太阳能无人侦察机平台科技制作(编辑修改稿)

太阳能无人侦察机平台科技制作(编辑修改稿)内容摘要：

届“冯如杯”学生参赛作品 2 垂直于太阳光方向 1 m2面积上接收到的太阳能平均有 1000W 左右；若按全年日夜平均，则只有 200W 左右。 而在冬季 这一数字大致只有一半，阴天更是 只有 1/5 左右，这样的能流密度是很低的。 因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。 (2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和 海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响， 到达某一地面的太阳辐照 强 度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。 为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最 终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题 —— 即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮 存起来，以供夜间或阴雨天使用。 但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。 (3)效率低和成本高：目前太阳能利 用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。 但是已投放应用的很多太阳能利用装置， 效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常 规能源相竞争。 在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，还将 受到经济性 这一弊端 的制约。 太阳能的这些特点 使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制，同时这也是设计太阳能飞机所面临的最大挑战。 太阳能电池 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 图 3 为利用太阳能电池板阵列发电。 太阳光照在半导体 pn 结上，形成新的空穴电子对，在 pn 结电场的作用下，空穴由 n 区流向 p区，电子由 p 区流向 n 区，接通电路后就形成电流。 这就是 太阳能电池的工作原理 —— 光电效应。 太阳 能 电池的发展水平是决定太阳能无人机性能的根本。 目前在太阳电池的研究方面进步较快，各种材质的高效电池不断涌现，但航空领域对太阳能电池 的要求并不仅仅是较高的转化效率，它还要求电池具有良好的物理特性， 如耐高 /低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。 对比当前各种电池，高端 单晶 硅 太阳能电池 产品凭借其高效、无毒无污染、技术成熟等特性成为当前太阳能航空器图 3 光伏发电 北京航空航天大学第二十 一 届“冯如杯”学生参赛作品 3 中应用最为广泛的电池。 单 晶 硅 太阳能电池 在实验室里最高的转换效率为 %，规模生产时的效率为 18%。 在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料， 目前已 发展了多晶硅薄膜 太阳能电池 和非晶硅薄膜 太阳能电池作为 单晶硅太阳能电池的替代产品 ，但转换效率均低于 单 晶 硅 太阳能电池。 太阳能无人机 太阳能无人机 是以太阳辐射作为推进能源的飞机。 太阳能无人机 的 能源动力系统（如图 5） 一般 由 太阳能电池组、 锂电池、 电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。 由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此 太阳能无人机 的机翼面积较大。 图 5 典型 太阳能无人机 的 能源 动力 系统示意 太阳能无人机的工作原理是：白天， 依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电 ； 夜间，太阳能无人机 释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。 如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能 无人机理论上可以实现“永久”飞行。 太阳能无人机巡航时间长，飞行高度高，覆盖区域广，可以执行多种任务，具有常规飞行器不可替代的优点。 太阳能在航空器的应用研究，是我国新世纪 航 空工业重点发展的一个新领域，也是各国航空工业研究的一个新热点。 1974 年 11 月 4 日，世界上第一架太阳能无人机 sunrise I 在 4096 块太阳能电池的驱动下，缓缓地离开了地面，这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临。 此后随着太阳电池 效率、 二次电源能量密度的提高，以及微电子技术、新材料技术等的发展，太阳能无人机终于驶上了飞速发展的快车道。 北京航空航天大学第二十 一 届“冯如杯”学生参赛作品 4 在上世纪 90 年代，我国也开始了对 太阳能无人机 的探索。 中国第一架 太阳能无人机“翱翔者”号 （如图 6） ，是北京航空航天大学飞机设计与应用力学系（现为航空科学与工程学院）李晓阳博士和赵庸教授在 1992 年设计制造的，该机是中国历史上有记载的首架具 有原创自主知识产权的太阳能飞行器（ ， ， China）。 “翱翔者”号把阳光和太阳能研究以极低的成本提升到空中，其科学意义还包括通过技术 /工程验证机的研制与相关实验，能够发现太阳能飞行器关键技术问题和利于找出解决问题的方法，为进一 步研制实用的太阳能飞行器建立理论基础和累积工程实践经验。 这种先研制缩比验证机再研制全尺寸 太阳能无人机 的方法，有利于显著降低科研经费、缩短研制周期。 第四届中国国际航空航天博览会新闻发布会对外公布中国“绿色先锋”太阳能飞行研究计划 （如图 7） ，该计划目标是结合一种特殊型式的太阳能飞行器研制，系统地研究与太阳能飞行器相关的科学问题，为持续发展中国太阳能动力飞行探索研究事业建立更全面的科学技术基础。 该项目在 2020 年做过一些试验后再无进一步消息。 近几年，国内虽然仍然有许多专家学者在研究 太阳能无人机 ，但一直没有 取得突破进展，而国外的 太阳能无人机 则在各方面的性能上突飞猛进。 国家高度重视新能源的开发与利用， 太阳能无人机 作 为一个集科技、能源、实用价值于一身的发展点，有很大的研究价值。 本项目的目的 图 7 “绿色先锋” 图 6 “翱翔者”号 北京航空航天大学第二十 一 届“冯如杯”学生参赛作品 5 本项目是对 太阳能无人机 的一次尝试，希望能将传统飞机的设计同能源规划的问题相结合，在其中加入一些创新的举措，从而解决当前在 太阳能无人机 研制中几个比较突出的矛盾。 在项目的初期，我们的目的是初步建立一个基本的 太阳能无人机 平台。 计划研制一架翼展约 5 米，大展弦比的常规布局飞机，动力能源主要由布置在 上翼面的太阳能电池阵列提供， 在起飞阶段电机需要较大电流时，由锂电池 辅助 供电 ，达到 平飞 状态时切换为太阳能 直接 供电。 飞行时间约为 20 分钟，可以实现基本的能源控制管理。 飞机需要有较好的操稳特性与滑翔特性。 在初期的平台成型后，我们将对各方面的性能进行优化，如提高太阳能电池组的转化效率、降低飞机的结构重量、研制多功能的能源管理系统等。 在平台的研制趋 于成熟后，将在平台上加装任务载荷，如航拍设备，定位设备等，形成一个完整的、有实用价值的太阳能飞行器系统。 北京航空航天大学第二十 一 届“冯如杯”学生参赛作品 6 第二章 飞机的总体设计 能源规划与动力系统 太阳能电池板的基本参数 本 项目选用的太阳能电池为 单晶硅太阳能 电池，其基本数据如下： 材料 单晶硅 尺寸 125mm*125mm* 重量 7g 转化效率 约 17% 短路电流（正午） 4A 开路电压（正午） 功率 2w 图 8 封装在蜂窝夹层上的太阳能电池板 太阳能电池的连接方式 太阳能电池阵列最终输出的 电压与电流，取决于电池片之间的串并联关系。 串联则电压相加，并联则电流相加。 参考单片电池片的参数，对于电机和螺旋桨的负载，电压明显不足，需要更多的串联电池片来提高电压。 串联之后的电池片总电流并 不增加，又需要将串联后的若干组电池片相并联，这样才能基本达到动力能源的需求。 规划电池片的串并联方式，还需考虑储能 系统 的规格。 储能系统是太阳能无人机中重要的组成部分，目前国外太阳能无人机概念设 计 阶段都提出储能器应选择高能 量 密度、高效率的燃料电池，个别小型太阳能无人机则选用了性能较好的锂聚合物电池。 在这里我们选用了锂聚合物电池， 其 优点在于 ：（ 1）体积小，重量轻；（ 2） 与电机的匹配方式可以参考模型飞机 的经验；（ 3） 作为 太阳能电池和电机之间的桥梁，可以起到稳定 北京航空航天大学第二十 一 届“冯如杯”学生参赛作品 7 电压电流的作。