超长航时太阳能无人机总体设计技术综述

超长航时太阳能无人机总体设计技术综述

在超级航行期间，太阳能无人机将光能转化为能耗。一些用于日常驾驶，另一些用于夜间驾驶。这从理论上打破了传统无人机不能实现的“永久”飞行瓶颈，成为近年来人工智能领域的研究热点。自1974年“Sunrise-Ⅰ”太阳能无人机太阳能无人机升阻比高、飞行速度低，机翼具有超大展弦比和较低翼载荷，设计指标与能量参数深度耦合，尤其是临近空间太阳能无人机，其飞行高度高、载荷能力弱的特点尤为突出，对总体、气动、结构、飞控、能源、推进以及航迹设计带来很大难度。本文对超长航时太阳能无人机涉及的总体设计技术、气动设计技术、气动弹性与阵风减缓技术、飞行控制技术、高效能源技术、动力推进技术、轨迹优化技术等7项关键技术的研究现状及相关文献进行综述，并对未来发展进行了展望。1太阳能无人机总体设计方法相比于常规无人机，超长航时太阳能无人机总体设计需要耦合更多因素，如翼面积不仅影响气动性能，也与能量获取能力密切相关，设计过程须综合考虑太阳能光照、太阳能电池/储能电池等因素，设计方法相对特殊。文献可见最早的太阳能无人机总体设计方法由Youngblood等NothRomeo等近10年来，太阳能无人机总体设计方法得到了进一步完善和细化。Maleki国内方面，昌敏等王少奇张芳等2气压设计技术2.1低雷诺数流动模型航空领域，低雷诺数的范围被定义为10现有文献表明，低雷诺数现象的主要特征有2种。其一是翼型气动效率随雷诺数降低产生的急剧恶化（图7），当雷诺数小于3×10研究表明，上述2种特殊现象的成因与层流分离泡随雷诺数和迎角变化过程中层流诱导分离的触发和演化机制有关GasterMueller和Batil事实上，随着研究的深入可以发现经典理论描述的层流分离泡并不存在，低雷诺数流动本质是一种非定常流动，而经典层流分离泡是这种非定常流动的时均化结果，尽管如此，经典层流分离泡理论仍是指导低雷诺数流动研究的基础近年来，中国学者对低雷诺数问题进行了大量数值计算和试验研究，对低雷诺数流动理论进行了完善和拓展。白鹏等低雷诺数气动问题求解方面，目前常用的方法是雷诺平均Navier-Stokes(ReynoldsAverageNavier-Stokes,RANS）方程结合湍流及转捩模型的数值方法，如Langtry等王科雷等2.2低雷诺数翼型的选择超长航时太阳能无人机通常采用超大展弦比机翼，相比常规飞行器而言，诱导阻力占总阻力的比例较小，因此翼型的气动特性很大程度上决定了机翼的气动特性太阳能无人机常用的低雷诺数翼型包括Eppler系列、SD系列等。与普通翼型相比，低雷诺数翼型在外形上的差异主要有2点：一是翼型上表面更加平坦，二是翼型厚度较小Ma等现有的翼型优化技术主要有2种：直接设计法和反设计法国内外学者还结合太阳能电池片的特点对太阳能无人机翼型展开了研究和设计。Chen和Bernal文献2.3常规飞翼布局太阳能无人机发展之初最常用的气动布局有2种：常规布局（图17(a））和飞翼布局（图17(b））。针对常规布局的理论研究已经非常完善，技术成熟而稳定，但由于常规布局飞机利用平尾产生的负升力进行纵向配平，气动效率受到限制。英国的“Zephyr”系列无人机、中国的“彩虹”无人机、俄罗斯的“Owl”无人机、意大利的“HELI-PLAT”无人机等均采用了常规布局。阙建锋等飞翼布局利用反弯翼型实现机翼自配平，省去了平尾，相比常规布局而言具有更高的气动效率和更小的结构重量，但飞翼布局也具有纵向稳定性差，操控难度大的特点。美国的“Helios”无人机、“Aquila”无人机，西工大的“魅影”无人机等均采用了飞翼布局。李晨飞和姜鲁华近年来，太阳能无人机领域出现了串列翼布局（图17(c））、分布式布局（图17(d））等新布局的尝试。串列翼布局的前后翼面均产生升力，具有气动效率高、结构刚性好的特点。UAVOS公司推出的ApusDuo无人机即采用了前下后上式的串列翼布局，该飞机利用布局优势克服了诸多气动弹性难题，于2018年完成首飞。Scharpf和Mueller相比上述几种布局而言，分布式布局更有利于太阳能无人机面对复杂气候条件和多变光照方向。美国的“Odysseus”无人机翼型和总体气动布局方案确定后，还需要对气动布局进行优化，主要内容包括机翼平面形状及弯扭分布的优化，以及尾翼构型的设计。减小机翼阻力的主要途径有3种：一是增大展弦比，二是增加翼梢小翼，三是通过机翼扭转改善机翼载荷分布。其中，前2种方式受限于结构强度和刚度，机翼扭转的方法应用更为普遍。于哲峰等3结构的几何非线性影响超长航时太阳能无人机的大展弦比机翼在载荷作用下，会产生很大的弯曲和扭转变形，带来了诸多气动弹性方面的问题，影响着飞机的操控性能和飞行安全。首先，在动力学建模方面，刚性飞行器假设已不适用于该类飞机，不能再进行简单的刚体假设。国内外目前对大展弦比柔性飞行器的动力学建模方式主要有2种其次，在发散、颤振边界预测方面，基于小变形假设的气动弹性分析手段已不适用于这类大展弦比飞行器，分析时必须考虑结构的几何非线性效应。结构几何非线性对大展弦比飞机的影响体现在2个方面：一是结构整体刚度依赖不同的载荷状态而改变；二是机翼平面形状的改变影响到气动力的分布最后，阵风减缓方面，大展弦比太阳能无人机在起降过程中需要穿越对流层，会受到强烈的阵风影响，造成较大附加过载，对飞行安全带来威胁。研究表明国内外学者提出的阵风减缓措施主要有2种：被动控制和主动控制。其中，被动控制主要依靠新材料、优化机翼结构参数等方法来提高机翼刚度，该方法对机翼高频振动抑制有较好作用，但对低频振动的抑制效果较差。主动控制主要通过在机翼上加装作动器，改变气动外形，进而抑制颤振。自20世纪60年代起，美国就利用B-52、C-5A等飞机作为验证机，进行了各种主动控制技术的验证4飞行横风向控制超长航时太阳能无人机翼载荷通常比常规无人机低1～2个数量级，质量特性和气动特性相比常规无人机都有着明显区别。较低的飞行速度使得太阳能无人机的空速处在与风速相同的量级，风速相对空速不再是小量。稳定的风场会影响飞行轨迹控制，而变化风场会对飞行造成扰动，增加控制难度，因此需要重点关注太阳能无人机的控制技术稳定性方面，超高空超长航时太阳能无人机气动导数与常规低速飞行器存在差异，尤其是横航向气动导数差异较大，文献横航向控制策略方面，太阳能无人机的大展弦比机翼通常为柔性轻质结构，扭转刚度低，若采用副翼控制滚转的方式，容易造成副翼效率下降甚至反效，因此“Zephyr”“Helios”等诸多太阳能无人机都取消了副翼，此外，“Skylark”“RQ-11”等小型无人机为降低系统复杂程度也取消了副翼。目前，太阳能无人机的横航向控制主要有2种途径：一是利用方向舵进行航向控制，二是利用多个螺旋桨的差动实现航向控制。偏转方向舵可以使机头偏转产生侧滑角，在横向静稳定力矩的作用下飞机产生倾斜角，实现转弯，“Zephyr”系列无人机即采用这种方式。与副翼直接产生滚转力矩不同，方向舵控制先产生侧滑，再依靠横航向稳定性产生滚转力矩，因此需要匹配无人机的操纵性与稳定性，这种转弯方式要求飞机横航向具有良好的匹配性。Meola等多个螺旋桨产生的偏航力矩具有可叠加性，而其他方向的附加耦合力矩很小，因而可以利用螺旋桨差动进行航向操纵，“Helios”系列无人机即采用该种方式。目前针对螺旋桨差动控制的研究主要集中在控制分配与操稳特性分析方面。赵维娜等螺旋桨差动所需功率随提供的偏航力矩系数近似呈二次方关系，如图22所示，当所需偏航力矩较大时，采用螺旋桨差动方式进行操纵会造成额外的能量损失，若将螺旋桨差动控制与方向舵偏转控制耦合，可有效提高操纵效率。文献5物化机械能致能量损失如图24所示，太阳能无人机通过能源、动力两大系统将光能转化为机械能，期间各环节均造成了能量损失。其中能源系统由太阳能电池、储能电池和能源管理系统3个子系统构成，每个子系统相对独立又相互制约，其技术水平直接决定了无人机方案的可行性。5.1柔性大展弦比复合材料机翼/设备太阳能电池种类繁多，不同电池的光电转换效率和物理特性均有差别硅电池包括多晶硅电池、单晶硅电池和非晶硅电池等薄膜电池单体厚度薄，质量面密度低，且附形能力强，满足柔性大展弦比机翼的铺片需求。薄膜电池常见的基底材料包括GaAs美国国家可再生能源实验室（NREL）追踪记录了太阳能电池的最新研究进展目前，太阳能电池效率已基本满足太阳能无人机功率需求，从目前成功试飞的多架太阳能无人机的电池布置情况来看，铺片率并未取极限数值，在这种情况下，质量比功率参数就显得更为重要，更轻更薄的太阳能电池将成为未来太阳能无人机应用的主流。5.2能无人机储能电池储能电池重量一般占太阳能无人机全机重量的30%以上，是影响方案成败的重要因素之一。历史上，太阳能无人机上采用的储能电池先后有银锌电池（Ag-Zn）、镉镍电池（Ni-Cd）、氢镍（NiMH）电池、锂离子电池（Li-ion）、锂硫电池（Li-S）和燃料电池等锂硫电池的理论能量密度高达2600W·h/kg可再生燃料电池是另一类能量密度较高的储能电池，被广泛应用于各类无人机如图285.3电能的实时管理超长航时太阳能无人机的功率输入值与输出值始终处于变化状态，需要能源管理系统根据太阳能电池功率和系统负载的变化对电能进行实时管理和分配，避免不合理的消耗。能源管理系统的关键在于最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）技术，通过对太阳能电池和储能电池的电流和电压进行监视，根据优化算法实时改变DC/DC转换器的增益，使得太阳能电池始终工作在功率最大点，再通过配电器进行功率分配李钏等6高空空气中空气系统可靠性的要求高空长航时太阳能无人机动力推进系统由电机和螺旋桨构成，需要具备质量轻、效率高的特点，并且要求在高空低密度空气中运行可靠，控制稳定。此外，推进系统还与气动、结构、控制等方面具有耦合效应，是太阳能飞行器研究的重点内容。6.1电机驱动方案传统有刷电机的电弧磨损速度较快，不适用于长航时飞行，而永磁无刷电机效率高，重量轻，磨损速度慢，成为太阳能无人机的首选电机类型。“Helios”无人机即采用14台均布在机翼上的永磁无刷直流电机带动螺旋桨提供飞行动力太阳能无人机采用的电机驱动方式有“减驱”和“直驱”2种，“减驱”方案在电机和螺旋桨之间加装了减速齿轮机构，整体优化了动力系统的匹配效能，但减速齿轮带来的机械效率损失与可靠性问题制约了“减驱”方案的进一步发展临近空间稀薄的空气、复杂的环境，对电机的散热和性能均有影响，中国学者针对临近空间对电机的特殊要求展开了大量研究。张成明和李立毅从国外临近空间飞行器推进系统发展现状来看，方波无刷直流电机和正弦波永磁同步电机是目前的主流电机类型6.2高空发射效率超长航时太阳能无人机采用的螺旋桨有定距和变距2种高空空气密度低，导致螺旋桨翼型绕流雷诺数较低，但马赫数较高，因此应采用低雷诺数高亚声速高升力翼型。杜绵银等国外开展了大量低雷诺数螺旋桨设计研究，这些螺旋桨的高空巡航阶段效率普遍在80%以上。美国“Helios”采用的两叶定距桨具有宽弦分布规律，在巡航高度27km，前进比为0.83时，效率可达80%；德国宇航研究院DLR在20km高空开展了临近空间螺旋桨试验，所测试的螺旋桨在前进比为2.0时，效率可达84%；日本航宇开发局JAXA进行了平流层飞艇与动力系统一体化设计研究，设计得到的螺旋桨效率达80%。此外，高空太阳能无人机通常采用沿翼展分布的多螺旋桨推进系统，螺旋桨通常位于机翼前缘之前，两者均处于低雷诺数范畴，而翼型表面的层流和分离现象对扰动较为敏感，因此两者之间的干扰效应不可忽视目前国内外发展了多种用于模拟相互干扰的工程估算方法，如李博等7影响无人机技术创新的人力和物源能源动力系统发展水平是影响超长航时太阳能无人机发展的重要因素，但这些关键技术的进步需要消耗大量的人力和物力，研发过程中时间成本的消耗也很大程度上制约了无人机技术的革新。飞行轨迹优化为提升超长航时太阳能无人机的任务可行性提供了又一重要途径，这是区别于常规无人机的重要研究内容7.1飞行姿态优化目前，太阳能无人机轨迹优化主要有2种措施。其一是飞行高度保持不变，通过飞行姿态的变化，使太阳能电池吸收的能量更多。这种优化方式主要利用太阳光入射角与无人机姿态角的耦合作用。Klesh和Kabamba其二是改变飞行高度，利用重力储能代替部分储能电池的作用王少奇等7.2直接法和伪谱法目前，求解轨迹优化问题的方法可以分为2大类：间接法和直接法直接法通过将连续的问题离散化、参数化，采用数值方法直接寻优。近年来，随着计算机技术的发展，直接法得到较快发展并广泛应用于飞行轨迹优化问题。直接法可分为2种：只离散控制变量与同时离散控制变量和状态变量。前者容易收敛到局部最优解，后者通过将状态变量的导数和运动方程右函数相匹配，能在一定程度上改善该问题。伪谱法是一种同时离散控制变量和状态变量的直接法常用的伪谱法有Gauss伪谱法、Radau伪谱法以及Legendre伪谱法。这些方法的区别在于配点的