長航時混合動力無人機設計及能源管理

孟軍輝（北京理工大學宇航學院）

長航時無人機由于其留空時間長，可廣泛應用于軍民領域的空中監控與偵察，近年來得到廣泛的關注。由于長時留空的需求，能源動力系統成為其設計的關鍵。隨著環境問題的日益嚴重，以太陽能、燃料電池、鋰電池等多種混合能源為動力的新型無人機逐漸進入公眾視野。參考混合動力汽車行業的發展，為了實現高效的能量輸出與供給，無人機能源控制及管理成為其設計的重要環節。

長航時無人機因為可以實現長時間空中巡航，非常適用于以信息技術為主的現代高科技局部戰爭中敏感地區不間斷的實時情報偵察和監視，甚至被稱為“大氣層衛星”，因此得到了世界很多國家和地區的重視，各科研機構圍繞長航時無人機開展了大量的相關試驗和研究，并有相關型號問世。另外，長航時無人機在民用領域也擁有廣闊的應用前景，主要包括氣象檢測、地質災害實時檢測、沿海無線監控、地理信息測繪、農業信息監管等。由于長時間駐空飛行的需求，輕質高效的能源供給成為長航時無人機設計的關鍵技術之一，傳統的化石燃料能源已經成為其航時的巨大阻礙。在提升無人機性能的同時，各研究機構的研究焦點主要集中在太陽能、氫能等新型能源的利用上，希望能給長航時無人機的發展帶來新的動力。

美軍在無人機的發展方面提出了不同種類各層面梯次搭配的無人機家族。小型長航時無人機載荷重量和尺寸都存在限制，但同時也具有操縱更加簡單、靈活，飛行更加安全，成本相對較低等獨特的優點。現階段化石燃料的供應趨緊和空氣污染的日益加重，同時更高能量密度和更大供電功率能源的快速發展，使得小型長航時無人機逐漸向著尺寸更小、續航時間更久的方向發展。

航空和地面車輛中常用儲能原件Ragone圖。

長航時混合動力無人機能源動力系統

能源動力系統是長航時無人機設計重點考慮的部分。現階段研制的電動無人機多數采用鋰電池等蓄電池作為能源。參考幾種在航空和車輛常用的儲能原件Ragone圖可以看出，鋰電池等化學電池的功率密度較高，適合短時間高功率放電，但其能量密度小，無法滿足長航時無人機長時間放電的需求；與化學電池相比，以氫燃料電池為代表的燃料電池能量密度較高，適合小功率長時間放電；但同時功率密度也相對較小，不適合高功率短時放電。另外，由于當前的儲氫等燃料電池存儲技術尚處于起步階段，使得燃料電池無人機的航時同樣受到影響。因此，將傳統鋰電池與燃料電池和太陽能電池等新型能源搭配組成混合能源，成為解決長航時無人機供電功率與續航時間之間的矛盾的有效途徑。

長航時無人機由于可以長時間留空飛行，使用太陽能電池將源源不斷的太陽輻射帶來的能量轉化為電能理所當然成為其能量來源的首選。太陽能無人機通過光伏電池將太陽能轉化為電能，同時利用儲能電池將多余的電能進行儲存，理論上可實現晝夜24小時不間斷的飛行。但是，現階段太陽能電池的發電效率相對較低，大面積的光伏電池及其安裝系統給無人機的結構重量帶來了很大壓力；同時，對于低空飛行的小型長航時無人機而言，其飛行環境的太陽光照條件受云層遮擋、大氣衰減等環境影響較大，嚴重影響了無人機的續航性能。

總體而言，對于長航時無人機，單獨的太陽能電池或者燃料電池能源系統基本解決了化石能源帶來的環境問題，甚至通過與鋰電池的混合可實現跨晝夜的長時間飛行。但能源管理系統帶來的無人機總體重量的增加使得其結構強度，尤其是機翼結構強度做出了很大的犧牲，導致其工作環境基本被限定在氣流較為平緩的平流層。因此，鑒于太陽能電池可以不斷獲得能量供給的特點，將燃料電池與鋰電池結合的能源系統中加入太陽能電池，形成三者混合的動力系統，發揮各自能源的優勢，或許將會成為發展長航時無人機，特別是低空小型長航時無人機的解決之道。

長航時無人機典型任務剖面圖。

國內外發展現狀

多能源混合技術首先在汽車行業得到應用。對于混合動力汽車，一般是指油電混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV），即采用傳統的內燃機（柴油機或汽油機）和電動機作為動力源，也有的發動機經過改造使用其他替代燃料，如壓縮天然氣、丙烷和乙醇燃料等。清華大學田光宇教授在2001年提出混合動力汽車的混合動力系統基本可分為串聯式、并聯式和混聯式3種。在選型中，需要考慮車輛的使用條件、性能要求和成本、使用維護費用等因素，這對于無人機混合動力系統的選型和設計提供一定的參考。

目前，國內外關于太陽能/氫能混合動力的研究大多集中于太陽能/氫能聯合發電領域，主要用于大型光伏電池陣列與氫燃料電池共同工作的并網發電。在航空無人機領域，為了追求更長的航時，也有研究者對光伏電池與燃料電池相結合的途徑進行了研究。M.Harmats和D.Weihs于1999年對混合動力高空長航時無人機的設計過程進行了較為詳盡的闡述，在整機氣動性能分析的基礎上，結合能量平衡的要求，對無人機翼面積進行了設計。混合動力無人機并非簡單地在現有太陽能無人機或燃料電池無人機的基礎上增加新的能源系統，需要重新進行詳細的系統設計。美國在太陽能無人機的基礎上加裝燃料電池，以解決蓄電池能量密度低的問題，結果由于高翼載荷下遇到湍流而引起大柔性機翼結構失效而墜毀。美國伊利諾理工大學提出了太陽能/氫能混合的方案，通過仿真說明了理論上的可行性，但并沒有進行飛行試驗驗證。韓國宇航研究院在燃料電池無人機的基礎上，重新設計并增加了太陽能電池，完成了22h8min連續飛行試驗，證明了低空太陽能/氫能混合動力無人機方案的可行性。

現階段我國對于長航時無人機的研究，大多側重于高空無人機的設計，對于低空混合動力無人機的研究相對較少。國內有專家提出了太陽能/氫能混合動力無人機概念，開展了混合動力小型無人機總體設計關鍵技術的研究，并搭建了太陽能/氫能混合動力無人機動力系統能源控制地面測試平臺，使用質子交換膜燃料電池、太陽能電池和蓄電池進行了能源系統運行與切換的地面試驗。2012年，我國“雷鳥”（LN60F）無人機，采用全碳纖維復合材料結構。以氫燃料電池作為主要動力源，鋰電池作為輔助動力源的無人試驗機在沈陽某機場首飛取得圓滿成功。近年來，混合動力技術已經在汽車行業被廣泛應用，實踐證明這是一種行之有效的新技術，可以預見它在航空領域必定有著廣闊的前景。

長航時混合動力無人機設計

混合動力無人機總體設計是一個復雜的系統工程，是將任務需求轉化為設計方案的過程，涉及到多個學科，且不同學科之間往往存在著復雜的耦合關系，設計過程要以能量為核心，建立供能關系、升力與重力的關系。對于常規固定翼飛機的總體設計流程，定義任務需求，即確定任務剖面，對于確定燃油質量系數及各飛行階段飛機重量極其重要。對于無人機，尤其是長航時混合動力無人機來說，確定任務剖面成為更加重要的問題。混合動力系統所涉及到的太陽能電池、燃料電池和儲能鋰電池等系統，針對不同任務需求制定控制策略，優化控制能量合理流動，使得長航時混合動力無人機滿足設計要求的條件下等效燃油消耗量較少且運行穩定的目的。另外，混合動力系統中太陽能電池、燃料電池和儲能鋰電池等電學輸出特性不僅受溫度、氣壓等大氣環境影響，還受到飛機姿態、太陽光照環境和大氣成分等影響，不同任務需求對其系統設計產生很大的影響。

相比于常規的固定翼飛機，長航時無人機存在著自身的特點。機翼尺寸大、翼載荷小、超大展弦比和結構輕等特點使得長航時無人機結構較弱，氣動彈性問題嚴重，影響飛機的操控性、穩定性和安全性。在太陽能、鋰電池、燃料電池等多種混合能源的基礎上，結合重量平衡、能量平衡的設計原則，考慮無人機重量/能量耦合關系，以翼展、展弦比等無人機參數作為主要設計變量，對無人機總體方案進行設計。

首先，對于重量平衡，需要滿足長航時無人機各部分總量之和等于全機升力，并且重心和焦點等相對位置需要滿足穩定性要求，從而實現無人機整體配平狀態。其次，對于能量平衡，需要滿足長航時無人機飛行過程中各個階段能量消耗量與多種混合能源提供的總能量相等。此外，無人機在長時間駐空飛行過程中，需要時刻滿足功率需求，即電源系統所能夠提供的功率輸出不小于無人機飛行所需總功率。

并聯式混合動力汽車能源管理策略類型。

長航時混合動力無人機能源控制與管理

長航時混合動力無人機動力能源多樣，不同任務需求條件下需要滿足重量平衡、能量平衡以及功率需求等要求，因此不同能源系統之間的控制及分配管理成為長航時混合動力無人機的靈魂。

根據飛行剖面中不同的飛行階段，起飛段和爬升段需用功率較大，單種能源無法滿足需求功率要求，可考慮采用多種能源混合輸出模式。巡航段優先使用太陽能電池，在光照條件不滿足要求時可考慮使用燃料電池作為主要能源，全過程中鋰電池作為輔助能源使用。降落段和著陸段，太陽能電池、氫燃料電池和鋰電池等可根據電量和功率等要求進行任意的組合，這就需要對能源分配進行一定的優化設計。目前混合動力汽車經過長期理論研究和實驗技術積累，已經取得較好的結果。因此，在設計長航時混合動力無人機能量管理系統時，可借鑒混合動力汽車能量管理的成功經驗。

目前，在混合動力汽車設計領域研究較多的能量控制策略主要有基于規則的控制策略和基于優化的控制策略兩種。對比分析兩種不同的控制策略可知，基于規則的控制策略可以對汽車的功率分配進行實時的管理，并且易于工程實現，因而實際應用相對較多。但是，這種控制策略所采用的規則多來源于設計師的直覺感知、工程經驗和建模仿真，不依賴于特定的工況或工作循環。基于優化的控制策略需要知道車輛在整個運行區間的全部數據，然后才能對控制過程進行優化求解，因為無法預知未來的車輛工況數據，所以該方法在實際工程中應用的難度較高。

與混合動力汽車相比，長航時無人機中關于混合動力的研究相對薄弱。現階段僅有少數人研究了用于無人機能量控制的邏輯門限管理策略和神經模糊自適應管理策略，尚沒有出現關于無人機能量管理策略優化的研究。基于優化的無人機能量管理的實現，除了需要考慮算法本身的局限性外，還需要考慮無人機對混合動力系統的功重比要求的約束。能夠進行主動優化控制的混合動力系統，同時也可能會導致推進系統重量的增加，從而降低混合動力所帶來的優勢。

結束語

本文介紹了長航時無人機發展過程中新的嘗試——混合動力無人機。混合動力無人機總體設計是一個復雜的系統工程，是將任務需求轉化為設計方案的過程，涉及到多個學科，且不同學科之間往往存在著復雜的耦合關系，設計過程要以能量為核心，在太陽能、燃料電池和鋰電池等多種混合能源的基礎上，結合重量平衡和能量平衡的設計原則，對無人機總體方案進行設計。根據任務剖面中不同的飛行階段，參考混合動力汽車，對長航時無人機多種混合能源進行分配與控制，成為提高其續航時間，增加載荷量的有效手段。 ■