长航时混合动力无人机设计及能源管理

孟军辉（北京理工大学宇航学院）

长航时无人机由于其留空时间长，可广泛应用于军民领域的空中监控与侦察，近年来得到广泛的关注。由于长时留空的需求，能源动力系统成为其设计的关键。随着环境问题的日益严重，以太阳能、燃料电池、锂电池等多种混合能源为动力的新型无人机逐渐进入公众视野。参考混合动力汽车行业的发展，为了实现高效的能量输出与供给，无人机能源控制及管理成为其设计的重要环节。

长航时无人机因为可以实现长时间空中巡航，非常适用于以信息技术为主的现代高科技局部战争中敏感地区不间断的实时情报侦察和监视，甚至被称为“大气层卫星”，因此得到了世界很多国家和地区的重视，各科研机构围绕长航时无人机开展了大量的相关试验和研究，并有相关型号问世。另外，长航时无人机在民用领域也拥有广阔的应用前景，主要包括气象检测、地质灾害实时检测、沿海无线监控、地理信息测绘、农业信息监管等。由于长时间驻空飞行的需求，轻质高效的能源供给成为长航时无人机设计的关键技术之一，传统的化石燃料能源已经成为其航时的巨大阻碍。在提升无人机性能的同时，各研究机构的研究焦点主要集中在太阳能、氢能等新型能源的利用上，希望能给长航时无人机的发展带来新的动力。

美军在无人机的发展方面提出了不同种类各层面梯次搭配的无人机家族。小型长航时无人机载荷重量和尺寸都存在限制，但同时也具有操纵更加简单、灵活，飞行更加安全，成本相对较低等独特的优点。现阶段化石燃料的供应趋紧和空气污染的日益加重，同时更高能量密度和更大供电功率能源的快速发展，使得小型长航时无人机逐渐向着尺寸更小、续航时间更久的方向发展。

航空和地面车辆中常用储能原件Ragone图。

长航时混合动力无人机能源动力系统

能源动力系统是长航时无人机设计重点考虑的部分。现阶段研制的电动无人机多数采用锂电池等蓄电池作为能源。参考几种在航空和车辆常用的储能原件Ragone图可以看出，锂电池等化学电池的功率密度较高，适合短时间高功率放电，但其能量密度小，无法满足长航时无人机长时间放电的需求；与化学电池相比，以氢燃料电池为代表的燃料电池能量密度较高，适合小功率长时间放电；但同时功率密度也相对较小，不适合高功率短时放电。另外，由于当前的储氢等燃料电池存储技术尚处于起步阶段，使得燃料电池无人机的航时同样受到影响。因此，将传统锂电池与燃料电池和太阳能电池等新型能源搭配组成混合能源，成为解决长航时无人机供电功率与续航时间之间的矛盾的有效途径。

长航时无人机由于可以长时间留空飞行，使用太阳能电池将源源不断的太阳辐射带来的能量转化为电能理所当然成为其能量来源的首选。太阳能无人机通过光伏电池将太阳能转化为电能，同时利用储能电池将多余的电能进行储存，理论上可实现昼夜24小时不间断的飞行。但是，现阶段太阳能电池的发电效率相对较低，大面积的光伏电池及其安装系统给无人机的结构重量带来了很大压力；同时，对于低空飞行的小型长航时无人机而言，其飞行环境的太阳光照条件受云层遮挡、大气衰减等环境影响较大，严重影响了无人机的续航性能。

总体而言，对于长航时无人机，单独的太阳能电池或者燃料电池能源系统基本解决了化石能源带来的环境问题，甚至通过与锂电池的混合可实现跨昼夜的长时间飞行。但能源管理系统带来的无人机总体重量的增加使得其结构强度，尤其是机翼结构强度做出了很大的牺牲，导致其工作环境基本被限定在气流较为平缓的平流层。因此，鉴于太阳能电池可以不断获得能量供给的特点，将燃料电池与锂电池结合的能源系统中加入太阳能电池，形成三者混合的动力系统，发挥各自能源的优势，或许将会成为发展长航时无人机，特别是低空小型长航时无人机的解决之道。

长航时无人机典型任务剖面图。

国内外发展现状

多能源混合技术首先在汽车行业得到应用。对于混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV），即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。清华大学田光宇教授在2001年提出混合动力汽车的混合动力系统基本可分为串联式、并联式和混联式3种。在选型中，需要考虑车辆的使用条件、性能要求和成本、使用维护费用等因素，这对于无人机混合动力系统的选型和设计提供一定的参考。

目前，国内外关于太阳能/氢能混合动力的研究大多集中于太阳能/氢能联合发电领域，主要用于大型光伏电池阵列与氢燃料电池共同工作的并网发电。在航空无人机领域，为了追求更长的航时，也有研究者对光伏电池与燃料电池相结合的途径进行了研究。M.Harmats和D.Weihs于1999年对混合动力高空长航时无人机的设计过程进行了较为详尽的阐述，在整机气动性能分析的基础上，结合能量平衡的要求，对无人机翼面积进行了设计。混合动力无人机并非简单地在现有太阳能无人机或燃料电池无人机的基础上增加新的能源系统，需要重新进行详细的系统设计。美国在太阳能无人机的基础上加装燃料电池，以解决蓄电池能量密度低的问题，结果由于高翼载荷下遇到湍流而引起大柔性机翼结构失效而坠毁。美国伊利诺理工大学提出了太阳能/氢能混合的方案，通过仿真说明了理论上的可行性，但并没有进行飞行试验验证。韩国宇航研究院在燃料电池无人机的基础上，重新设计并增加了太阳能电池，完成了22h8min连续飞行试验，证明了低空太阳能/氢能混合动力无人机方案的可行性。

现阶段我国对于长航时无人机的研究，大多侧重于高空无人机的设计，对于低空混合动力无人机的研究相对较少。国内有专家提出了太阳能/氢能混合动力无人机概念，开展了混合动力小型无人机总体设计关键技术的研究，并搭建了太阳能/氢能混合动力无人机动力系统能源控制地面测试平台，使用质子交换膜燃料电池、太阳能电池和蓄电池进行了能源系统运行与切换的地面试验。2012年，我国“雷鸟”（LN60F）无人机，采用全碳纤维复合材料结构。以氢燃料电池作为主要动力源，锂电池作为辅助动力源的无人试验机在沈阳某机场首飞取得圆满成功。近年来，混合动力技术已经在汽车行业被广泛应用，实践证明这是一种行之有效的新技术，可以预见它在航空领域必定有着广阔的前景。

长航时混合动力无人机设计

混合动力无人机总体设计是一个复杂的系统工程，是将任务需求转化为设计方案的过程，涉及到多个学科，且不同学科之间往往存在着复杂的耦合关系，设计过程要以能量为核心，建立供能关系、升力与重力的关系。对于常规固定翼飞机的总体设计流程，定义任务需求，即确定任务剖面，对于确定燃油质量系数及各飞行阶段飞机重量极其重要。对于无人机，尤其是长航时混合动力无人机来说，确定任务剖面成为更加重要的问题。混合动力系统所涉及到的太阳能电池、燃料电池和储能锂电池等系统，针对不同任务需求制定控制策略，优化控制能量合理流动，使得长航时混合动力无人机满足设计要求的条件下等效燃油消耗量较少且运行稳定的目的。另外，混合动力系统中太阳能电池、燃料电池和储能锂电池等电学输出特性不仅受温度、气压等大气环境影响，还受到飞机姿态、太阳光照环境和大气成分等影响，不同任务需求对其系统设计产生很大的影响。

相比于常规的固定翼飞机，长航时无人机存在着自身的特点。机翼尺寸大、翼载荷小、超大展弦比和结构轻等特点使得长航时无人机结构较弱，气动弹性问题严重，影响飞机的操控性、稳定性和安全性。在太阳能、锂电池、燃料电池等多种混合能源的基础上，结合重量平衡、能量平衡的设计原则，考虑无人机重量/能量耦合关系，以翼展、展弦比等无人机参数作为主要设计变量，对无人机总体方案进行设计。

首先，对于重量平衡，需要满足长航时无人机各部分总量之和等于全机升力，并且重心和焦点等相对位置需要满足稳定性要求，从而实现无人机整体配平状态。其次，对于能量平衡，需要满足长航时无人机飞行过程中各个阶段能量消耗量与多种混合能源提供的总能量相等。此外，无人机在长时间驻空飞行过程中，需要时刻满足功率需求，即电源系统所能够提供的功率输出不小于无人机飞行所需总功率。

并联式混合动力汽车能源管理策略类型。

长航时混合动力无人机能源控制与管理

长航时混合动力无人机动力能源多样，不同任务需求条件下需要满足重量平衡、能量平衡以及功率需求等要求，因此不同能源系统之间的控制及分配管理成为长航时混合动力无人机的灵魂。

根据飞行剖面中不同的飞行阶段，起飞段和爬升段需用功率较大，单种能源无法满足需求功率要求，可考虑采用多种能源混合输出模式。巡航段优先使用太阳能电池，在光照条件不满足要求时可考虑使用燃料电池作为主要能源，全过程中锂电池作为辅助能源使用。降落段和着陆段，太阳能电池、氢燃料电池和锂电池等可根据电量和功率等要求进行任意的组合，这就需要对能源分配进行一定的优化设计。目前混合动力汽车经过长期理论研究和实验技术积累，已经取得较好的结果。因此，在设计长航时混合动力无人机能量管理系统时，可借鉴混合动力汽车能量管理的成功经验。

目前，在混合动力汽车设计领域研究较多的能量控制策略主要有基于规则的控制策略和基于优化的控制策略两种。对比分析两种不同的控制策略可知，基于规则的控制策略可以对汽车的功率分配进行实时的管理，并且易于工程实现，因而实际应用相对较多。但是，这种控制策略所采用的规则多来源于设计师的直觉感知、工程经验和建模仿真，不依赖于特定的工况或工作循环。基于优化的控制策略需要知道车辆在整个运行区间的全部数据，然后才能对控制过程进行优化求解，因为无法预知未来的车辆工况数据，所以该方法在实际工程中应用的难度较高。

与混合动力汽车相比，长航时无人机中关于混合动力的研究相对薄弱。现阶段仅有少数人研究了用于无人机能量控制的逻辑门限管理策略和神经模糊自适应管理策略，尚没有出现关于无人机能量管理策略优化的研究。基于优化的无人机能量管理的实现，除了需要考虑算法本身的局限性外，还需要考虑无人机对混合动力系统的功重比要求的约束。能够进行主动优化控制的混合动力系统，同时也可能会导致推进系统重量的增加，从而降低混合动力所带来的优势。

结束语

本文介绍了长航时无人机发展过程中新的尝试——混合动力无人机。混合动力无人机总体设计是一个复杂的系统工程，是将任务需求转化为设计方案的过程，涉及到多个学科，且不同学科之间往往存在着复杂的耦合关系，设计过程要以能量为核心，在太阳能、燃料电池和锂电池等多种混合能源的基础上，结合重量平衡和能量平衡的设计原则，对无人机总体方案进行设计。根据任务剖面中不同的飞行阶段，参考混合动力汽车，对长航时无人机多种混合能源进行分配与控制，成为提高其续航时间，增加载荷量的有效手段。 ■