和方向舵面的功能。如果飛艇具有升降舵和方向舵面，且單側推進器的推力足以使得飛艇完成各項功能，則兩個推進器可以互為冗余。否則，該種推進方式，不具有冗余，為單點。

尾部加兩側推進，這種方式結合了前面兩種方式的優(yōu)勢，但是，也帶來了結構重量方面的問題。從可靠性角度來說，該種方案是具有冗余的。尾部推進器與兩側推進器互為冗余，都可以使得飛艇完成各種飛行功能。這種方案的可靠性最高。

表5給出了推進系統(tǒng)部件的失效率統(tǒng)計表[15]。如果要求工作壽命為1年，則推進系統(tǒng)的可靠度為0.811 534。假定尾部推進配置和兩側推進配置選用相同的零部件，則3種方案的可靠度如表6所示。尾部加兩側推進方案的可靠度最高，為0.935 655。

表5 推進系統(tǒng)部件失效率統(tǒng)計表

表6 推進方案可靠度表

3.2 基本組合可靠性

基本組合是能源系統(tǒng)作為一個整體輸出功率給各個驅動電機，其可靠性框圖如圖9所示，為串聯(lián)模型?？煽慷葹楦鳝h(huán)節(jié)可靠度乘積，計算公式為：

由于DET模式下能源系統(tǒng)有3種拓撲，推進系統(tǒng)有3種配置。因此，兩系統(tǒng)組合后共有9種組合。圖10給出了9種組合的可靠度?？梢钥闯?，不調節(jié)拓撲和尾部與兩側推進配置的組合可靠度最高，為0.901 858。而 全調節(jié)拓撲和尾部與兩側推進配置的組合可靠度僅為0.771 63。

圖9 基本組合可靠性框圖

圖10 拓撲組合可靠性

3.3 可靠性改進組合

依據可靠性設計原理，通過并聯(lián)方式可以提高可靠性。結合推進電機冗余方式，重新設計后的能源與推進系統(tǒng)組合方式如圖11所示。圖中設置了兩個能源子系統(tǒng)。在正常工作模式時，能源子系統(tǒng)1給尾部推進子系統(tǒng)供電，能源子系統(tǒng)2給兩側推進系統(tǒng)供電；當一個能源子系統(tǒng)失效時，可閉合開關，由另外一個能源子系統(tǒng)同時給尾部推進子系統(tǒng)和兩側推進子系統(tǒng)供電。

圖11 可靠性改進組合

圖12 改進組合可靠性框圖

假設開關完全可靠，這種可靠性增強組合的可靠性框圖如圖12所示。共有4種冗余工作狀態(tài)。經過簡化，其可靠性框圖如圖13所示?？梢钥闯瞿茉聪到y(tǒng)1與能源系統(tǒng)2并聯(lián)，尾部推進子系統(tǒng)與兩側推進子系統(tǒng)并聯(lián)。兩部分再串聯(lián)。在前述可靠性配置條件不變的情況下，組合的可靠度為0.906 901，提高了約17.5%。

圖13 簡化的可靠性框圖

4 結束語

本文對平流層飛艇能源系統(tǒng)的可靠性進行了研究。首先介紹了飛艇的能源系統(tǒng)組成。然后研究了能源系統(tǒng)基本拓撲的可靠性，從太陽電池陣、可再生燃料電池和拓撲3個方面分別展開。通過太陽能電池片并聯(lián)組合設置冗余，可以提高太陽電池陣的可靠性。通過提高燃料電池內部部件的可靠性，設置部件冗余和系統(tǒng)級冗余，可以切實地提高燃料電池的可靠性。在能源系統(tǒng)的拓撲方面，研究了兩大類拓撲及其組合拓撲的可靠性，指出簡單拓撲的可靠性最高。最后對能源系統(tǒng)與推進系統(tǒng)結合的可靠性問題進行了研究，研究了簡單結合的可靠性，并在此基礎上提出了可靠性增強的能源系統(tǒng)與推進系統(tǒng)拓撲構成方案。結果顯示，可靠性提高了17.5%。

通過對平流層飛艇能源系統(tǒng)可靠性的研究，為飛艇能源系統(tǒng)的可靠性設計提供了強有力的支撐。

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