輕小型太陽(yáng)能/氫能無(wú)人機(jī)發(fā)展綜述

劉莉，曹瀟，張曉輝，賀云濤

1. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081

全球能源供應(yīng)日益緊張，低碳經(jīng)濟(jì)方興未艾，各國(guó)政府及科研機(jī)構(gòu)都在努力尋找清潔能源以替代傳統(tǒng)化石燃料。太陽(yáng)能、氫能等新型能源因其儲(chǔ)量巨大、效率高、無(wú)污染、無(wú)排放等優(yōu)勢(shì)，日益受到世界各國(guó)的重視，采用太陽(yáng)能電池、氫燃料電池等無(wú)污染綠色能源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。1974年11月4日，世界上第一架太陽(yáng)能飛機(jī)Sunrise Ⅰ 完成首航，太陽(yáng)能飛機(jī)的研究就此拉開(kāi)了序幕[3]。2003年，航空環(huán)境公司(AeroVironment)分別開(kāi)展了小型燃料電池Hornet和大型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“Helios Protope HP03(太陽(yáng)神)”加裝燃料電池項(xiàng)目，2款無(wú)人機(jī)的飛行驗(yàn)證了燃料電池驅(qū)動(dòng)不同尺寸無(wú)人機(jī)的可行性，開(kāi)啟了燃料電池?zé)o人機(jī)時(shí)代[4-5]。

輕小型無(wú)人機(jī)在軍民用領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，已經(jīng)在交通、勘探、通訊、安防等方面取得了良好的效果[6]。與傳統(tǒng)的油動(dòng)無(wú)人機(jī)相比，輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)利用太陽(yáng)能電池、氫燃料電池作為能源，既無(wú)污染、無(wú)排放、低振動(dòng)，又是目前可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的選擇，更加適用于完成環(huán)境態(tài)勢(shì)監(jiān)控、高分辨率測(cè)繪、應(yīng)急中繼通訊、反恐防控及公共安全等任務(wù)[7-8]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著太陽(yáng)能電池技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)、二次電源技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)體材料技術(shù)等發(fā)展，為了滿(mǎn)足綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的需求，低空太陽(yáng)能、氫燃料電池?zé)o人機(jī)逐漸進(jìn)入人們的視野，并正在成為輕小型無(wú)人機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)[9]。

本文總結(jié)了輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷程；梳理了關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)新能源無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)方法和能源動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了較為深入的探討；最后，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)以及所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程

1.1 輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程

1.1.1 國(guó)外輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)

世界上第一架太陽(yáng)能飛機(jī)Sunrise I(圖1(a))即輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，由DARPA資助、Boucher所設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)采用正常式布局，機(jī)翼上鋪設(shè)4 096塊太陽(yáng)能電池，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量12.25 kg，1974年11月4日，Sunrise I在California的Camp Irwin進(jìn)行了無(wú)人機(jī)3～4 h的低空首飛[10-11]。此后，經(jīng)過(guò)改造，研制了Sunrise II(圖1(b))太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，在相同翼展下，質(zhì)量減輕了2.04 kg，電池片增加了384 片[12-13]。Sunrise無(wú)人機(jī)的首飛成功，標(biāo)志著太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)時(shí)代的到來(lái)。

隨后的很多年里，太陽(yáng)能飛機(jī)的主要研究熱點(diǎn)集中在高空太陽(yáng)能飛機(jī)的探索。而早期的低空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)主要出現(xiàn)在航模類(lèi)無(wú)人機(jī)中，其中具有代表性的是Excel太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。Excel無(wú)人機(jī)采用V形尾翼的常規(guī)布局(圖1(c))，機(jī)翼上鋪設(shè)144 塊太陽(yáng)能電池，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量0.724 kg，1990—1999年期間，Schaeper[14]使用該無(wú)人機(jī)創(chuàng)造了持續(xù)飛行時(shí)間11 h 34 min、直線飛行距離48.31 km的性能記錄。直至21世紀(jì)初，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)于低空小型無(wú)人機(jī)需求的大大提高，輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研究才得到迅速的發(fā)展。研究工作涉及世界多個(gè)國(guó)家，為了驗(yàn)證不同的目的而開(kāi)展，下面是一些代表性的工作。

美國(guó)AC Propulsion公司創(chuàng)始人/董事長(zhǎng)及首席工程師Alan Cocconi以個(gè)人名義資助實(shí)施了Solong項(xiàng)目，其目的是驗(yàn)證小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)晝夜飛行的能力；Solong無(wú)人機(jī)采用上單翼、V形尾翼的常規(guī)布局(圖2(a))，機(jī)翼上鋪設(shè)76塊Sunpower A300太陽(yáng)能電池，配有120節(jié)Sanyo 18650鋰離子電池(能量密度為220 W·h/kg)，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量12.8 kg，2005年6月1-3日，無(wú)人機(jī)在加拿大的Desert Center Airport連續(xù)試驗(yàn)飛行了48 h后，由于手動(dòng)遙控飛行的6名飛手精疲力竭而終止飛行[15-17]。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Autonomous Systems Lab實(shí)驗(yàn)室于2003年末開(kāi)始實(shí)施“Sky-sailor(天空使者號(hào))”項(xiàng)目，其目的是研制長(zhǎng)航時(shí)飛行的小型無(wú)人機(jī)，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)在火星低空探測(cè)飛行的可行性；Sky-sailor的布局源于一架Avance電動(dòng)滑翔機(jī)，采用上單翼、V形尾翼的常規(guī)布局(圖2(b))，機(jī)翼上鋪設(shè)216 塊RWE Space公司的RWE-S-32型太陽(yáng)能電池，配有數(shù)節(jié)NCR 18650鋰離子電池，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量2.444 kg，2008年6月20-21日，在瑞士的Niederwil完成了無(wú)人機(jī)27 h的低空飛行[18-20]。2013年，美國(guó)AeroVironment公司對(duì)電動(dòng)PumaAE無(wú)人機(jī)進(jìn)行改裝，其目的是驗(yàn)證太陽(yáng)能電池?zé)o人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)能力；無(wú)人機(jī)采用正常式布局(圖2(c))，機(jī)翼上鋪設(shè)超薄砷化鎵太陽(yáng)能電池，與PumaAE鋰電池版相比，太陽(yáng)能版無(wú)人機(jī)飛行時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)了2～3 h，可在空中飛行9 h[21]。AtlantikSolar也是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué) Autonomous Systems Lab實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目，其目的是驗(yàn)證小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在低空有風(fēng)天氣條件下長(zhǎng)航時(shí)飛行的能力。無(wú)人機(jī)采用常規(guī)T尾式布局(圖2(d))，機(jī)翼上鋪設(shè)88 塊SunPower E60太陽(yáng)能電池，配有數(shù)節(jié)Panasonic NCR18650b鋰電池，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量6.93 kg，2015年7月17日，該無(wú)人機(jī)以81.5 h(4天3夜)續(xù)航時(shí)間和2 316 km的飛行距離打破了50 kg以下新能源無(wú)人機(jī)航時(shí)記錄[7, 22-23]。表1為國(guó)外輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能及參數(shù)。

圖1 20世紀(jì)國(guó)外輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)Fig.1 Light and small scale solar powered UAVs abroad in the 20th century

圖2 21世紀(jì)國(guó)外輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)Fig.2 Light and small scale solar powered UAVs abroad in the 21st Century

表1 國(guó)外輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能/參數(shù)Table 1 Performance/parameters of light and small solar powered UAVs abroad

1.1.2 國(guó)內(nèi)輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)

中國(guó)首架太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是北京航空航天大學(xué)趙庸教授和李曉陽(yáng)博士于1992年研制的“翱翔者”號(hào)(圖3(a))。無(wú)人機(jī)翼展1.88 m，采用碳纖/輕木機(jī)翼、碳纖/凱夫拉機(jī)體，在機(jī)翼和水平尾翼上鋪設(shè)太陽(yáng)能電池，采用鎳氫電池作為輔助電源。1994年8月，在華北地區(qū)開(kāi)展了相關(guān)飛行試驗(yàn)[24]。珠海新概念航空器研發(fā)中心于2002年啟動(dòng)“綠色先鋒”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，其目的是綠色、新穎布局的空中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。無(wú)人機(jī)采用復(fù)合飛翼式氣動(dòng)布局，在上下翼面均鋪設(shè)太陽(yáng)能電池(圖3(b))，該機(jī)1/2比例驗(yàn)證機(jī)的翼展為7.48 m，起飛總質(zhì)量30.5 kg。“綠色先鋒”于2002年完成了原機(jī)1/4大小的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)試飛，2003年底完成了1/2比例技術(shù)驗(yàn)證機(jī)試飛[25]。南京航空航天大學(xué)昂海松教授團(tuán)隊(duì)研制的“靈翼Ⅰ”(翼展4.5 m，圖3(c))和“靈翼Ⅱ”(翼展6 m，圖3(d))太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，其目的是驗(yàn)證小型無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行能力?！办`翼”無(wú)人機(jī)機(jī)翼上鋪設(shè)柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池，“靈翼Ⅱ”的機(jī)翼可進(jìn)行部分變形，借此提高在不同飛行狀態(tài)下的飛行效率[26]。西北工業(yè)大學(xué)周洲教授團(tuán)隊(duì)研制了“魅影”系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，其目的是驗(yàn)證太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)能力。2017年7月，“魅影5”(圖3(e))完成了16 h 9 min的飛行試驗(yàn)，創(chuàng)造國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)航時(shí)記錄[27]。2019年7月，“魅影12”(圖3(f))完成了27 h 37 min的飛行試驗(yàn)，打破之前“魅影5”的飛行時(shí)長(zhǎng)記錄[28]。本文作者團(tuán)隊(duì)研制了“蒲公英Ⅰ-B”和“蒲公英Ⅱ”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，“蒲公英Ⅰ-B”是太陽(yáng)能/氫能混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)“蒲公英Ⅰ”的太陽(yáng)能版，其目的是驗(yàn)證無(wú)人機(jī)太陽(yáng)能電池相關(guān)系統(tǒng)的可行性；無(wú)人機(jī)采用常規(guī)正常式布局(圖3(g))，翼展6.3 m，2019年5月完成了飛行測(cè)試[29]?！捌压ⅱ颉碧?yáng)能無(wú)人機(jī)(圖3(h)))，采用飛翼式布局，翼展3.8 m，2018年6月進(jìn)行了垂直起飛測(cè)試[30]。

圖3 國(guó)內(nèi)輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)Fig.3 Light and small scale solar powered UAVs in China

1.2 輕小型氫能無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程

1.2.1 國(guó)外輕小型氫能無(wú)人機(jī)

2003年，AeroVironment公司在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)資助下分別開(kāi)展了小型燃料電池“Hornet(大黃蜂)”和大型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“HP03(太陽(yáng)神)”加裝燃料電池項(xiàng)目，其目的是驗(yàn)證氫燃料電池驅(qū)動(dòng)飛行器的可行性。“大黃蜂”無(wú)人機(jī)采用飛翼式布局(圖4(a))，翼展38 cm，無(wú)人機(jī)總質(zhì)量170 g；采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，航時(shí)達(dá)到了0.25 h[31]。該公司同時(shí)嘗試將可再生的氫燃料電池用于翼展75.3 m的“太陽(yáng)神”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)(圖4(b))，用于支持夜間飛行，在2003年一次飛行試驗(yàn)中遭遇紊流結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而解體墜海[4, 32]。2款無(wú)人機(jī)的飛行，表明燃料電池驅(qū)動(dòng)不同尺寸無(wú)人機(jī)可行，開(kāi)啟了燃料電池?zé)o人機(jī)時(shí)代[33]。此后，為了提升輕小型無(wú)人機(jī)的航時(shí)，許多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、公司開(kāi)始了輕小型氫燃料電池?zé)o人機(jī)的研制，下面是一些代表性的工作。

圖4 燃料電池驅(qū)動(dòng)飛行器驗(yàn)證項(xiàng)目Fig.4 Verification project of vehicles powered by fuel cell

國(guó)外高校率先開(kāi)展了輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)的研制工作。2004年，加利福尼亞大學(xué)的Ofoma和Wu[34]完成了用于環(huán)境遙感的燃料電池?zé)o人機(jī)機(jī)體初步設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)選型；2006年，Herwerth等[35]進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)，選取Horizon公司的550 W燃料電池和金屬儲(chǔ)氫瓶，研制了翼展5.5 m，總質(zhì)量9 kg的全復(fù)材飛行樣機(jī)，并完成首飛(圖5(a))。2008年，加利福尼亞大學(xué)和俄克拉荷馬州立大學(xué)共同研制了Pterosoar燃料電池?zé)o人機(jī)，無(wú)人機(jī)采用常規(guī)式布局(圖5(b))，翼展4.4 m，采用Horizon公司的150 W質(zhì)子交換膜燃料電池與2 100 mAh鋰電池混合能源供電，全機(jī)質(zhì)量5 kg，燃料電池質(zhì)量2.273 kg，創(chuàng)造了FAI F5中航程為128 km的記錄[36]。2005年，佐治亞理工大學(xué)的Moffitt[37]和Bradley[38-39]等研制了Georgia Tech Fuel Cell UAV(GT FCUAV)；無(wú)人機(jī)采用正常式布局(圖5(c))，翼展6.58 m，采用500 W燃料電池，全機(jī)質(zhì)量16.4 kg，燃料電池質(zhì)量4.96 kg，該無(wú)人機(jī)是當(dāng)時(shí)以純氫燃料電池為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的最大翼展無(wú)人機(jī)。密西根大學(xué)采用Adaptive Materials Inc.(AMI)公司的固體氧化物燃料電池(SOFC)，研制了Endurance燃料電池?zé)o人機(jī)(圖5(d))，無(wú)人機(jī)翼展1.524 m，總質(zhì)量5.3 kg，2008年在Milan場(chǎng)地成功試飛了10 h[40-41]。表2為國(guó)外高校研制的輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)情況。

圖5 國(guó)外高校研制的輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)Fig.5 Light and small scale fuel cell powered UAVs developed by foreign universities

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory， NRL)一直致力于小型長(zhǎng)航時(shí)燃料電池?zé)o人機(jī)的研制。2005年，研制了小型研究型燃料電池?zé)o人機(jī)Spider Lion，其目的是用于測(cè)試燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)；無(wú)人機(jī)采用正常式布局(圖6(a))，翼展2 m，總質(zhì)量2.5 kg；采用Protonex公司100 W的質(zhì)子交換膜燃料電池和34 MPa高壓氣態(tài)氫氣；于同年11月飛行了3 h 19 min[42-43]。2006年開(kāi)始XFC無(wú)人航空系統(tǒng)(UAS)項(xiàng)目，其目的是研制自動(dòng)管射的小型全電動(dòng)戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)機(jī)翼在機(jī)身背腹以交叉旋轉(zhuǎn)的形式進(jìn)行折疊，采用筒式發(fā)射，以兼容陸地、水面以及水下發(fā)射要求。無(wú)人機(jī)翼展3 m，總質(zhì)量9.1 kg，采用Protonex公司的300 W質(zhì)子交換膜燃料電池，攜帶4 L氫燃料可飛行6 h，采用550 W燃料電池系統(tǒng)可持續(xù)飛行7 h[44]；2013年底，XFC成功完成水下潛射試驗(yàn)[45](圖6(b))。2009年該實(shí)驗(yàn)室完成了“Ion Tiger(離子虎)”無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的研制，其目的是驗(yàn)證燃料電池?zé)o人機(jī)的極限航時(shí)應(yīng)用。無(wú)人機(jī)采用常規(guī)式布局(圖6(c))，翼展5.2 m，總質(zhì)量15.9 kg；采用Protonex公司550 W輕型燃料電池，攜帶氣態(tài)氫氣航時(shí)創(chuàng)造了26 h的飛行記錄[46-48]。2013年，通過(guò)改進(jìn)儲(chǔ)氫技術(shù)，攜帶液態(tài)氫氣成功飛行了48 h，創(chuàng)造了小型燃料電池?zé)o人機(jī)新的航時(shí)記錄，并一直保持至今。為了進(jìn)一步突破航時(shí)，對(duì)燃料電池采用更輕的新型金屬極板，大幅提高燃料電池的發(fā)電功率至5 000 W，于2017年對(duì)新型燃料電池版的離子虎無(wú)人機(jī)進(jìn)行了試飛[49]。表3為美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的小型長(zhǎng)航時(shí)燃料電池?zé)o人機(jī)情況。

表2 國(guó)外大學(xué)研制的輕小型氫燃料電池?zé)o人機(jī)性能/參數(shù)

圖6 美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的小型長(zhǎng)航時(shí)燃料 電池?zé)o人機(jī)Fig.6 Small scale long-endurance fuel cell powered UAVs developed by Naval Research Laboratory of America

小型燃料電池?zé)o人機(jī)的巨大潛力，引起眾多公司的改裝嘗試。2007年，AeroVironment公司對(duì)“Puma(美洲獅)”無(wú)人機(jī)進(jìn)行改裝(圖7(a))，加裝Protonex公司的燃料電池，總質(zhì)量5.67 kg，于2008年測(cè)試飛行了9 h[50]。Boeing下屬子公司Insitu將油動(dòng)版的“掃描鷹”無(wú)人機(jī)改裝成燃料電池版(圖7(b))，采用Protonex公司的1 200 W燃料電池，航時(shí)僅達(dá)到10 h，是油動(dòng)版的一半[51]。2009年，以色列開(kāi)始進(jìn)行燃料電池版無(wú)人機(jī)的改裝，Israel Aerospace Industries(IAI)公司的Bird-Eye 650(圖7(c))和BlueBird Aero Systems(藍(lán)鳥(niǎo))公司的Boomerang(圖7(d))均進(jìn)行了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)改裝。燃料電池版的BirdEye 650航時(shí)由4 h延長(zhǎng)至6 h；燃料電池版的Boomerang(飛鏢)航時(shí)超過(guò)了9 h。兩家公司的無(wú)人機(jī)燃料電池均采用了新加坡Horizon公司的Aeropak燃料電池[52-54]。2010年，韓國(guó)航空宇航研究院Korea Aerospace Research Institute(KARI)開(kāi)始對(duì)RemoEye-600無(wú)人機(jī)進(jìn)行燃料電池版改裝，并重新命名為EAV-1(圖7(e))，該機(jī)翼展2.6 m，采用Horizon公司200 W的Aeropak燃料電池，總質(zhì)量6.5 kg，航時(shí)由2 h提升至4.5 h[55]。2017年，南非的FlyH2 Aerospace公司對(duì)UA Alpha無(wú)人機(jī)進(jìn)行燃料電池版改裝(圖7(f))，采用Pro tonex公司燃料電池[56]，目前尚未見(jiàn)試驗(yàn)相關(guān)報(bào)道。表4為燃料電池版無(wú)人機(jī)改裝情況。

表3 美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的小型長(zhǎng)航時(shí)燃料電池?zé)o人機(jī)性能/參數(shù)

圖7 燃料電池版無(wú)人機(jī)改裝Fig.7 Modification of fuel cell powered UAVs

近年來(lái)，輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)的開(kāi)發(fā)正在加速。洛克希德·馬丁公司設(shè)計(jì)了Stalker eXtreme Endurance(XE)燃料電池?zé)o人機(jī)(圖8(a))，其目的與AeroVironment公司的Puma無(wú)人機(jī)類(lèi)似；無(wú)人機(jī)翼展3.6 m，總質(zhì)量11 kg，有效載荷2.5 kg，升限3.6 km，采用AMI公司的固體氧化物燃料電池，航時(shí)超過(guò)8 h[57]。2011年，加拿大的EnergyOr公司研制了FAUCON H2燃料電池?zé)o人機(jī)(圖8(b))，采用自研的EPOD燃料電池，航時(shí)超過(guò)10 h[58]。此外，波音歐洲研發(fā)中心(Boeing Research & Technology Europe， BRTE)研制了一款低空燃料電池?zé)o人機(jī)(圖8(c))，其目的用于低空領(lǐng)域的偵察任務(wù)，無(wú)人機(jī)采用常規(guī)V形尾翼布局，翼展4.7 m，最大起飛質(zhì)量11 kg，巡航速度17 m/s，采用Horizon公司200 W的固態(tài)燃料電池和6 S的5 000 mAh鋰電池，2013年7月18日在Marugan airfield(Segovia，Spain)場(chǎng)地成功飛行了2 h 17 min[59]。2014年，以色列的藍(lán)鳥(niǎo)公司研制了“WanderB(徘徊者B)”燃料電池?zé)o人機(jī)(圖8(d))，采用Horizon公司為其匹配的燃料電池系統(tǒng)，航時(shí)達(dá)到10 h以上[60]。2016年，新加坡的ST Aerospace公司研發(fā)了Skyblade 360燃料電池?zé)o人機(jī)(圖8(e))，采用Horizon公司的Aeropak燃料電池系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)翼展3 m，總質(zhì)量9 kg，航時(shí)達(dá)到6 h[61]。表5為國(guó)外無(wú)人機(jī)公司近期燃料電池?zé)o人機(jī)開(kāi)發(fā)情況。

表4 燃料電池版無(wú)人機(jī)改裝性能/參數(shù)Table 4 Performance/parameters of retrofitting fuel cell powered UAVs

圖8 國(guó)外無(wú)人機(jī)公司近期燃料電池?zé)o人機(jī)開(kāi)發(fā)Fig.8 Recent development of fuel cell powered UAVs by foreign companies

表5 國(guó)外無(wú)人機(jī)公司近期燃料電池?zé)o人機(jī)開(kāi)發(fā)性能/參數(shù)
Table 5 Performance/parameters of fuel cell powered UAVs developed recently by foreign companies

無(wú)人機(jī)燃料電池類(lèi)型燃料電池生產(chǎn)商翼展/m總質(zhì)量/kg燃料電池質(zhì)量/kg燃料電池輸出功率/W飛行時(shí)間/hStalker XESOFCAMI3.6113008FAUCON H2PEMFCEnergyOr393.931010BRTE原型機(jī)PEMFCHorizon6.5816.44.965002徘徊者BPEMFCHorizon10Skyblade 360PEMFCHorizon396

1.2.2 國(guó)內(nèi)輕小型氫能無(wú)人機(jī)

2010年，臺(tái)灣成功大學(xué)試飛了國(guó)內(nèi)第一架燃料電池?zé)o人機(jī)“灰禿鷹”(圖9(a))，無(wú)人機(jī)翼展3.4 m，總質(zhì)量30 kg，采用1 000 W的燃料電池和5 000 mAh的鋰電池，總飛行時(shí)長(zhǎng)為15 min[62]。同年，同濟(jì)大學(xué)開(kāi)始進(jìn)行燃料電池?zé)o人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和起飛質(zhì)量估算方法等理論研究[63-65]，2012年與上海奧科賽飛機(jī)公司共同研制了“飛躍一號(hào)”燃料電池?zé)o人機(jī)(圖9(b))，無(wú)人機(jī)翼展5 m，總質(zhì)量20 kg，在上海奉賢首飛了2 h。2014年，武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司開(kāi)發(fā)了“天行者”燃料電池?zé)o人機(jī)(圖9(c))，2015年，首飛12 h創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)燃料電池?zé)o人機(jī)最長(zhǎng)航時(shí)紀(jì)錄。2017年，優(yōu)雷特(銀川)航空技術(shù)有限公司和珠海天晴航空航天科技有限公司共同研制了首架氫燃料電池傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)(圖9(d))，該機(jī)翼展2.6 m，總質(zhì)量17 kg，在固定翼模式下可飛行6 h，多旋翼模式下可懸停2 h[66]。本文作者團(tuán)隊(duì)研制的“蒲公英I-A”氫燃料電池?zé)o人機(jī)是“蒲公英I”的燃料電池版(圖9(e))，其目的是驗(yàn)證無(wú)人機(jī)氫燃料電池相關(guān)系統(tǒng)的可行性。2018年11月完成了80 min飛行測(cè)試[67-68]。

圖9 國(guó)內(nèi)輕小型氫燃料電池?zé)o人機(jī)Fig.9 Light and small scale hydrogen fuel cell powered UAVs in China

1.2.3 輕小型旋翼氫能無(wú)人機(jī)

2015年，加拿大首次嘗試將燃料電池運(yùn)用在旋翼類(lèi)無(wú)人機(jī)上，EnergyOr公司研制了四旋翼H2Quad燃料電池?zé)o人機(jī)(圖10(a))，采用與FAUCON H2無(wú)人機(jī)相同的、自研的EPOD燃料電池，試驗(yàn)飛行了2 h[69]。同年，國(guó)內(nèi)武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司將“游騎兵”多旋翼無(wú)人機(jī)改裝成燃料電池版(圖10(b))，采用1 200 W自研燃料電池和9 L、30 MPa的高壓氫氣瓶，持續(xù)飛行了3.5 h[70]。2016年，深圳科比特航空公司與武漢眾宇和上海攀業(yè)國(guó)內(nèi)兩家燃料電池公司合作，研制了HYDrone-1800多旋翼燃料電池?zé)o人機(jī)(圖10(c))，采用1 800 W燃料電池和輔助電池共同供電，進(jìn)行了4 h的試驗(yàn)[71]。2017年，F(xiàn)light Wave航空航天系統(tǒng)公司和Intelligent Energy公司共同研制了一款新型氫燃料電池多旋翼無(wú)人機(jī)Jupiter-H2(圖10(d))[68]。2018年，Bshark公司研制出第二代“獨(dú)角鯨”(Narwhal 2)四旋翼燃料電池?zé)o人機(jī)(圖10(e))，該機(jī)可持續(xù)飛行2 h[68]。2019年，韓國(guó)Meta Vista公司研發(fā)了四旋翼平臺(tái)(圖10(f))，采用Intelligent Enesrgy公司800 W的燃料電池動(dòng)力模塊，配備了6 L液態(tài)氫氣儲(chǔ)氫瓶，試飛了12 h，創(chuàng)造目前旋翼類(lèi)無(wú)人機(jī)最長(zhǎng)航時(shí)記錄[68]。

圖10 旋翼氫燃料電池?zé)o人機(jī)Fig.10 Hydrogen fuel cell powered rotor UAVs

1.3 輕小型太陽(yáng)能/氫能無(wú)人機(jī)

2010年，美國(guó)的伊利諾理工大學(xué)[72]用MATLAB/Simulink對(duì)太陽(yáng)能/燃料電池混合能源無(wú)人機(jī)模型進(jìn)行仿真，研究采用燃料電池/太陽(yáng)能混合能源代替燃油，用以實(shí)現(xiàn)輕小型無(wú)人機(jī)晝夜持續(xù)飛行的可行性。2016年，中東的沙迦美國(guó)大學(xué)[73]研究了小型太陽(yáng)能/氫能混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的集成問(wèn)題，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)總體概念方案(圖11(a))，其翼展3.83 m，總質(zhì)量10 kg，采用200 W的燃料電池、50 W的太陽(yáng)能電池和5 000 mAh的鋰電池混合能源。

2012年，韓國(guó)航空宇航研究院(KARI)在成功試飛EAV-1燃料電池?zé)o人機(jī)后，開(kāi)始對(duì)太陽(yáng)能電池、燃料電池和鋰電池進(jìn)行混合動(dòng)力建模仿真與試驗(yàn)測(cè)試，并研制了EAV-2混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)[74](圖11(b))。無(wú)人機(jī)采用常規(guī)T形尾翼布局，翼展6.9 m，總質(zhì)量18.5 kg，鋪設(shè)52 塊晶體硅太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池最大輸出功率240 W，巡航速度12.1 m/s。2012年6月21日，創(chuàng)造了22 h 航時(shí)飛行記錄[55, 75]。2017年，該研究院采用硼氫化鈉燃料，重新研制了太陽(yáng)能/氫能混合能源無(wú)人機(jī)(圖11(c))[76]。無(wú)人機(jī)翼展4.2 m，采用300 W燃料電池和80 W太陽(yáng)能電池的能源供電，總質(zhì)量11 kg，太陽(yáng)能電池質(zhì)量1.9 kg，燃料電池質(zhì)量2.8 kg，無(wú)人機(jī)巡航速度15 m/s。2018年，進(jìn)行了1.5 h試飛測(cè)試[77]。

圖11 太陽(yáng)能/氫能混合能源無(wú)人機(jī)Fig.11 Solar/hydrogen hybrid energy powered UAV

本文作者團(tuán)隊(duì)從2009年起，開(kāi)始對(duì)輕小型太陽(yáng)能/氫燃料電池?zé)o人機(jī)的設(shè)計(jì)方法、能源管理等方面進(jìn)行研究[70, 78-79]，并對(duì)混合能源無(wú)人機(jī)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)分析[80-83]。2018年，研制了太陽(yáng)能/燃料電池混合能源無(wú)人機(jī)(圖11(d))，無(wú)人機(jī)采用常規(guī)式布局，翼展6.3 m，總質(zhì)量25 kg[84]。目前，已完成該無(wú)人機(jī)太陽(yáng)能電池版與燃料電池版的飛行測(cè)試。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

應(yīng)用于中低空領(lǐng)域的輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)主要集中于總體設(shè)計(jì)、混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及能源管理等方面，以下對(duì)其進(jìn)展情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 總體設(shè)計(jì)方法

2.1.1 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是一種長(zhǎng)航時(shí)的電動(dòng)新能源無(wú)人機(jī)，在能源上以太陽(yáng)能為主要來(lái)源，在動(dòng)力方面以空氣螺旋槳作為推進(jìn)裝置，在氣動(dòng)上具有低雷諾數(shù)的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上采用大展現(xiàn)比的輕質(zhì)機(jī)翼，這些都與常規(guī)無(wú)人機(jī)存在較大差異，對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)提出更大的挑戰(zhàn)。

美國(guó)最早以工程的角度開(kāi)展太陽(yáng)能飛行器研究及其總體設(shè)計(jì)工作。針對(duì)太陽(yáng)能飛行器，1980年，Phillips[85]從實(shí)用角度分析了飛行力學(xué)特性，1983年，MacCready等[86]從工程角度討論了研制Gossamer Penguin和Solar Challenger太陽(yáng)能飛行器項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程，Boucher[12, 87]同樣基于工程經(jīng)驗(yàn)分析了Sunrise項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造以及試飛過(guò)程。

上述文獻(xiàn)對(duì)早期的太陽(yáng)能飛行器研究提供了重要的參考。然而，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)受環(huán)境因素、飛行日期、地理位置以及自身氣動(dòng)結(jié)構(gòu)影響較大，與常規(guī)飛行器總體設(shè)計(jì)階段考慮因素有較大的差異。1982年，Youngblood和Talay[88]首次提出太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)飛行器。在文獻(xiàn)[88]中，Youngblood和Talay在總體設(shè)計(jì)中提出分系統(tǒng)建模方法，考慮了飛行日期、地理緯度、能量平衡、無(wú)人機(jī)尺寸及氣動(dòng)特性之間的關(guān)系，給出一種高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)方案。1984年，Youngblood等[89]又進(jìn)行高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)和初步性能分析，研究飛機(jī)功率、尺寸、氣動(dòng)性能的關(guān)系，結(jié)果表明無(wú)人機(jī)目前較難實(shí)現(xiàn)晝夜能量閉環(huán)，提出太陽(yáng)能用于白天和儲(chǔ)能電池用于晚上的混合能源方法。在Youngblood基礎(chǔ)上，1990年，Colozza[90]在研究金星太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的可行性與總體設(shè)計(jì)時(shí)，提出了翼載荷-展弦比-翼面積的參數(shù)迭代設(shè)計(jì)方法，根據(jù)該方法來(lái)選取無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。1995年，美國(guó)的Brandt和Gilliam[91]提出了基于可行域求解的高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)方法，該方法將太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源與動(dòng)力的特殊性和限制因素納入設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)起飛翼載、太陽(yáng)能電池面積與參考機(jī)翼面積比值、任務(wù)剖面動(dòng)力需求來(lái)確定無(wú)人機(jī)參數(shù)的可行域，根據(jù)該方法對(duì)3種概念無(wú)人機(jī)(包括輕于空氣的飛艇和重于空氣的常規(guī)機(jī)翼、串聯(lián)機(jī)翼)進(jìn)行研究，得出高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)無(wú)法維持定高度飛行，需儲(chǔ)存的重力勢(shì)能來(lái)提供動(dòng)力以滿(mǎn)足任務(wù)需求。上述太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)方法除了考慮常規(guī)無(wú)人機(jī)的平衡受力關(guān)系外，重點(diǎn)關(guān)注能量平衡與可行性，把能量引入到總體設(shè)計(jì)中進(jìn)行參數(shù)的迭代和確定。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用對(duì)輕小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)需求，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)開(kāi)始向小型化、輕質(zhì)化、低空化發(fā)展。與高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)相比，中低空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)無(wú)法進(jìn)行勢(shì)能存儲(chǔ)，且面臨更復(fù)雜的大氣環(huán)境[22, 92](如云遮、陣風(fēng))，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。2008年，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Noth[20]提出一套無(wú)需反復(fù)迭代計(jì)算的輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)方法，首先基于平飛中的功率和重量平衡條件建立無(wú)人機(jī)總質(zhì)量與設(shè)計(jì)參數(shù)間的近似模型，通過(guò)求解數(shù)學(xué)模型得到無(wú)人機(jī)總質(zhì)量和設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[20]關(guān)注總質(zhì)量、翼展及展弦比3個(gè)變量要素關(guān)系，改變參數(shù)來(lái)優(yōu)化功率、巡航速度等設(shè)計(jì)特征，以確保實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)24 h長(zhǎng)航時(shí)的任務(wù)需求。利用此方法研制了Sky-sailor太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)(圖2(b))，持續(xù)試飛了27 h。Rajendran和Smith[93]對(duì)文獻(xiàn)[20]提出的概念設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，指出文獻(xiàn)[20]等方法的數(shù)學(xué)模型只關(guān)注質(zhì)量、性能和氣動(dòng)3個(gè)方面，因此增加了3個(gè)設(shè)計(jì)考慮方面(即電動(dòng)推進(jìn)、靈敏度和趨勢(shì)分析)和3個(gè)改進(jìn)設(shè)計(jì)特征(即質(zhì)量、氣動(dòng)和任務(wù)剖面)，以增強(qiáng)現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的精確設(shè)計(jì)。2010年，Shiau等[94]首次將優(yōu)化引入太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)中，建立了以無(wú)人機(jī)的展弦比和機(jī)翼面積作為設(shè)計(jì)變量，重量為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，得到了無(wú)人機(jī)尺寸和巡航速度等參數(shù)，并用該方法設(shè)計(jì)了XIHE太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)概念方案。

上述無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)均沒(méi)有考慮太陽(yáng)能在中低空領(lǐng)域的魯棒性，特別指出的是文獻(xiàn)[20]所設(shè)計(jì)的Sky-sailor太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)持續(xù)飛行27 h后，所剩的鋰電池電量只有5.8%，不足以再支撐無(wú)人機(jī)進(jìn)行持續(xù)飛行。針對(duì)該問(wèn)題，2011年，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Leutenegger等[95]提出了考慮優(yōu)化剩余時(shí)間和航時(shí)的輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(圖12)。在文獻(xiàn)[95]中，總體設(shè)計(jì)考慮太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)進(jìn)行24 h晝夜飛行后，由于凌晨外界環(huán)境無(wú)法保證太陽(yáng)能電池產(chǎn)生足夠能量來(lái)提供平飛所需的能量(圖13)，提出優(yōu)化剩余時(shí)間(即額外能量)的總體設(shè)計(jì)方法，并用該方法對(duì)輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)與性能分析。

2013—2016年，為了實(shí)現(xiàn)輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的24 h持續(xù)飛行，明尼蘇達(dá)大學(xué)的分布式機(jī)器人中心的Morton等[92, 96]提出了考慮魯棒性的無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[96]指出總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵是考慮其剩余能量的時(shí)間裕度問(wèn)題(即魯棒性)，以仿真無(wú)人機(jī)持續(xù)飛行48 h為例(圖14)，考慮太陽(yáng)能電池能量、鋰電池能量、平飛所需的能量三者之間的關(guān)系，提出將時(shí)間裕度(即系統(tǒng)所能使用剩余能量的時(shí)間)作為衡量連續(xù)飛行的魯棒性指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)由剩余時(shí)間(指鋰電池補(bǔ)充晝夜飛行后，太陽(yáng)能電池發(fā)電能量等于平飛所需能量后剩余鋰電池所能提供平飛能量的時(shí)間段)和滿(mǎn)電裕度時(shí)間(指鋰電池充滿(mǎn)容量和開(kāi)始補(bǔ)充太陽(yáng)能電池供電的時(shí)間段)2個(gè)裕度時(shí)間表示，從而實(shí)現(xiàn)量化輕小型太陽(yáng)能總體設(shè)計(jì)的魯棒性指標(biāo)和優(yōu)化準(zhǔn)則，運(yùn)用該準(zhǔn)則研制了UMN太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)樣機(jī)并試飛[97]。2016年，文獻(xiàn)[92]進(jìn)行2 m翼展的輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)，在文獻(xiàn)[96]提出的剩余時(shí)間和滿(mǎn)電裕度時(shí)間2個(gè)魯棒飛行指標(biāo)都必須為正值的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，指出剩余時(shí)間必須為正值，但是滿(mǎn)電裕度時(shí)間可以為正值或者負(fù)值，因?yàn)殇囯姵厝萘咳绻麖奶?yáng)能電池充電時(shí)受到干擾而不能充滿(mǎn)電量，可以采用鋰電池的剩余裕度時(shí)間所能提供的能量來(lái)彌補(bǔ)，這樣使無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)更精確。

圖12 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)框架[95]Fig.12 Optimal design framework for solar powered UAVs[95]

圖13 持續(xù)飛行下太陽(yáng)能、所需功率和電池 容量的關(guān)系[95]Fig.13 Relation between solar energy, required power and battery capacity in sustained flight[95]

但Morton等[92, 96]提出的考慮剩余時(shí)間和滿(mǎn)電裕度時(shí)間的魯棒性指標(biāo)和優(yōu)化準(zhǔn)則更多的是理論研究，沒(méi)有用于優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行飛行試驗(yàn)驗(yàn)證[22]。2015—2017年，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Oettershagen等[7, 22]基于Noth[20]和Leutenegger[95]等提出的輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，把無(wú)人機(jī)飛行地點(diǎn)的不確定氣象條件考慮到總體設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[7]指出若只考慮文獻(xiàn)[95]提出剩余魯棒飛行時(shí)間，得到結(jié)果是在最優(yōu)的太陽(yáng)能電池發(fā)電條件下攜帶最重的鋰電池，但隨著太陽(yáng)能電池發(fā)電受到氣象干擾，太陽(yáng)能電池不能給所攜帶的鋰電池充滿(mǎn)電，所以增加了鋰電池滿(mǎn)電后的裕度時(shí)間指標(biāo)，2個(gè)裕度時(shí)間與文獻(xiàn)[96]相同且都為正值，但文獻(xiàn)[7]考慮更為詳細(xì)的剩余時(shí)間(即剩余鋰電池所能提供的能量)，其中包括工作日的夜晚、云遮、下降氣流、平飛功率估算不準(zhǔn)這4個(gè)不確定性因素引起的能量消耗。文獻(xiàn)[22]首先對(duì)文獻(xiàn)[95]中的總體設(shè)計(jì)框架進(jìn)行擴(kuò)展，把充電裕度指標(biāo)加入到框架中，考慮飛機(jī)設(shè)計(jì)和分析迭代的優(yōu)化設(shè)計(jì)框架(圖15)；再者對(duì)文獻(xiàn)[7]所提的總能量-太陽(yáng)能能量-平飛所需能量的關(guān)系進(jìn)行能量擴(kuò)展，由于太陽(yáng)能能量大于平飛所需能量時(shí)給鋰電池充電受其容量的限制，提出了具有指數(shù)遞減的鋰電池充電限制模型，并把鋰電池能量模型引入能量狀態(tài)關(guān)系中(圖16)。Oettershagen把剩余時(shí)間和充電裕度時(shí)間的能量指標(biāo)和優(yōu)化準(zhǔn)則運(yùn)用于優(yōu)化框架，并研制了AtlantikSolar低空輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)(圖2(d))成功連續(xù)飛行了81 h，后續(xù)低空輕小型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)可以借鑒此方法。

圖14 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)中考慮魯棒參數(shù)的 48 h能量變化圖[96]Fig.14 Energy variation in 48 h flight of solar powered UAV considering parameter of robustness in conceptual design[96]

圖15 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)與分析框架[22]Fig.15 Solar-powered UAV conceptual design and analysis framework[22]

圖16 輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)中考慮魯棒 參數(shù)的48 h能量仿真圖[22]Fig.16 Simulation of energy in 48 h flight of solar powered UAV considering parameter of robustness in conceptual design

總體而言，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)需要較多地考慮能量狀態(tài)平衡問(wèn)題。在輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要針對(duì)環(huán)境因素(云遮擋、陣風(fēng)等)的影響下所帶來(lái)的能源動(dòng)力系統(tǒng)問(wèn)題、氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)問(wèn)題，采用考慮剩余時(shí)間和充電裕度時(shí)間的魯棒性指標(biāo)和優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行無(wú)人機(jī)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1.2 燃料電池?zé)o人機(jī)總體設(shè)計(jì)

燃料電池?zé)o人機(jī)和太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)都是長(zhǎng)航時(shí)的新能源無(wú)人機(jī)，但燃料電池?zé)o人機(jī)是以燃料電池作為主要?jiǎng)恿?lái)源，燃料電池與常規(guī)電池不同，它是一種把燃料和氧化劑中蘊(yùn)含的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電源裝置[34]，本質(zhì)上僅有發(fā)電功能而不具備儲(chǔ)電功能，由于燃料電池系統(tǒng)所帶來(lái)的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、能源及動(dòng)力方面問(wèn)題在總體設(shè)計(jì)上提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

燃料電池?zé)o人機(jī)的理論研究可以追溯到20世紀(jì)80年代，Youngblood等[89]在進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)飛機(jī)研究時(shí)，就提出使用氫燃料電池作為無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，不能研制出完成任務(wù)剖面和有效載荷的飛機(jī)。隨著燃料電池和儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，研究者選取在現(xiàn)有飛機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，嘗試采用燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)改裝原有動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。Kohout[98]、Berton[99]及Wentz[100]等提出了保持起飛重量為約束條件下對(duì)輕型通用飛機(jī)進(jìn)行了改裝設(shè)計(jì)研究，分析得出由燃料電池改裝后的飛機(jī)可能具有飛行能力但性能無(wú)法與內(nèi)燃機(jī)媲美，文獻(xiàn)提出的解決方法是使用先進(jìn)的燃料電池和高比能的儲(chǔ)氫裝置。上述文獻(xiàn)的關(guān)注點(diǎn)在燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸和輸出功率上[98-100]。輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)[50-56]同樣使用了改裝設(shè)計(jì)方法，對(duì)燃油和蓄電池原型機(jī)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，改裝結(jié)果表明燃料電池?zé)o人機(jī)較油動(dòng)版降低了噪聲、較蓄電池版提高了航時(shí)。圖17[101]為燃料電池飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)方法。

圖17 (燃料電池)飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)方法[101]Fig.17 (Fuel cell powered) aircraft retrofitting methodology[101]

上述改裝方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，減少了機(jī)體重量和氣動(dòng)的不確定，但是燃料電池系統(tǒng)受機(jī)體尺寸約束而影響整體的性能和安裝，所以研究者提出多學(xué)科設(shè)計(jì)方法來(lái)代替改裝方法。2004年，加利福尼亞大學(xué)的Ofoma和Wu[34]首次嘗試輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)的概念設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[34]進(jìn)行了所需能量-選取燃料電池-無(wú)人機(jī)布局的簡(jiǎn)單學(xué)科迭代，得出結(jié)論是無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)取決于燃料電池的選取，由于燃料電池花費(fèi)、功率輸出和重量問(wèn)題未能與無(wú)人機(jī)機(jī)體布局匹配上而暫時(shí)擱淺。2005年，Choi等[102]提出了全電動(dòng)飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，特別是針對(duì)燃料電池能源和動(dòng)力系統(tǒng)學(xué)科，用于確定的推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)和性能。Chiang等[103]直接針對(duì)輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)進(jìn)行類(lèi)似的多學(xué)科架構(gòu)設(shè)計(jì)，以燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動(dòng)力方式來(lái)滿(mǎn)足功率需求，由能源動(dòng)力、起飛總重量等約束條件確定了機(jī)體尺寸。上述文獻(xiàn)不僅僅關(guān)注燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的尺寸，更考慮其性能與無(wú)人機(jī)機(jī)體的關(guān)系。

不管是改裝設(shè)計(jì)還是多學(xué)科設(shè)計(jì)方法具有一定的局限性，導(dǎo)致研制的無(wú)人機(jī)不但滿(mǎn)足不了任務(wù)需求更無(wú)法與常規(guī)無(wú)人機(jī)性能相比較。2005年，Soban和Upton[104]首次利用燃料電池的特性映射到無(wú)人機(jī)的研制。文獻(xiàn)[104]采用技術(shù)映射方法研究了質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)無(wú)人機(jī)近期和未來(lái)性能，得出的結(jié)論是燃料電池?zé)o人機(jī)適用于長(zhǎng)航時(shí)、低功率的任務(wù)，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)性能較好，未來(lái)SOFC燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)將成為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)可行的替代品。2006—2010年，佐治亞理工大學(xué)的Moffitt[37, 101]和Bradley[105-107]等針對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的特性進(jìn)行輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)的總體設(shè)計(jì)。Moffitt通過(guò)多學(xué)科設(shè)計(jì)分析的方法對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析(圖18)[101]，通過(guò)探索無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)空間來(lái)確定無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，其中設(shè)計(jì)空間由不確定性傳遞思想對(duì)分系統(tǒng)模型進(jìn)行指導(dǎo)和分解來(lái)建立各子系統(tǒng)精確模型用以探索具有魯棒性的可行設(shè)計(jì)空間[37, 101]。Bradley等[105-106]則更多的關(guān)注無(wú)人機(jī)中的燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)的模型、設(shè)計(jì)和管理，并提出燃料電池動(dòng)力裝置和無(wú)人機(jī)集成應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)方法[107]。他們根據(jù)研究研制了樣機(jī)(圖5(c))來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果[38-39]。上述文獻(xiàn)關(guān)注燃料電池系統(tǒng)的特性，同時(shí)與無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)模型多學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)與性能分析。

2018年，Oh[108]提出了一種基于能量和性能指標(biāo)的輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)概念設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)針對(duì)輕小質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o人機(jī)構(gòu)建了一套概念設(shè)計(jì)流程，其中重點(diǎn)關(guān)注PEMFC和儲(chǔ)氫的比功率和比能量對(duì)無(wú)人機(jī)航時(shí)的影響。

總而言之，輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)總體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是能源與機(jī)體的權(quán)衡設(shè)計(jì)，考慮能源、動(dòng)力、氣動(dòng)等多個(gè)學(xué)科耦合的綜合設(shè)計(jì)與性能分析。

圖18 (燃料電池)無(wú)人機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)分析框架[101]Fig.18 Multidisciplinary design analysis framework for (fuel cell powered) UAVs[101]

2.1.3 太陽(yáng)能/氫燃料電池?zé)o人機(jī)總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能/燃料電池?zé)o人機(jī)是一種以太陽(yáng)能/燃料電池為主的混合能源無(wú)人機(jī)，其設(shè)計(jì)不是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)和燃料電池?zé)o人機(jī)的簡(jiǎn)單疊加，而是由混合能源所帶來(lái)一系列的總體設(shè)計(jì)問(wèn)題。

為了追求更長(zhǎng)的任務(wù)航時(shí)，研究者嘗試太陽(yáng)能與燃料電池相結(jié)合的混合能源途徑。2003年，美國(guó)率先在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上加裝燃料電池(HP03(太陽(yáng)神))，以解決蓄電池能量密度低的問(wèn)題，結(jié)果由于飛行試驗(yàn)中遭遇紊流結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而墜毀[4, 32]。此后，2010年，美國(guó)伊利諾理工大學(xué)的Chen和Khaligh[72]提出了太陽(yáng)能/燃料電池混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)方案，用以滿(mǎn)足功率負(fù)載浮動(dòng)和長(zhǎng)航時(shí)飛行對(duì)動(dòng)力需求，仿真結(jié)果說(shuō)明了方案理論上的可行性。2014年，韓國(guó)航空宇航研究院的Lee等[109]提出了低空輕小型太陽(yáng)能/氫燃料電池?zé)o人機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，考慮太陽(yáng)能/燃料電池的能量管理(詳細(xì)能源動(dòng)力方案見(jiàn)2.2.2節(jié))，研制了EAV-2無(wú)人機(jī)(圖11(b))，完成了22 h的飛行試驗(yàn)，證明了低空輕小型混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的可行性。2017年，該研究所的Gang等[76]也進(jìn)行了與文獻(xiàn)[109]類(lèi)似的混合能源無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)工作。

上述文獻(xiàn)關(guān)注點(diǎn)在混合推進(jìn)系統(tǒng)的使用和管理，沒(méi)有考慮推進(jìn)系統(tǒng)與機(jī)體平臺(tái)、飛行剖面的耦合關(guān)系。2014年，李延平[83]提出了太陽(yáng)能/氫能無(wú)人機(jī)多學(xué)科總體概念設(shè)計(jì)方法，搭建了混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用了物理規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化策略和遺傳算法對(duì)無(wú)人機(jī)總體方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2016年，本文作者團(tuán)隊(duì)[110]提出一種考慮全機(jī)重量能量耦合關(guān)系的總體設(shè)計(jì)方法，針對(duì)典型任務(wù)剖面，考慮能量平衡和重量平衡下各子模型的耦合關(guān)系，得到混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。采用該方法以1.5 kg任務(wù)載荷為例，完成混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)，仿真分析表明在能源系統(tǒng)重量相同情況下，混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的航時(shí)要優(yōu)于純鋰電池?zé)o人機(jī)和燃料電池?zé)o人機(jī)。上述文獻(xiàn)關(guān)注混合能源和機(jī)體平臺(tái)的關(guān)系。

2.2 能源與動(dòng)力系統(tǒng)研究進(jìn)展

2.2.1 能源系統(tǒng)研究進(jìn)展

從能源的角度，影響輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)的主要是太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率和柔性化，燃料電池的功重比，以及鋰電池的能量密度。隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，其中，用于無(wú)人機(jī)的以硅系太陽(yáng)能電池和化合物太陽(yáng)能電池為主[111]，圖19[112]是歷年來(lái)全世界高效太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展。從圖中可以看出，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率從最初的14%提升到了27.6%。

繼燃料電池在不同尺寸的無(wú)人機(jī)應(yīng)用之后，國(guó)外Protonex、AMI、EnergyOr、HES以及國(guó)內(nèi)的武漢眾宇(Troowin)和上海攀業(yè)(Pearl)等公司開(kāi)始了研發(fā)應(yīng)用于輕小型無(wú)人機(jī)的燃料電池。其中，AMI公司主要研發(fā)固體氧化物燃料電池，其他公司均研制質(zhì)子交換膜燃料電池，基本參數(shù)如表6所示。

用于無(wú)人機(jī)上的氫燃料類(lèi)型主要有3種：氣態(tài)氫、液態(tài)氫和化學(xué)氫化物。不同的形態(tài)要求不同的儲(chǔ)氫裝置。目前，最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)氫方式為高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫。根據(jù)材料和儲(chǔ)氫壓力，氣瓶可分為4類(lèi)[33]，如表7所示，氣態(tài)儲(chǔ)氫壓力一般為20～70 MPa。不銹鋼儲(chǔ)氫裝置最大承壓僅20 MPa，儲(chǔ)氫比不超過(guò)3%，一般為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)儲(chǔ)氫鋼瓶；采用碳纖維纏繞和高密度聚合物襯里的儲(chǔ)氫方式可承壓70 MPa，儲(chǔ)氫比可達(dá)到11.3%，適合應(yīng)用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。

圖19 美國(guó)NREL(National Renewable Energy Lab)統(tǒng)計(jì)的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率圖[112]Fig.19 Conversion efficiency of solar cells based on American NREL statistics[112]

表6 輕小型無(wú)人機(jī)商用燃料電池基本參數(shù)

儲(chǔ)能電池種類(lèi)多樣，圖20是幾種車(chē)類(lèi)和航空航天類(lèi)能源中的儲(chǔ)能裝置Ragone圖[113]。Ragone圖表示儲(chǔ)能裝置中能量密度(Energy Density)和功率密度(Power Density)之間的對(duì)數(shù)關(guān)系，其中斜對(duì)角線表示放電時(shí)間。

圖20 幾種典型儲(chǔ)能電源Ragone圖[113]Fig.20 Ragone diagram of several typical energy storage power supplies[113]

從圖20中可以看出，燃料電池(Fuel cells)的能量密度較高，適合長(zhǎng)時(shí)間放電；鋰電池(Lithium battery)、鎳鎘(NiCd battery)等化學(xué)電池的功率密度較高，適合高功率放電。鋰電池分為鋰離子電池和鋰金屬電池，鋰離子電池(Li-ion)不含有金屬態(tài)的鋰，可單獨(dú)用于輕小型無(wú)人機(jī)，也可與太陽(yáng)能電池、燃料電池混合供電，其目前安全使用的能量密度為100～200 W·h/kg[114]；鋰聚合物電池(Lithium polymer，Li-Poly)與鋰離子電池類(lèi)似，主要的區(qū)別是使用了固體塑性聚合物作為電解質(zhì)，區(qū)別于鋰離子電池的圓柱形外形，鋰聚合物電池可以按任意形狀封裝。鋰硫電池(Lithium sulfur,Li-S)由一小部分重量的鋰和一部分硫組成，能量密度大于鋰離子電池，其價(jià)格昂貴且處于科研階段[115]。

因此，從新能源發(fā)展的現(xiàn)狀分析，目前單一能源系統(tǒng)均無(wú)法滿(mǎn)足輕小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)的應(yīng)用需求?；趦?yōu)勢(shì)互補(bǔ)的思想，多種電源混合應(yīng)用是輕小型太陽(yáng)能和燃料電池?zé)o人機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)，也必然引入更復(fù)雜的混合能源與動(dòng)力系統(tǒng)，從而需要深入的研究能源動(dòng)力構(gòu)型和處理多電混合能源管理方法。

2.2.2 能源動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)型研究進(jìn)展

1) 太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)溲芯肯鄬?duì)較早，2008年，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Noth[20]給出了經(jīng)典的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力拓?fù)淇傮w構(gòu)型方案，如圖21所示，主要采用了太陽(yáng)能板PV，最大功率點(diǎn)跟蹤器MPPT，并與蓄電池混合后為動(dòng)力系統(tǒng)和其他電子設(shè)備供電。對(duì)于太陽(yáng)能電池和蓄電池的混合構(gòu)型，給出了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，如圖22所示，將機(jī)翼太陽(yáng)能電池分為三段，每一段配一路MPPT后并聯(lián)到鋰電池，以保證太陽(yáng)能電池最大效率地利用。

圖21 經(jīng)典太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)鋄20]Fig.21 Classical solar power system topology[20]

圖22 多段太陽(yáng)能電池與鋰電池混合方案[20]Fig.22 Schematic of hybrid multi-solar panel and Li-ion battery[20]

2009年，加州理工大學(xué)的Morrisey[116]給出太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可進(jìn)行主動(dòng)能源管理的動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浞桨?，如圖23所示，其中電力管理單元用于進(jìn)行全機(jī)動(dòng)力電和設(shè)備電的主動(dòng)管理。同年，淡江大學(xué)的Shiau等[117]也給出了類(lèi)似的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浞桨?，如圖24所示，設(shè)計(jì)了多組蓄電池與太陽(yáng)能電池的混合電路，經(jīng)過(guò)原理樣機(jī)研制和測(cè)試，驗(yàn)證了電路系統(tǒng)和控制法的有效性。2013—2016年，從中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)Hou等[118-120]與英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)Smith和Abbe[121]關(guān)于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的相關(guān)綜述和技術(shù)研究中可以看出，該期間的太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)型方案基本都是類(lèi)似拓?fù)錁?gòu)型。2019年，劉剛[29]給出了3種類(lèi)型太陽(yáng)能電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，分析指出主動(dòng)混合拓?fù)淇珊侠淼貙?duì)蓄電池充放電管理，提高太陽(yáng)能利用率、延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

2) 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2008—2009年，佐治亞理工大學(xué)Bradley等[106, 122]在進(jìn)行燃料電池?zé)o人機(jī)建模、設(shè)計(jì)及能源管理研究時(shí)給出了典型的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)型，如圖25所示。其中，能源存儲(chǔ)系統(tǒng)采用蓄電池，通過(guò)相應(yīng)的管理系統(tǒng)后與燃料電池并聯(lián)對(duì)動(dòng)力供電。2008—2012年，克蘭菲爾德大學(xué)Karunarathne等[123-126]開(kāi)展燃料電池?zé)o人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)研究，給出了圖26所示的燃料電池/鋰電出混合拓?fù)錁?gòu)型，為燃料電池和鋰電池都配置了DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，連接鋰電池的為雙向DC/DC，已實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充放電控制。2014—2017年，悉尼科技大學(xué)Gong等[127-130]，對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中的能源特性開(kāi)展較為深入的研究，基于國(guó)際領(lǐng)先水平的航空專(zhuān)用燃料電池Aeropak，給出了能源系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)型，如圖27(a)[127]所示，并搭建了燃料電池蓄電池混合動(dòng)能源試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖27(b)所示[128]，進(jìn)行了混合能源系統(tǒng)性能測(cè)試,研究表明了蓄電池對(duì)混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性起著重要的作用。

圖23 太陽(yáng)能與鋰電池混合動(dòng)力主動(dòng)管理方案[116]Fig.23 Active management scheme for hybrid solar power and Li-ion battery[116]

圖24 帶蓄電池管理的太陽(yáng)能與鋰電池混合 方案[117]Fig.24 Scheme for hybrid solar power and Li-ion battery system with battery management[117]

圖25 典型燃料電池動(dòng)力系拓?fù)鋄122]Fig.25 Typical topology of hybrid fuel cell powered system[122]

2018年，張曉輝[70]針對(duì)燃料電池為主能源的無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)、燃料電池/鋰電池(簡(jiǎn)稱(chēng)燃鋰)被/主動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，如圖28所示，試驗(yàn)對(duì)比分析了3種拓?fù)浞桨傅姆烹娞匦院蜌浜牧?，?yàn)證了主動(dòng)拓?fù)浞桨笟浜牧孔钚?，電源工作狀態(tài)也最為合理，最后給出了各拓?fù)浞桨傅倪m應(yīng)性建議。

2019年，西北工業(yè)大學(xué)的Lei等[131]，綜述混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的能源管理策略時(shí)，總結(jié)2種主動(dòng)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浞桨?，從轉(zhuǎn)換器的個(gè)數(shù)上分為單或多轉(zhuǎn)換器拓?fù)浞桨?，如圖29所示。

圖26 雙轉(zhuǎn)換器燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)鋄123]Fig.26 Topology of hybrid fuel cell powered system with double converters[123]

圖27 燃料電池/鋰電池混合能源系統(tǒng)拓?fù)銯ig.27 Topology of hybrid fuel cell/Li-ion battery energy system

圖28 3種燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)鋄70]Fig.28 Three topologies of fuel cell powered systems[70]

圖29 燃料電池混合拓?fù)浞桨缚偨Y(jié)[131]Fig.29 Summary of topology scheme of hybrid fuel cell powered systems[131]

3) 太陽(yáng)能/燃料電池混合動(dòng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于更長(zhǎng)航時(shí)的需求和“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的思想，太陽(yáng)能電池/燃料電池混合拓?fù)渲饾u得到重視。2010年，伊利諾理工大學(xué)Chen和Khaligh[132]，采用可再生燃料電池和蓄電池作為無(wú)人機(jī)的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)，給出了典型的太陽(yáng)能/燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，如圖30所示。2012年，韓國(guó)宇航研究所Lee等[55]設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能電池/燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的主被動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，如圖31所示。同年，李延平等[133]也給出了太陽(yáng)能/燃料電池/鋰電池的混合動(dòng)力拓?fù)浞桨?，如圖32(a)所示。2016年，本文作者團(tuán)隊(duì)[110]詳細(xì)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能/燃料電池/鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)型，如圖32(b)所示。2019年，Lei等[131]也在綜述中總結(jié)了類(lèi)似與Lee的3種電源混合的拓?fù)浞桨?，如圖33所示。

從拓?fù)錁?gòu)型發(fā)展可見(jiàn)，混合能源越多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，為了追求更高的能源系統(tǒng)效率，主動(dòng)電力管理部件包括最大功率點(diǎn)跟蹤器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，以及能源管理系統(tǒng)也逐漸用于能源與動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之中，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的控制，為高效但復(fù)雜的能源管理策略提供了硬件支持。

2.2.3 能源管理研究進(jìn)展

太陽(yáng)能/氫能無(wú)人機(jī)能源管理的主要目的為：使無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)滯空，使能源系統(tǒng)健康、合理、高效地發(fā)揮“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的潛力。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的能源管理與飛行航跡耦合，主要有：最優(yōu)能量航跡策略和等效重力勢(shì)能儲(chǔ)能策略。2007—2009年，Klesh和Kabamba[134-135]研究了太陽(yáng)能飛機(jī)水平飛行時(shí)的能量最優(yōu)軌跡，2013—2016年，Hosseini等[136-137]發(fā)展了3D空間內(nèi)的太陽(yáng)能/蓄電池混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的最優(yōu)能量航跡規(guī)劃方法。2013年，Gao等[120, 138]開(kāi)展了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的等效勢(shì)能儲(chǔ)能策略研究。2016—2019年，Huang等[139-140]研究了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在跟蹤地面移動(dòng)目標(biāo)時(shí)的最優(yōu)能量航跡規(guī)劃方法。馬東立等[141-142]也開(kāi)展了基于重力儲(chǔ)能的飛行航跡研究和三維航跡的優(yōu)化研究。以上研究的主要面向高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，側(cè)重考慮大空域跨度內(nèi)姿態(tài)和航跡對(duì)太陽(yáng)能電池的影響，試圖找到能量最優(yōu)的飛行航跡，屬于預(yù)先規(guī)劃的范疇。對(duì)于輕小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，主要應(yīng)用于中低空環(huán)境，且執(zhí)行任務(wù)過(guò)程通常需要按照既定航線飛行，很難有足夠的空間和自由度進(jìn)行能量最優(yōu)航跡的規(guī)劃，其能源管理更側(cè)重于對(duì)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。

圖30 典型太陽(yáng)能/燃料電池/蓄電池混合拓?fù)鋄132]Fig.30 Typical topology of hybrid solar cell/fuel cell/battery powered system[132]

圖31 主被動(dòng)太陽(yáng)能/燃料電池/蓄電池混合拓?fù)鋄55]Fig.31 Passive and active topologies of hybrid solar cell/fuel cell/battery power system[55]

圖32 兩種太陽(yáng)能/燃料電池/蓄電池混合拓?fù)銯ig.32 Two topologies of hybrid solar cell/fuel cell/battery powered systems

燃料電池?zé)o人機(jī)的能源管理主要以燃料經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，電源健康工作條件一般作為約束條件。2008—2009年，佐治亞理工大學(xué)的Bradley等[106, 143]采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，以氫燃料消耗最小為目標(biāo)，針對(duì)給定的簡(jiǎn)單定常工況，開(kāi)展燃料電池和蓄電池之間最優(yōu)功率分配研究。2008—2012年，克蘭菲爾德大學(xué)的Karunarathne等[125]針對(duì)燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)，從能源管理系統(tǒng)和電力系統(tǒng)2個(gè)層面對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行管理，采用神經(jīng)模糊控制方法對(duì)燃料電池進(jìn)行控制[124, 144-145]，采用PID控制方法對(duì)DC/DC的輸出進(jìn)行控制[146]。針對(duì)給定任務(wù)剖面劃分5種飛行模式，制定3種燃料電池和蓄電池混合工作狀態(tài)進(jìn)行能源系統(tǒng)管理[126]。

2018年，張曉輝等[70, 80]建立了燃料電池/鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，提出了模糊控制能源管理策略，與被動(dòng)策略和狀態(tài)策略對(duì)比表明所提策略氫耗量最小，鋰電池的充放電狀態(tài)更為合理。2019年，戴月領(lǐng)[68]提出了燃料電池/鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)能源管理策略，并建立了燃料電池?zé)o人機(jī)混合動(dòng)力仿真試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)驗(yàn)證了所提模型預(yù)測(cè)控制策略的實(shí)時(shí)性和有效性。

Motapon等[147-148]針對(duì)應(yīng)用于多電飛機(jī)(More Electric Aircraft, MEA)的燃料電池/鋰電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)展了能源管理策略對(duì)比研究。主要涉及自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制策略、模糊邏輯控制策略、狀態(tài)機(jī)控制策略、經(jīng)典PI控制策略、頻率解耦控制策略，以及等效燃料消耗最小策略共6種能源管理策略。

考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前燃料電池/太陽(yáng)能電池/蓄電池混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的能源管理策略主要是基于規(guī)則的控制策略。2012年，Lee等[55]針對(duì)其主動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，采用恒溫器控制策略控制各個(gè)電源的輸出功率，通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了策略的有效性；同年，李延平等[133]采用有限狀態(tài)機(jī)策略設(shè)計(jì)了7種系統(tǒng)工作狀態(tài)，針對(duì)典型任務(wù)剖面，通過(guò)仿真驗(yàn)證了策略的功能性。此后，李延平等[79, 83]設(shè)計(jì)了相應(yīng)的能源管理控制器，構(gòu)建了三電混合的動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證了有限狀態(tài)機(jī)策略的實(shí)時(shí)性和有效性。為了改善有限狀態(tài)機(jī)控制策略局限性，2016年，張曉輝等[78]設(shè)計(jì)了能夠進(jìn)行主動(dòng)功率控制的三電混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，在此基礎(chǔ)上提出了基于規(guī)則的功率跟隨控制策略，能夠根據(jù)飛行剖面各階段需求功率和能源系統(tǒng)狀態(tài)，選擇輸出的電源組合，并對(duì)各電源功率進(jìn)行分配。2018年，為了進(jìn)一步改善策略的適應(yīng)性，張曉輝等[149]提出了模糊狀態(tài)機(jī)能源管理，將模糊控制引入對(duì)燃料電池和蓄電池的管理。

圖33 太陽(yáng)能/燃料電池混合多轉(zhuǎn)換器拓?fù)浞桨竅131]Fig.33 Topology of hybrid solar cell/fuel cell powered system with multi-converter[131]

2017—2018年，Gang等[76-77]設(shè)計(jì)了功率切換技術(shù)的混合能源管理策略，采用固態(tài)繼電器控制燃料電池系統(tǒng)和太陽(yáng)能電池系統(tǒng)中一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)輸出以滿(mǎn)足飛行需求，通過(guò)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，近20年來(lái)輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)已經(jīng)由新概念探索、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，正在迅速地向?qū)嵱没?、工程化邁進(jìn)。相關(guān)的核心技術(shù)，如總體設(shè)計(jì)技術(shù)、輕量化能源技術(shù)、能源管理與控制技術(shù)等已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，相關(guān)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的地面仿真平臺(tái)和空中飛行平臺(tái)已經(jīng)逐漸形成。

面向軍民用需求，輕小型太陽(yáng)能、氫能無(wú)人機(jī)未來(lái)主要的發(fā)展方向有：

1) 輕小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)航時(shí)技術(shù)。① 充分發(fā)揮氫燃料電池能量密度高的優(yōu)勢(shì)，研制氫燃料電池?zé)o人機(jī)，或采用氫燃料電池對(duì)現(xiàn)有的油動(dòng)、電動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)電動(dòng)化改造;② 發(fā)揮太陽(yáng)能電池?zé)o限能量的優(yōu)勢(shì)，均衡考慮太陽(yáng)能電池能量/重量/價(jià)格等問(wèn)題，研制小載荷下的環(huán)保太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)；③ 綜合考慮能源特點(diǎn)，研制氫燃料電池/太陽(yáng)能電池混合動(dòng)力輕小型無(wú)人機(jī)，最大限度滿(mǎn)足長(zhǎng)航時(shí)需求。

2) 輕小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)的高有效載荷比技術(shù)。綜合考慮氣動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)特型、太陽(yáng)能電池片、儲(chǔ)氫裝置、動(dòng)力裝置等，開(kāi)展氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)/能源/動(dòng)力一體化總體設(shè)計(jì)方法研究，提升有效載荷比，實(shí)現(xiàn)輕小型新能源無(wú)人機(jī)的工程應(yīng)用。

3) 高效能源動(dòng)力系統(tǒng)控制技術(shù)。綜合考慮太陽(yáng)能電池、氫燃料電池、鋰電池等多種能源，以及分布式動(dòng)力系統(tǒng)，開(kāi)展主動(dòng)式能源動(dòng)力系統(tǒng)的控制技術(shù)研究。

4) 能控/姿控/軌控一體化控制技術(shù)。綜合考慮混合能源之間、能源與飛行姿態(tài)、飛行軌跡之間復(fù)雜的耦合關(guān)系，開(kāi)展能控/姿控/軌控一體化控制技術(shù)研究。