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标题 可续航探测飞行器混合动力系统设计
范文 邢琳琳+高培新



摘 要： 由于可参考的陆运和海运混合动力系统与空运混合动力系统存在较大差别，曾设计出的可续航探测飞行器混合动力系统均存在一定问题。因此，设计一种拥有强攀升能力和强能量优化能力的可续航探测飞行器混合动力系统，该系统依靠发动机和太阳能电池为可续航探测飞行器供应能量。在可续航探测飞行器的启停、攀升和下落过程中，使用914型航空发动机利用燃料为其提供能量；而在探测过程中，系统将多个太阳能电池并联起来，共同为可续航探测飞行器供应能量。系统实现部分给出了太阳能电池模型函数，以及系统能耗获取流程图。实验结果表明，所设计的混合动力系统拥有较强的攀升能力和能量优化能力。
关键词： 可续航探测飞行器； 混合动力系统； 914型航空发动机； 太阳能电池
中图分类号： TN602?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）04?0132?04
Design of hybrid power system for sustainable detecting aircraft
XING Linlin， GAO Peixin
（Flight College， Binzhou University， Binzhou 256603， China）
Abstract： Since the air transportation hybrid power system is very difference from the referable land transportation and marine transportation hybrid power systems， the previously?designed hybrid power systems for the sustainable detecting aircraft have a certain problem. Therefore， a hybrid power system for sustainable detecting aircraft with strong climbing ability and strong energy optimization ability was designed. The system depends on the aircraft engine and solar cell to supply the energy for the sustainable detecting aircraft. The 914?type fuel aircraft engine supplies the energy for the sustainable detecting aircraft during start， stop， rise and fall. The multiple solar cells are paralleled in the system in the detecting process to supply the energy for the sustainable detecting aircraft. The model function of the solar cell and flow chart of the system energy consumption acquisition are given in System Implementation section in the paper. The experimental result shows that the hybrid power system has strong climbing ability and energy optimization ability.
Keywords： sustainable detecting aircraft； hybrid power system； 914?type aero?engine； solar cell
0 引 言
由汽车领域首先提出的混合动力系统，是近些年科研组织的重点关注项目，其已被广泛应用于陆运和海运领域。将混合动力系统应用于可续航探测飞行器，是一项极具发展前景的项目[1?3]。混合动力系统虽能够有效增强可续航探测飞行器的各项飞行性能，但在实际应用中，由于可参考的陆运和海运混合动力系统与空运混合动力系统存在较大差别，科研组织对其设计方向往往存在偏差，使曾设计出的可续航探测飞行器混合动力系统无法拥有较强的攀升能力和能量优化能力。因此，设计一种拥有强攀升能力和强能量优化能力的可续航探测飞行器混合动力系统，对我国空运技术领域有着重要意义[4?6]。
曾设计出的可续航探测飞行器混合动力系统都或多或少地存在一些问题。如文献[7]设计DA36E可续航探测飞行器混合动力系统，该系统采用串联式设计，以电动机为系统的主要供能设备，并利用发电机进行系统辅助供能，极大地缩减了可续航探测飞行器的能耗，但整个系统的能量优化能力却不高。文献[8]设计“灰面鹫”可续航探测飞行器混合动力系统，该系统依靠锂电池和燃料电池，为“灰面鹫”可续航探测飞行器提供了强劲的攀升能力，但系统的能量优化能力较弱、耗能较大。文献[9]设计基于燃料电池和锂电池的续航探测飞行器混合动力系统，该系统是对文献[8]中系统的改进，其在维持原系统攀升能力的同时，大力改进了“灰面鹫”可续航探测飞行器混合动力系统的能量优化能力，是当今社会较为成熟的续航探测飞行器混合动力系统。但该系统的造价昂贵，维护成本也不低，无法对其进行大面积推广。
1 可續航探测飞行器混合动力系统设计
1.1 系统整体设计
可续航探测飞行器混合动力系统依靠发动机和太阳能电池为可续航探测飞行器供应能量。图1是系统结构图。
由图1可知，可续航探测飞行器混合动力系统的发动机主要依靠燃料为其提供能量，太阳能电池则主要依靠太阳能为其提供能量。可续航探测飞行器混合动力系统的设计原理是在发动机供能的基础上，将太阳能电池收集到的太阳能经由发动机转换为可续航探测飞行器能够利用的机械能，以减少燃料使用，实现节能减排。
1.2 发动机设计
发动机是可续航探测飞行器混合动力系统的主要能源供应装置，其能够将其他形式的能转换成机械能供可续航探测飞行器使用。可续航探测飞行器混合动力系统选用ROTAX公司生产的914型航空发动机，该发动机被广泛应用于轻型飞行器中，其优势有目共睹。914型航空发动机拥有电子启动功能和双重保护电子点火，其最大转速为5 800 r/min，输出功率为73.5 kW，独立干式机油箱容量为3 L，以上参数保证了914型航空发动机能够为可续航探测飞行器提供较强的起飞能力和攀升能力。在可续航探测飞行器的启停、攀升和下落过程中，由于此时的能耗波动较大，可续航探测飞行器混合动力系统主要依靠914型航空发动机为可续航探测飞行器供应能量。而在波动较为平稳的探测过程，系统主要利用太阳能电池为可续航探测飞行器供应能量。当914型航空发动机或太阳能电源损坏时，两者也能够互相供电，以维持可续航探测飞行器的正常运行。914型航空发动机同太阳能电池切换电路如图2所示。图2中的a，b，c，x分别代表电路轴线的固定齿轮，齿轮公转和自转方向在不同可续航探测飞行器中不同的选择；z1～z4代表电路中齿轮变速设备的专用齿轮。当变速设备的专用齿轮运转时，914型航空发动机和齿轮a也会跟随一同运转。由于齿轮a，b，c三者互为相切安装状态，故齿轮b，c也会同时运转。太阳能电池根据变速设备的转速确定自身该何时开始工作。
1.3 太阳能电池设计
太阳能电池是维持可续航探测飞行器持续探测的基础设施。太阳能电池的型号多种多样，可续航探测飞行器混合动力系统对太阳能电池的要求主要有：太阳电池应具有较强的能量转化能力和抗干扰能力，且其制作、运行成本应被尽量压缩。因此，选用薄膜型太阳能电池。薄膜型太阳能电池不但能够满足系统的以上要求，其安装牢固，能够防止可续航探测飞行器在飞行过程中，受到冲撞造成太阳能电池的掉落情况。图3是薄膜型太阳能电池的供能电路图。
图3中，虚线框内的箭头方向表示太阳光能粒子的流向。当阳光照射到薄膜型太阳能电池上，粒子的规则流向会产生电流，电路中的电压表能够实时读出薄膜型太阳能电池中半导体的总电压，该总电压能够间接显示出太阳能电池为可续航探测飞行器供应的能量。在实际应用中，通常将多个薄膜型太阳能电池连接起来，共同为可续航探测飞行器供应能量，如图4所示。
由图4可知，薄膜型太阳能电池组在本质上相当于多个二极管并联，并联方式能够有效分摊太阳能电池电路中因太阳强光强产生的高电流，其在保护电路元件的同时，为可续航探测飞行器供应了更多的能量，也增强了可续航探测飞行器混合动力系统的能量优化能力。
2 可续航探测飞行器混合动力系统实现
2.1 太阳能电池模型函数设计
可持续探测飞行器混合动力系统实现部分构建了太阳能电池模型，可更好地分析系统性能。设太阳能电池中二极管的输出电流为，电路总电流和二极管分路电流分别为，，总电压为，电路总电阻、二极管电阻和支路总电阻分别为，，，则有：
式中：是电路品质因数；是太阳能电池的使用周期；是可续航探测飞行器混合动力系统的保守力做功。
若想进一步求取太阳能电池模型，应先计算出太阳能电池电路内部的各项基本指标。软件将其各项客观指标构建出太阳能性能函数，如下：
在太阳能电池电路中，式（2）～式（4）中，代表电路中两个电容；代表电路短路电流；代表电路功率极大值处的实时电流值；代表电路断路电压；代表电路功率极大值处的实时电压值。，，，的大致范围值可由太阳能电池说明书提供。在可续航探测飞行器混合动力系统的实际运行中，太阳能电池的以上参数也能够较为简便地被获取。由于飞行器在高空中受到的辐射较多，而辐射会对太阳能电池的电流产生不良限制，故在太阳能电池模型中排除掉辐射对电流的影响，得到太阳能电池的最终模型函数为：
式中：代表飞行器受到辐射的实时强度值；代表太阳能电池受到辐射的实时强度值。
2.2 系统能耗获取流程
可续航探测飞行器混合动力系统利用耦合分析方法获取系统能耗，在可续航探测飞行器混合动力系统的运行初期，软件会对系统的初始能耗参数进行设定，该参数规定了系统能耗范围，软件会对不符合该范围的系统不正常行为加以遏制。在获取系统能耗的过程中，耦合分析方法根据探测飞行器的故障能耗对系统总能耗的影响力，对探测飞行器故障能耗首先进行预测，如图5所示。
由图5可知，耦合分析方法对系统的实时能耗预测，是以太阳能电池模型函数提供的数据为基础，兼顾发动机能耗测量值进行的。系统总能耗预测值是根据系统实时能耗预测值求得的。将系统总能耗预测值与系统的初始能耗参数进行对比，若满足设定范围，则该预测值即为系统的最终预测结果；若不满足范围，软件则会重新开始预测各能耗。当获取到特定数量的能耗值，能耗获取流程随即停止。
3 实验验证
实验验证本文所设计的可续航探测飞行器动力混合系统，较比以往设计出的可续航探测飞行器动力混合系统来说，具有更强的攀升能力和能量优化能力。在曾设计出的可续航探测飞行器动力混合系统中，基于燃料电池和锂电池的续航探测飞行器混合动力系统虽价格昂贵，但系统性能相对较高，故选取该系统与本文系统进行系统攀升能力和能量优化能力的对比实验。实验中，将基于燃料电池和锂电池的续航探测飞行器混合动力系统称作“验证对比系统”。
3.1 攀升能力验证
在可续航探测飞行器动力混合系统攀升能力的验证中，实验利用两种方案对本文系统和验证对比系统进行了验证，实验给予可续航探测飞行器5条环境不同的探测轨道。方案一中，实验给予本文系统和验证对比系统相同的攀升能量，令安装了两系统的可续航探测飞行器在相同轨道环境下同时进行攀升，记录下两系统攀升到1 000 m的用时，如图6所示；方案二中，实验给予本文系统和验证对比系统相同的攀升时间，记录下两系统的攀升距离，如图7所示。如图6、图7所示，验证对比系统的攀升时间曲线和攀升距离曲线的波动幅度较大，可见轨道环境对该系统的攀升性能影响较大。其1 000 m的平均攀升时间为3.2 min，相同情况下的平均攀升距离为4.5 km；本文系统的攀升时间曲线和攀升距离曲线的波动幅度較小，可见轨道环境对本文系统的攀升性能影响较小。其1 000 m的平均攀升时间为2.2 min，低于验证对比系统的平均攀升时间1 min。相同情况下本文系统的平均攀升距离为6.2 km，高于验证对比系统的平均攀升距离1.7 km。
基于以上结果能够预测，若在实验中增大固定变量数值，两系统实验结果的差值将进一步拉大，验证了本文系统拥有较强的攀升能力。
3.2 能量优化能力验证
在混合动力系统中，一旦燃料耗尽，可续航探测飞行器的飞行安全即受到威胁，因此必须将混合动力系统中的额外能有效转化成机械能。为了验证可续航探测飞行器动力混合系統的能量优化能力，应从其能量转化效率和耗能量两方面入手。实验在相同条件下，令安装了本文系统和验证对比系统的可续航探测飞行器攀升到10 km，并记录下两系统的能量转化效率和总耗能量，如图8、图9所示。
由图8可知，本文系统能够较好地实现能量转化，其平均能量转化效率为89%，且转化稳定性较强。验证对比系统的能量转化效率在可续航探测飞行器飞行的前10 h数值较高且较为稳定，但在更长时间得飞行过程中，其能量转化效率大幅度降低。由图9可知，本文系统的耗能量远低于验证对比系统的耗能量。且本文系统耗能曲线的抗干扰能力更强，其波动幅度不超出180 W·h。以上两个结论能够验证本文系统拥有较强的能量优化能力。
4 结 论
本文设计一种拥有强攀升能力和强能量优化能力的可续航探测飞行器混合动力系统，该系统依靠发动机和太阳能电池为可续航探测飞行器供应能量。在可续航探测飞行器的启停、攀升和下落过程中，914型航空发动机利用燃料为其提供能量；而在探测过程中，系统将多个太阳能电池并联起来，共同为可续航探测飞行器供应能量。软件设计太阳能电池模型函数，以及系统能耗获取流程图。实验结果表明，所设计的混合动力系统拥有较强的攀升能力和能量优化能力。
参考文献
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更新时间：2024/12/22 19:05:09