太陽能混合動力氣囊機身驗證機

郭嘉琪++鄭興濤++董安琪

摘 要：太陽能混合動力氣囊機身驗證機是一種綠色環保的新型飛行器，通過覆蓋機身的太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在高效的鋰電池中，電池中儲存的電能穩定釋放，在飛行過程中通過鋰電池和太陽能提供飛行動力。在驗證機機身中，采用合理結構設計，將充有低于空氣密度的氣囊安裝在飛機機身內部，進而利用空氣浮力抵消機身重量，降低能耗。驗證機符合新能源開發的應用前景，采用多種手段降低能耗，增加航程，具有積極的實踐意義。

關鍵詞：太陽能混合動力氣囊機身驗證機 綠色環保 長時間巡航

中圖分類號：U463.343 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0001-02

1 緒論

1.1 太陽能無人機

太陽能飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽電池，因此，太陽能飛機的機翼面積較大。據了解，目前，美國正在研發若干款長航時無人機。該機利用太陽能電池板驅動電動馬達，為通信中繼或傳感器（攝像機等）提供動力，可日夜行動，在2～3萬m的高空飛行。

太陽能飛機是20世紀70年代隨著成本合理的太陽能電池的出現而問世的，當時只有微型型號，直到1980年才首次載人飛行，但從來沒有進行過載人整夜飛行，而且飛行距離一直較短。20世紀70年代末，人力飛機的發展積累了制造低速、低翼載、重量輕的飛機的經驗。在這一基礎上，美國在20世紀80年代初研制出“太陽挑戰者”號單座太陽能飛機。飛機翼展14.3 m，翼載荷為60帕（6公斤力/米2），飛機空重90 kg，機翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。目前，太陽能飛機還處于試驗研究階段，它的有效載重和速度都很低。

1.2 項目立意

太陽能混合動力氣囊機身驗證機是一種綠色環保的新型飛行器，通過覆蓋機身的太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在高效的鋰電池中，電池中儲存的電能穩定釋放，在飛行過程中通過鋰電池和太陽能提供飛行動力。

在驗證機機身中，采用合理結構設計，將充有低于空氣密度的氣囊安裝在飛機機身內部，進而利用空氣浮力抵消機身重量，降低能耗。

驗證機符合新能源開發的應用前景，采用多種手段降低能耗，增加航程，具有積極的實踐意義。

2 整機的設計

2.1 飛機結構的設計

由于項目中用到太陽能電池板為鋰電池供電，而太陽能給鋰電池供電時主要在無人機巡航階段，這就要求鋰電池原本就可以提供無人機較長的滯空時間，這樣就有更多的時間讓太陽能電池板給鋰電池充電。從而更增加飛機的巡航能力。

為了增加飛機的巡航階段的時間，方便飛機起飛，我們將無人機設計成了滑翔機結構，而且此方案經過了多次理論的計算和實際制作的考驗。其主要CAD圖紙如圖1、圖2：

為了能使其上面能鋪上太陽能電池板，我們對翼肋的上部進行了切割處理，使其平整，方便鋪上太陽能電池板。

機身方面，為了能在機體內充入盡可能多的氣，我們將機身中的隔框盡量的鏤空，在不使無人機機體的結構的破壞下，充入更多的氣體。

綜合以上，飛機的部分參數如表1。

2.2 無人機動力系統

飛機電機參數如表2。

螺旋槳為選用與低kV值電機相對應的大槳，1260的槳即直徑為12英寸即304.8 mm，螺距為6英寸即152.4 mm。

以下為電機配合槳工作的參數（見表3）。

在無人機中電調驅動電機完成各種指令。

電調全稱電子調速器，英文electronic speed controller，簡稱ESC。針對電機不同，可分為有刷電調和無刷電調。它根據控制信號調節電動機的轉速。電調輸入是直流，可以接穩壓電源，或者鋰電池。一般的供電都在2～6節鋰電池左右。輸出是三相交流，直接與電機的三相輸入端相連。如果上電后你的電機反轉，你只需要把這三根線中間的任意兩根對換位置即可。電調還有三根信號線連出，用來與接收機連接，控制電機的運轉。

電調選的是好盈牌飛騰FlyFun40A無刷電調。

2.3 無人機的能源管理系統

電池，我們選用的是ACE 2200mAh 3S 11.1V25C鋰電池組，具體參數如表4。

太陽能電池板的具體參數如表5。

調壓模塊為直流降壓模塊LM2596。

其參數如表6。

太陽能電池板給鋰電池充電，從而防止太陽能電池板給無人機直接供電導致某些情況下太陽能電池板瞬時提供的電量不夠給無人機供能的問題。

由于電池電壓為11.1 V，容量為2200 mAh，充電倍率為5 C，即：2.2×5=11（A），則最大充電電流為11A。

我們將機翼上表面鋪上40個太陽能電池板，并將其等分為兩組，每組20個。將每組內的電池板串聯，加上一個調壓模塊，在太陽底下將電壓調為15 V，這樣得到的電流為2.4 A。而這2.4 A的電流小于調壓模塊的最大輸出電流3 A的限制，所以是安全的。再將這兩個調壓模塊的輸出端并聯，就得到了一個輸出電壓為15 V，輸出電流為4.8 A的電池組。由于鋰電池的最大充電電流為11 A，所以用這個電池組給鋰電池充電是可行的。

算上鋰電池的充放電效率，太陽能電池組能傳遞給電機的功率約70 W。剛好為電機配合螺旋槳產生拉力效率最大的功率。此時的拉力為0.71 kg。推重比為0.28，足夠巡航時用。

2.4 無人機的氣囊

氣體方面數據如表7（在0℃、標準大氣壓下）。

結合上述數據，我們沖的氣體選定為氦氣。其密度較低，且安全性上遠高于氫氣。作為惰性氣體，氦氣也不會與無人機上的任何部件發生反應。

至此滿足了所有要求。

3 應用的前景

運用此無人機作為空中平臺，可以搭載設備進行航拍、監控、測繪等工作。由于采用太陽能功能，使無人機可以長時間的巡航，更好的完成任務。

參考文獻

[1] 魏岳江.太陽能無人機及其軍事應用[J].國防科技，2012（6）.

[2] 太陽能簡介[J].化工時代，2012，26（3）.

摘 要：太陽能混合動力氣囊機身驗證機是一種綠色環保的新型飛行器，通過覆蓋機身的太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在高效的鋰電池中，電池中儲存的電能穩定釋放，在飛行過程中通過鋰電池和太陽能提供飛行動力。在驗證機機身中，采用合理結構設計，將充有低于空氣密度的氣囊安裝在飛機機身內部，進而利用空氣浮力抵消機身重量，降低能耗。驗證機符合新能源開發的應用前景，采用多種手段降低能耗，增加航程，具有積極的實踐意義。

關鍵詞：太陽能混合動力氣囊機身驗證機 綠色環保 長時間巡航

中圖分類號：U463.343 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0001-02

1 緒論

1.1 太陽能無人機

太陽能飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽電池，因此，太陽能飛機的機翼面積較大。據了解，目前，美國正在研發若干款長航時無人機。該機利用太陽能電池板驅動電動馬達，為通信中繼或傳感器（攝像機等）提供動力，可日夜行動，在2～3萬m的高空飛行。

太陽能飛機是20世紀70年代隨著成本合理的太陽能電池的出現而問世的，當時只有微型型號，直到1980年才首次載人飛行，但從來沒有進行過載人整夜飛行，而且飛行距離一直較短。20世紀70年代末，人力飛機的發展積累了制造低速、低翼載、重量輕的飛機的經驗。在這一基礎上，美國在20世紀80年代初研制出“太陽挑戰者”號單座太陽能飛機。飛機翼展14.3 m，翼載荷為60帕（6公斤力/米2），飛機空重90 kg，機翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。目前，太陽能飛機還處于試驗研究階段，它的有效載重和速度都很低。

1.2 項目立意

太陽能混合動力氣囊機身驗證機是一種綠色環保的新型飛行器，通過覆蓋機身的太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在高效的鋰電池中，電池中儲存的電能穩定釋放，在飛行過程中通過鋰電池和太陽能提供飛行動力。

在驗證機機身中，采用合理結構設計，將充有低于空氣密度的氣囊安裝在飛機機身內部，進而利用空氣浮力抵消機身重量，降低能耗。

驗證機符合新能源開發的應用前景，采用多種手段降低能耗，增加航程，具有積極的實踐意義。

2 整機的設計

2.1 飛機結構的設計

由于項目中用到太陽能電池板為鋰電池供電，而太陽能給鋰電池供電時主要在無人機巡航階段，這就要求鋰電池原本就可以提供無人機較長的滯空時間，這樣就有更多的時間讓太陽能電池板給鋰電池充電。從而更增加飛機的巡航能力。

為了增加飛機的巡航階段的時間，方便飛機起飛，我們將無人機設計成了滑翔機結構，而且此方案經過了多次理論的計算和實際制作的考驗。其主要CAD圖紙如圖1、圖2：

為了能使其上面能鋪上太陽能電池板，我們對翼肋的上部進行了切割處理，使其平整，方便鋪上太陽能電池板。

機身方面，為了能在機體內充入盡可能多的氣，我們將機身中的隔框盡量的鏤空，在不使無人機機體的結構的破壞下，充入更多的氣體。

綜合以上，飛機的部分參數如表1。

2.2 無人機動力系統

飛機電機參數如表2。

螺旋槳為選用與低kV值電機相對應的大槳，1260的槳即直徑為12英寸即304.8 mm，螺距為6英寸即152.4 mm。

以下為電機配合槳工作的參數（見表3）。

在無人機中電調驅動電機完成各種指令。

電調全稱電子調速器，英文electronic speed controller，簡稱ESC。針對電機不同，可分為有刷電調和無刷電調。它根據控制信號調節電動機的轉速。電調輸入是直流，可以接穩壓電源，或者鋰電池。一般的供電都在2～6節鋰電池左右。輸出是三相交流，直接與電機的三相輸入端相連。如果上電后你的電機反轉，你只需要把這三根線中間的任意兩根對換位置即可。電調還有三根信號線連出，用來與接收機連接，控制電機的運轉。

電調選的是好盈牌飛騰FlyFun40A無刷電調。

2.3 無人機的能源管理系統

電池，我們選用的是ACE 2200mAh 3S 11.1V25C鋰電池組，具體參數如表4。

太陽能電池板的具體參數如表5。

調壓模塊為直流降壓模塊LM2596。

其參數如表6。

太陽能電池板給鋰電池充電，從而防止太陽能電池板給無人機直接供電導致某些情況下太陽能電池板瞬時提供的電量不夠給無人機供能的問題。

由于電池電壓為11.1 V，容量為2200 mAh，充電倍率為5 C，即：2.2×5=11（A），則最大充電電流為11A。

我們將機翼上表面鋪上40個太陽能電池板，并將其等分為兩組，每組20個。將每組內的電池板串聯，加上一個調壓模塊，在太陽底下將電壓調為15 V，這樣得到的電流為2.4 A。而這2.4 A的電流小于調壓模塊的最大輸出電流3 A的限制，所以是安全的。再將這兩個調壓模塊的輸出端并聯，就得到了一個輸出電壓為15 V，輸出電流為4.8 A的電池組。由于鋰電池的最大充電電流為11 A，所以用這個電池組給鋰電池充電是可行的。

算上鋰電池的充放電效率，太陽能電池組能傳遞給電機的功率約70 W。剛好為電機配合螺旋槳產生拉力效率最大的功率。此時的拉力為0.71 kg。推重比為0.28，足夠巡航時用。

2.4 無人機的氣囊

氣體方面數據如表7（在0℃、標準大氣壓下）。

結合上述數據，我們沖的氣體選定為氦氣。其密度較低，且安全性上遠高于氫氣。作為惰性氣體，氦氣也不會與無人機上的任何部件發生反應。

至此滿足了所有要求。

3 應用的前景

運用此無人機作為空中平臺，可以搭載設備進行航拍、監控、測繪等工作。由于采用太陽能功能，使無人機可以長時間的巡航，更好的完成任務。

參考文獻

[1] 魏岳江.太陽能無人機及其軍事應用[J].國防科技，2012（6）.

[2] 太陽能簡介[J].化工時代，2012，26（3）.

摘 要：太陽能混合動力氣囊機身驗證機是一種綠色環保的新型飛行器，通過覆蓋機身的太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在高效的鋰電池中，電池中儲存的電能穩定釋放，在飛行過程中通過鋰電池和太陽能提供飛行動力。在驗證機機身中，采用合理結構設計，將充有低于空氣密度的氣囊安裝在飛機機身內部，進而利用空氣浮力抵消機身重量，降低能耗。驗證機符合新能源開發的應用前景，采用多種手段降低能耗，增加航程，具有積極的實踐意義。

關鍵詞：太陽能混合動力氣囊機身驗證機 綠色環保 長時間巡航

中圖分類號：U463.343 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0001-02

1 緒論

1.1 太陽能無人機

太陽能飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽電池，因此，太陽能飛機的機翼面積較大。據了解，目前，美國正在研發若干款長航時無人機。該機利用太陽能電池板驅動電動馬達，為通信中繼或傳感器（攝像機等）提供動力，可日夜行動，在2～3萬m的高空飛行。

太陽能飛機是20世紀70年代隨著成本合理的太陽能電池的出現而問世的，當時只有微型型號，直到1980年才首次載人飛行，但從來沒有進行過載人整夜飛行，而且飛行距離一直較短。20世紀70年代末，人力飛機的發展積累了制造低速、低翼載、重量輕的飛機的經驗。在這一基礎上，美國在20世紀80年代初研制出“太陽挑戰者”號單座太陽能飛機。飛機翼展14.3 m，翼載荷為60帕（6公斤力/米2），飛機空重90 kg，機翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。目前，太陽能飛機還處于試驗研究階段，它的有效載重和速度都很低。

1.2 項目立意

太陽能混合動力氣囊機身驗證機是一種綠色環保的新型飛行器，通過覆蓋機身的太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在高效的鋰電池中，電池中儲存的電能穩定釋放，在飛行過程中通過鋰電池和太陽能提供飛行動力。

在驗證機機身中，采用合理結構設計，將充有低于空氣密度的氣囊安裝在飛機機身內部，進而利用空氣浮力抵消機身重量，降低能耗。

驗證機符合新能源開發的應用前景，采用多種手段降低能耗，增加航程，具有積極的實踐意義。

2 整機的設計

2.1 飛機結構的設計

由于項目中用到太陽能電池板為鋰電池供電，而太陽能給鋰電池供電時主要在無人機巡航階段，這就要求鋰電池原本就可以提供無人機較長的滯空時間，這樣就有更多的時間讓太陽能電池板給鋰電池充電。從而更增加飛機的巡航能力。

為了增加飛機的巡航階段的時間，方便飛機起飛，我們將無人機設計成了滑翔機結構，而且此方案經過了多次理論的計算和實際制作的考驗。其主要CAD圖紙如圖1、圖2：

為了能使其上面能鋪上太陽能電池板，我們對翼肋的上部進行了切割處理，使其平整，方便鋪上太陽能電池板。

機身方面，為了能在機體內充入盡可能多的氣，我們將機身中的隔框盡量的鏤空，在不使無人機機體的結構的破壞下，充入更多的氣體。

綜合以上，飛機的部分參數如表1。

2.2 無人機動力系統

飛機電機參數如表2。

螺旋槳為選用與低kV值電機相對應的大槳，1260的槳即直徑為12英寸即304.8 mm，螺距為6英寸即152.4 mm。

以下為電機配合槳工作的參數（見表3）。

在無人機中電調驅動電機完成各種指令。

電調全稱電子調速器，英文electronic speed controller，簡稱ESC。針對電機不同，可分為有刷電調和無刷電調。它根據控制信號調節電動機的轉速。電調輸入是直流，可以接穩壓電源，或者鋰電池。一般的供電都在2～6節鋰電池左右。輸出是三相交流，直接與電機的三相輸入端相連。如果上電后你的電機反轉，你只需要把這三根線中間的任意兩根對換位置即可。電調還有三根信號線連出，用來與接收機連接，控制電機的運轉。

電調選的是好盈牌飛騰FlyFun40A無刷電調。

2.3 無人機的能源管理系統

電池，我們選用的是ACE 2200mAh 3S 11.1V25C鋰電池組，具體參數如表4。

太陽能電池板的具體參數如表5。

調壓模塊為直流降壓模塊LM2596。

其參數如表6。

太陽能電池板給鋰電池充電，從而防止太陽能電池板給無人機直接供電導致某些情況下太陽能電池板瞬時提供的電量不夠給無人機供能的問題。

由于電池電壓為11.1 V，容量為2200 mAh，充電倍率為5 C，即：2.2×5=11（A），則最大充電電流為11A。

我們將機翼上表面鋪上40個太陽能電池板，并將其等分為兩組，每組20個。將每組內的電池板串聯，加上一個調壓模塊，在太陽底下將電壓調為15 V，這樣得到的電流為2.4 A。而這2.4 A的電流小于調壓模塊的最大輸出電流3 A的限制，所以是安全的。再將這兩個調壓模塊的輸出端并聯，就得到了一個輸出電壓為15 V，輸出電流為4.8 A的電池組。由于鋰電池的最大充電電流為11 A，所以用這個電池組給鋰電池充電是可行的。

算上鋰電池的充放電效率，太陽能電池組能傳遞給電機的功率約70 W。剛好為電機配合螺旋槳產生拉力效率最大的功率。此時的拉力為0.71 kg。推重比為0.28，足夠巡航時用。

2.4 無人機的氣囊

氣體方面數據如表7（在0℃、標準大氣壓下）。

結合上述數據，我們沖的氣體選定為氦氣。其密度較低，且安全性上遠高于氫氣。作為惰性氣體，氦氣也不會與無人機上的任何部件發生反應。

至此滿足了所有要求。

3 應用的前景

運用此無人機作為空中平臺，可以搭載設備進行航拍、監控、測繪等工作。由于采用太陽能功能，使無人機可以長時間的巡航，更好的完成任務。

參考文獻

[1] 魏岳江.太陽能無人機及其軍事應用[J].國防科技，2012（6）.

[2] 太陽能簡介[J].化工時代，2012，26（3）.