可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)設(shè)計

邢琳琳+高培新

摘 要： 由于可參考的陸運(yùn)和海運(yùn)混合動力系統(tǒng)與空運(yùn)混合動力系統(tǒng)存在較大差別，曾設(shè)計出的可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)均存在一定問題。因此，設(shè)計一種擁有強(qiáng)攀升能力和強(qiáng)能量優(yōu)化能力的可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠發(fā)動機(jī)和太陽能電池為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。在可續(xù)航探測飛行器的啟停、攀升和下落過程中，使用914型航空發(fā)動機(jī)利用燃料為其提供能量；而在探測過程中，系統(tǒng)將多個太陽能電池并聯(lián)起來，共同為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分給出了太陽能電池模型函數(shù)，以及系統(tǒng)能耗獲取流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計的混合動力系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的攀升能力和能量優(yōu)化能力。

關(guān)鍵詞： 可續(xù)航探測飛行器； 混合動力系統(tǒng)； 914型航空發(fā)動機(jī)； 太陽能電池

中圖分類號： TN602?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0132?04

Design of hybrid power system for sustainable detecting aircraft

XING Linlin， GAO Peixin

（Flight College， Binzhou University， Binzhou 256603， China）

Abstract： Since the air transportation hybrid power system is very difference from the referable land transportation and marine transportation hybrid power systems， the previously?designed hybrid power systems for the sustainable detecting aircraft have a certain problem. Therefore， a hybrid power system for sustainable detecting aircraft with strong climbing ability and strong energy optimization ability was designed. The system depends on the aircraft engine and solar cell to supply the energy for the sustainable detecting aircraft. The 914?type fuel aircraft engine supplies the energy for the sustainable detecting aircraft during start， stop， rise and fall. The multiple solar cells are paralleled in the system in the detecting process to supply the energy for the sustainable detecting aircraft. The model function of the solar cell and flow chart of the system energy consumption acquisition are given in System Implementation section in the paper. The experimental result shows that the hybrid power system has strong climbing ability and energy optimization ability.

Keywords： sustainable detecting aircraft； hybrid power system； 914?type aero?engine； solar cell

0 引 言

由汽車領(lǐng)域首先提出的混合動力系統(tǒng)，是近些年科研組織的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目，其已被廣泛應(yīng)用于陸運(yùn)和海運(yùn)領(lǐng)域。將混合動力系統(tǒng)應(yīng)用于可續(xù)航探測飛行器，是一項(xiàng)極具發(fā)展前景的項(xiàng)目[1?3]。混合動力系統(tǒng)雖能夠有效增強(qiáng)可續(xù)航探測飛行器的各項(xiàng)飛行性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于可參考的陸運(yùn)和海運(yùn)混合動力系統(tǒng)與空運(yùn)混合動力系統(tǒng)存在較大差別，科研組織對其設(shè)計方向往往存在偏差，使曾設(shè)計出的可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)無法擁有較強(qiáng)的攀升能力和能量優(yōu)化能力。因此，設(shè)計一種擁有強(qiáng)攀升能力和強(qiáng)能量優(yōu)化能力的可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)，對我國空運(yùn)技術(shù)領(lǐng)域有著重要意義[4?6]。

曾設(shè)計出的可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)都或多或少地存在一些問題。如文獻(xiàn)[7]設(shè)計DA36E可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用串聯(lián)式設(shè)計，以電動機(jī)為系統(tǒng)的主要供能設(shè)備，并利用發(fā)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)輔助供能，極大地縮減了可續(xù)航探測飛行器的能耗，但整個系統(tǒng)的能量優(yōu)化能力卻不高。文獻(xiàn)[8]設(shè)計“灰面鷲”可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠鋰電池和燃料電池，為“灰面鷲”可續(xù)航探測飛行器提供了強(qiáng)勁的攀升能力，但系統(tǒng)的能量優(yōu)化能力較弱、耗能較大。文獻(xiàn)[9]設(shè)計基于燃料電池和鋰電池的續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)是對文獻(xiàn)[8]中系統(tǒng)的改進(jìn)，其在維持原系統(tǒng)攀升能力的同時，大力改進(jìn)了“灰面鷲”可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的能量優(yōu)化能力，是當(dāng)今社會較為成熟的續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)。但該系統(tǒng)的造價昂貴，維護(hù)成本也不低，無法對其進(jìn)行大面積推廣。

1 可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)依靠發(fā)動機(jī)和太陽能電池為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

由圖1可知，可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)主要依靠燃料為其提供能量，太陽能電池則主要依靠太陽能為其提供能量?？衫m(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的設(shè)計原理是在發(fā)動機(jī)供能的基礎(chǔ)上，將太陽能電池收集到的太陽能經(jīng)由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換為可續(xù)航探測飛行器能夠利用的機(jī)械能，以減少燃料使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1.2 發(fā)動機(jī)設(shè)計

發(fā)動機(jī)是可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的主要能源供應(yīng)裝置，其能夠?qū)⑵渌问降哪苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能供可續(xù)航探測飛行器使用。可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)選用ROTAX公司生產(chǎn)的914型航空發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)被廣泛應(yīng)用于輕型飛行器中，其優(yōu)勢有目共睹。914型航空發(fā)動機(jī)擁有電子啟動功能和雙重保護(hù)電子點(diǎn)火，其最大轉(zhuǎn)速為5 800 r/min，輸出功率為73.5 kW，獨(dú)立干式機(jī)油箱容量為3 L，以上參數(shù)保證了914型航空發(fā)動機(jī)能夠?yàn)榭衫m(xù)航探測飛行器提供較強(qiáng)的起飛能力和攀升能力。在可續(xù)航探測飛行器的啟停、攀升和下落過程中，由于此時的能耗波動較大，可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)主要依靠914型航空發(fā)動機(jī)為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。而在波動較為平穩(wěn)的探測過程，系統(tǒng)主要利用太陽能電池為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。當(dāng)914型航空發(fā)動機(jī)或太陽能電源損壞時，兩者也能夠互相供電，以維持可續(xù)航探測飛行器的正常運(yùn)行。914型航空發(fā)動機(jī)同太陽能電池切換電路如圖2所示。圖2中的a，b，c，x分別代表電路軸線的固定齒輪，齒輪公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)方向在不同可續(xù)航探測飛行器中不同的選擇；z1～z4代表電路中齒輪變速設(shè)備的專用齒輪。當(dāng)變速設(shè)備的專用齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時，914型航空發(fā)動機(jī)和齒輪a也會跟隨一同運(yùn)轉(zhuǎn)。由于齒輪a，b，c三者互為相切安裝狀態(tài)，故齒輪b，c也會同時運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽能電池根據(jù)變速設(shè)備的轉(zhuǎn)速確定自身該何時開始工作。

1.3 太陽能電池設(shè)計

太陽能電池是維持可續(xù)航探測飛行器持續(xù)探測的基礎(chǔ)設(shè)施。太陽能電池的型號多種多樣，可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)對太陽能電池的要求主要有：太陽電池應(yīng)具有較強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)化能力和抗干擾能力，且其制作、運(yùn)行成本應(yīng)被盡量壓縮。因此，選用薄膜型太陽能電池。薄膜型太陽能電池不但能夠滿足系統(tǒng)的以上要求，其安裝牢固，能夠防止可續(xù)航探測飛行器在飛行過程中，受到?jīng)_撞造成太陽能電池的掉落情況。圖3是薄膜型太陽能電池的供能電路圖。

圖3中，虛線框內(nèi)的箭頭方向表示太陽光能粒子的流向。當(dāng)陽光照射到薄膜型太陽能電池上，粒子的規(guī)則流向會產(chǎn)生電流，電路中的電壓表能夠?qū)崟r讀出薄膜型太陽能電池中半導(dǎo)體的總電壓，該總電壓能夠間接顯示出太陽能電池為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)的能量。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將多個薄膜型太陽能電池連接起來，共同為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量，如圖4所示。

由圖4可知，薄膜型太陽能電池組在本質(zhì)上相當(dāng)于多個二極管并聯(lián)，并聯(lián)方式能夠有效分?jǐn)偺柲茈姵仉娐分幸蛱枏?qiáng)光強(qiáng)產(chǎn)生的高電流，其在保護(hù)電路元件的同時，為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)了更多的能量，也增強(qiáng)了可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的能量優(yōu)化能力。

2 可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 太陽能電池模型函數(shù)設(shè)計

可持續(xù)探測飛行器混合動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分構(gòu)建了太陽能電池模型，可更好地分析系統(tǒng)性能。設(shè)太陽能電池中二極管的輸出電流為，電路總電流和二極管分路電流分別為，，總電壓為，電路總電阻、二極管電阻和支路總電阻分別為，，，則有：

式中：是電路品質(zhì)因數(shù)；是太陽能電池的使用周期；是可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的保守力做功。

若想進(jìn)一步求取太陽能電池模型，應(yīng)先計算出太陽能電池電路內(nèi)部的各項(xiàng)基本指標(biāo)。軟件將其各項(xiàng)客觀指標(biāo)構(gòu)建出太陽能性能函數(shù)，如下：

在太陽能電池電路中，式（2）～式（4）中，代表電路中兩個電容；代表電路短路電流；代表電路功率極大值處的實(shí)時電流值；代表電路斷路電壓；代表電路功率極大值處的實(shí)時電壓值。，，，的大致范圍值可由太陽能電池說明書提供。在可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，太陽能電池的以上參數(shù)也能夠較為簡便地被獲取。由于飛行器在高空中受到的輻射較多，而輻射會對太陽能電池的電流產(chǎn)生不良限制，故在太陽能電池模型中排除掉輻射對電流的影響，得到太陽能電池的最終模型函數(shù)為：

式中：代表飛行器受到輻射的實(shí)時強(qiáng)度值；代表太陽能電池受到輻射的實(shí)時強(qiáng)度值。

2.2 系統(tǒng)能耗獲取流程

可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)利用耦合分析方法獲取系統(tǒng)能耗，在可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)的運(yùn)行初期，軟件會對系統(tǒng)的初始能耗參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，該參數(shù)規(guī)定了系統(tǒng)能耗范圍，軟件會對不符合該范圍的系統(tǒng)不正常行為加以遏制。在獲取系統(tǒng)能耗的過程中，耦合分析方法根據(jù)探測飛行器的故障能耗對系統(tǒng)總能耗的影響力，對探測飛行器故障能耗首先進(jìn)行預(yù)測，如圖5所示。

由圖5可知，耦合分析方法對系統(tǒng)的實(shí)時能耗預(yù)測，是以太陽能電池模型函數(shù)提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，兼顧發(fā)動機(jī)能耗測量值進(jìn)行的。系統(tǒng)總能耗預(yù)測值是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時能耗預(yù)測值求得的。將系統(tǒng)總能耗預(yù)測值與系統(tǒng)的初始能耗參數(shù)進(jìn)行對比，若滿足設(shè)定范圍，則該預(yù)測值即為系統(tǒng)的最終預(yù)測結(jié)果；若不滿足范圍，軟件則會重新開始預(yù)測各能耗。當(dāng)獲取到特定數(shù)量的能耗值，能耗獲取流程隨即停止。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所設(shè)計的可續(xù)航探測飛行器動力混合系統(tǒng)，較比以往設(shè)計出的可續(xù)航探測飛行器動力混合系統(tǒng)來說，具有更強(qiáng)的攀升能力和能量優(yōu)化能力。在曾設(shè)計出的可續(xù)航探測飛行器動力混合系統(tǒng)中，基于燃料電池和鋰電池的續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)雖價格昂貴，但系統(tǒng)性能相對較高，故選取該系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)攀升能力和能量優(yōu)化能力的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，將基于燃料電池和鋰電池的續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)稱作“驗(yàn)證對比系統(tǒng)”。

3.1 攀升能力驗(yàn)證

在可續(xù)航探測飛行器動力混合系統(tǒng)攀升能力的驗(yàn)證中，實(shí)驗(yàn)利用兩種方案對本文系統(tǒng)和驗(yàn)證對比系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)給予可續(xù)航探測飛行器5條環(huán)境不同的探測軌道。方案一中，實(shí)驗(yàn)給予本文系統(tǒng)和驗(yàn)證對比系統(tǒng)相同的攀升能量，令安裝了兩系統(tǒng)的可續(xù)航探測飛行器在相同軌道環(huán)境下同時進(jìn)行攀升，記錄下兩系統(tǒng)攀升到1 000 m的用時，如圖6所示；方案二中，實(shí)驗(yàn)給予本文系統(tǒng)和驗(yàn)證對比系統(tǒng)相同的攀升時間，記錄下兩系統(tǒng)的攀升距離，如圖7所示。如圖6、圖7所示，驗(yàn)證對比系統(tǒng)的攀升時間曲線和攀升距離曲線的波動幅度較大，可見軌道環(huán)境對該系統(tǒng)的攀升性能影響較大。其1 000 m的平均攀升時間為3.2 min，相同情況下的平均攀升距離為4.5 km；本文系統(tǒng)的攀升時間曲線和攀升距離曲線的波動幅度較小，可見軌道環(huán)境對本文系統(tǒng)的攀升性能影響較小。其1 000 m的平均攀升時間為2.2 min，低于驗(yàn)證對比系統(tǒng)的平均攀升時間1 min。相同情況下本文系統(tǒng)的平均攀升距離為6.2 km，高于驗(yàn)證對比系統(tǒng)的平均攀升距離1.7 km。

基于以上結(jié)果能夠預(yù)測，若在實(shí)驗(yàn)中增大固定變量數(shù)值，兩系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差值將進(jìn)一步拉大，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的攀升能力。

3.2 能量優(yōu)化能力驗(yàn)證

在混合動力系統(tǒng)中，一旦燃料耗盡，可續(xù)航探測飛行器的飛行安全即受到威脅，因此必須將混合動力系統(tǒng)中的額外能有效轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。為了驗(yàn)證可續(xù)航探測飛行器動力混合系統(tǒng)的能量優(yōu)化能力，應(yīng)從其能量轉(zhuǎn)化效率和耗能量兩方面入手。實(shí)驗(yàn)在相同條件下，令安裝了本文系統(tǒng)和驗(yàn)證對比系統(tǒng)的可續(xù)航探測飛行器攀升到10 km，并記錄下兩系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率和總耗能量，如圖8、圖9所示。

由圖8可知，本文系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，其平均能量轉(zhuǎn)化效率為89%，且轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性較強(qiáng)。驗(yàn)證對比系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率在可續(xù)航探測飛行器飛行的前10 h數(shù)值較高且較為穩(wěn)定，但在更長時間得飛行過程中，其能量轉(zhuǎn)化效率大幅度降低。由圖9可知，本文系統(tǒng)的耗能量遠(yuǎn)低于驗(yàn)證對比系統(tǒng)的耗能量。且本文系統(tǒng)耗能曲線的抗干擾能力更強(qiáng)，其波動幅度不超出180 W·h。以上兩個結(jié)論能夠驗(yàn)證本文系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的能量優(yōu)化能力。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計一種擁有強(qiáng)攀升能力和強(qiáng)能量優(yōu)化能力的可續(xù)航探測飛行器混合動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠發(fā)動機(jī)和太陽能電池為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。在可續(xù)航探測飛行器的啟停、攀升和下落過程中，914型航空發(fā)動機(jī)利用燃料為其提供能量；而在探測過程中，系統(tǒng)將多個太陽能電池并聯(lián)起來，共同為可續(xù)航探測飛行器供應(yīng)能量。軟件設(shè)計太陽能電池模型函數(shù)，以及系統(tǒng)能耗獲取流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計的混合動力系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的攀升能力和能量優(yōu)化能力。

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