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(yīng)用于軍民領(lǐng)域的空中監(jiān)控與偵察，近年來得到廣泛的關(guān)注。由于長時留空的需求，能源動力系統(tǒng)成為其設(shè)計的關(guān)鍵。隨著環(huán)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(yè)的發(fā)展，為了實現(xiàn)高效的能量輸出與供給，無人機能源控制及管理成為其設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

長航時無人機因為可以實現(xiàn)長時間空中巡航，非常適用于以信息技術(shù)為主的現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭中敏感地區(qū)不間斷的實時情報偵察和監(jiān)視，甚至被稱為“大氣層衛(wèi)星”，因此得到了世界很多國家和地區(qū)的重視，各科研機構(gòu)圍繞長航時無人機開展了大量的相關(guān)試驗和研究，并有相關(guān)型號問世。另外，長航時無人機在民用領(lǐng)域也擁有廣闊的應(yīng)用前景，主要包括氣象檢測、地質(zhì)災害實時檢測、沿海無線監(jiān)控、地理信息測繪、農(nóng)業(yè)信息監(jiān)管等。由于長時間駐空飛行的需求，輕質(zhì)高效的能源供給成為長航時無人機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳統(tǒng)的化石燃料能源已經(jīng)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(gòu)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(fā)展帶來新的動力。

美軍在無人機的發(fā)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(yōu)點?，F(xiàn)階段化石燃料的供應(yīng)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(fā)展，使得小型長航時無人機逐漸向著尺寸更小、續(xù)航時間更久的方向發(fā)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(tǒng)

能源動力系統(tǒng)是長航時無人機設(shè)計重點考慮的部分。現(xiàn)階段研制的電動無人機多數(shù)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(shù)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(tǒng)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(xù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)晝夜24小時不間斷的飛行。但是，現(xiàn)階段太陽能電池的發(fā)電效率相對較低，大面積的光伏電池及其安裝系統(tǒng)給無人機的結(jié)構(gòu)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(huán)境的太陽光照條件受云層遮擋、大氣衰減等環(huán)境影響較大，嚴重影響了無人機的續(xù)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(tǒng)基本解決了化石能源帶來的環(huán)境問題，甚至通過與鋰電池的混合可實現(xiàn)跨晝夜的長時間飛行。但能源管理系統(tǒng)帶來的無人機總體重量的增加使得其結(jié)構(gòu)強度，尤其是機翼結(jié)構(gòu)強度做出了很大的犧牲，導致其工作環(huán)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(jié)合的能源系統(tǒng)中加入太陽能電池，形成三者混合的動力系統(tǒng)，發(fā)揮各自能源的優(yōu)勢，或許將會成為發(fā)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(wù)剖面圖。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

多能源混合技術(shù)首先在汽車行業(yè)得到應(yīng)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(tǒng)的內(nèi)燃機（柴油機或汽油機）和電動機作為動力源，也有的發(fā)動機經(jīng)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(tǒng)基本可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)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(tǒng)的選型和設(shè)計提供一定的參考。

目前，國內(nèi)外關(guān)于太陽能/氫能混合動力的研究大多集中于太陽能/氫能聯(lián)合發(fā)電領(lǐng)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(wǎng)發(fā)電。在航空無人機領(lǐng)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(jié)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(shè)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(chǔ)上，結(jié)合能量平衡的要求，對無人機翼面積進行了設(shè)計?；旌蟿恿o人機并非簡單地在現(xiàn)有太陽能無人機或燃料電池無人機的基礎(chǔ)上增加新的能源系統(tǒng)，需要重新進行詳細的系統(tǒng)設(shè)計。美國在太陽能無人機的基礎(chǔ)上加裝燃料電池，以解決蓄電池能量密度低的問題，結(jié)果由于高翼載荷下遇到湍流而引起大柔性機翼結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，重新設(shè)計并增加了太陽能電池，完成了22h8min連續(xù)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(xiàn)階段我國對于長航時無人機的研究，大多側(cè)重于高空無人機的設(shè)計，對于低空混合動力無人機的研究相對較少。國內(nèi)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(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的研究，并搭建了太陽能/氫能混合動力無人機動力系統(tǒng)能源控制地面測試平臺，使用質(zhì)子交換膜燃料電池、太陽能電池和蓄電池進行了能源系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。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(shù)已經(jīng)在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用，實踐證明這是一種行之有效的新技術(shù)，可以預見它在航空領(lǐng)域必定有著廣闊的前景。

長航時混合動力無人機設(shè)計

混合動力無人機總體設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，是將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為設(shè)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(guān)系，設(shè)計過程要以能量為核心，建立供能關(guān)系、升力與重力的關(guān)系。對于常規(guī)固定翼飛機的總體設(shè)計流程，定義任務(wù)需求，即確定任務(wù)剖面，對于確定燃油質(zhì)量系數(shù)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(wù)剖面成為更加重要的問題。混合動力系統(tǒng)所涉及到的太陽能電池、燃料電池和儲能鋰電池等系統(tǒng)，針對不同任務(wù)需求制定控制策略，優(yōu)化控制能量合理流動，使得長航時混合動力無人機滿足設(shè)計要求的條件下等效燃油消耗量較少且運行穩(wěn)定的目的。另外，混合動力系統(tǒng)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(huán)境影響，還受到飛機姿態(tài)、太陽光照環(huán)境和大氣成分等影響，不同任務(wù)需求對其系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生很大的影響。

相比于常規(guī)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(jié)構(gòu)輕等特點使得長航時無人機結(jié)構(gòu)較弱，氣動彈性問題嚴重，影響飛機的操控性、穩(wěn)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(chǔ)上，結(jié)合重量平衡、能量平衡的設(shè)計原則，考慮無人機重量/能量耦合關(guān)系，以翼展、展弦比等無人機參數(shù)作為主要設(shè)計變量，對無人機總體方案進行設(shè)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(wěn)定性要求，從而實現(xiàn)無人機整體配平狀態(tài)。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(tǒng)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(lián)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(wù)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(tǒng)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(jù)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(yōu)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(jù)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(yōu)化設(shè)計。目前混合動力汽車經(jīng)過長期理論研究和實驗技術(shù)積累，已經(jīng)取得較好的結(jié)果。因此，在設(shè)計長航時混合動力無人機能量管理系統(tǒng)時，可借鑒混合動力汽車能量管理的成功經(jīng)驗。

目前，在混合動力汽車設(shè)計領(lǐng)域研究較多的能量控制策略主要有基于規(guī)則的控制策略和基于優(yōu)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(guī)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(xiàn)，因而實際應(yīng)用相對較多。但是，這種控制策略所采用的規(guī)則多來源于設(shè)計師的直覺感知、工程經(jīng)驗和建模仿真，不依賴于特定的工況或工作循環(huán)?；趦?yōu)化的控制策略需要知道車輛在整個運行區(qū)間的全部數(shù)據(jù)，然后才能對控制過程進行優(yōu)化求解，因為無法預知未來的車輛工況數(shù)據(jù)，所以該方法在實際工程中應(yīng)用的難度較高。

與混合動力汽車相比，長航時無人機中關(guān)于混合動力的研究相對薄弱?，F(xiàn)階段僅有少數(shù)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(jīng)模糊自適應(yīng)管理策略，尚沒有出現(xiàn)關(guān)于無人機能量管理策略優(yōu)化的研究。基于優(yōu)化的無人機能量管理的實現(xiàn)，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(tǒng)的功重比要求的約束。能夠進行主動優(yōu)化控制的混合動力系統(tǒng)，同時也可能會導致推進系統(tǒng)重量的增加，從而降低混合動力所帶來的優(yōu)勢。

結(jié)束語

本文介紹了長航時無人機發(fā)展過程中新的嘗試——混合動力無人機?；旌蟿恿o人機總體設(shè)計是一個復雜的系統(tǒng)工程，是將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為設(shè)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(guān)系，設(shè)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(chǔ)上，結(jié)合重量平衡和能量平衡的設(shè)計原則，對無人機總體方案進行設(shè)計。根據(jù)任務(wù)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(xù)航時間，增加載荷量的有效手段。 ■