【導(dǎo)讀】存在抄襲、剽竊、侵權(quán)、偽造、故意夸大等各種弄虛作假的行為。目組成員將遵守本屆馮如杯參賽的有關(guān)各項規(guī)定。并愿意承擔因為個人原。因而產(chǎn)生不良后果的責任。量來作為動力和任務(wù)設(shè)備能源的飛行器。以太陽能作為未來航空航天器的輔助能源乃至。主能源，是人類具有方向性和前沿性的重要研究目標。研究已經(jīng)成為世界航空航天業(yè)重點發(fā)展的新興領(lǐng)域。目前，以瑞士、美國為首的一些國。家已經(jīng)在這方面取得了長足發(fā)展，而國內(nèi)受制于各種因素一直沒有突破性進展。力不足、能源管理等技術(shù)難題，為國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究提供一些借鑒。程、初步應(yīng)用以及未來發(fā)展的前景。

　　

【正文】 品 17 水平尾翼所受載荷相比機翼小很多，采用了單梁式的結(jié)構(gòu)。 在封裝工藝上，則采用了一種更為優(yōu)化的方式：翼型不再做 特殊處理，而是在兩個翼肋之間搭建平臺，以便鋪設(shè)太陽能電池片。這樣做的好處是顯而易見的 —— 對氣動沒有任何影響 （如圖 20） 。 圖 20 水平尾翼的封裝工藝 垂直尾翼結(jié)構(gòu) 設(shè)計 垂直尾翼位于水平尾翼的兩側(cè)，形成 H 型。為了最大限度減少對平尾電池片的遮擋，垂尾采用了框架式的結(jié)構(gòu)，表面用透明熱縮蒙皮包裝 （如圖 21） 。 圖 21 垂直尾翼 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 18 第四章 能源管理系統(tǒng) 能量管理系統(tǒng)的主要作用就是實時地監(jiān)測各單元的能源需求量并合理 高 效地進行能量調(diào)配，使得太陽 能 電池吸收的能量得到最好的利用，從而使無人機的航程與航時 得到擴展。對于逐漸發(fā)展起來的大型太陽能無人機，隨著其飛行領(lǐng)域的擴展和設(shè)備的增多，能量管理系統(tǒng)將更為復(fù)雜，自動化程度和可靠性要求都要更高。開發(fā)一套功能強大、高效、高可靠性的能量管理系統(tǒng)將是未來太陽能無人機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 系統(tǒng)應(yīng)具備的功能 對于太陽能無人機平臺，能源管理系統(tǒng)應(yīng)具備這樣一些功能： 1) 正確連接各部件。在本項目中，每 30 片太陽能電池串聯(lián)后形成一組， 3 組這樣的太陽能電池與 2 個 3S 的鋰電池應(yīng)為并聯(lián)關(guān)系。 2) 限制部分線路的單向?qū)āＲ话銇碚f，我們希望太陽能電池能為儲能電池充電，而不希望儲能電池反過來為太 陽能電池充電。 3) 具有完善的充電策略。利用太陽能電池充電，充電電流隨日照變化而變化，一個理想的系統(tǒng)應(yīng)該能夠穩(wěn)定充電電流而不至于變化過于劇烈。另外，對于多節(jié)串聯(lián)的儲能電池應(yīng)能實現(xiàn)平衡充電，并且時刻監(jiān)視電壓，不出現(xiàn)過充現(xiàn)象。 4) 智能協(xié)調(diào)用電方式。 太陽能無人機 由地面遙控，在地面上發(fā)送指令 （ 如加速飛行 ） ，主控制器接收到后，就會采集系統(tǒng)狀態(tài)、太陽能電池陣的電流、電壓 、儲能 電池的狀態(tài) 、 負載的用電功率，電機的電流等，判斷是由太陽能電池陣還是燃料電池或者兩者同時供電，最后由執(zhí)行機構(gòu)完成操作。 5) 體積小巧、可靠性高。 本項目目前仍 處于初期，雖然也有簡單的能源管理系統(tǒng)，但功能還不是十分完善，這也是我們下一步要改進的地方。 關(guān)于最大功率點跟蹤技術(shù)（ MPPT） 此技術(shù)將使得能源管理策略大幅優(yōu)化，是我們下一步研究的重點。 技術(shù)原理 在常規(guī)的 線性系統(tǒng)電氣設(shè)備中，為使負載獲得最大功率，通常要進行恰當?shù)呢撦d匹 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 19 配，使負載電阻等于供電系統(tǒng)的內(nèi)阻，此時負載上就可以獲得最大功率。 在 太陽能無人機 上的應(yīng)用 對于一些內(nèi)阻不變的供電系統(tǒng)，可以用外阻等于內(nèi)阻的簡單方法就可以獲得最大輸出功率。但在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內(nèi)阻不僅 受日照強度的影響，而且受環(huán)境溫度及負載的影響，而處在不斷的變化中。因此，就不可能用上述簡單的方法來獲得最大輸出功率。 目前所采用的方法是在太陽能電池陣列和負載之間增加一個 DC/DC變換器，通過改變 DC/DC 變換器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通率，來調(diào)整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。 最大功率點的跟蹤 (MPPT)實現(xiàn)的實質(zhì)是一個自尋優(yōu)過程，即通過控制陣列端電壓，使陣列能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下智能化地輸出最大功率。 MPPT 控制也可以先根據(jù)采集到的太陽能電壓、電流值以及功率值來判斷其運 行在哪個工作區(qū)，然后根據(jù)不同的工作區(qū)采取不同的工作指令進行跟蹤控制。 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 20 第五章 地面實驗 動力系統(tǒng)工作時間測試 實驗?zāi)康? 本實驗測試太陽能電池在延長航時方面的效果。 實驗方法 室內(nèi)（無太陽能電池），將兩節(jié)鋰電池充滿電（ ）后，電機開始在一穩(wěn)定電流下工作并開始計時，時刻監(jiān)測鋰電池電壓，降低到 時計時結(jié)束。 對比：室外（由太陽能電池），正午 12 點，將兩節(jié)鋰電池充滿電（ ）后，電機開始在同一穩(wěn)定電流下工作并開始計時，時刻監(jiān)測鋰電池電壓，降低到 時計時結(jié)束 。 實驗數(shù)據(jù) 室內(nèi) 室外 20A 10 分 51 秒 15 分 49 秒 25A 7 分 32 秒 11 分 40 秒 30A 3 分 44 秒 7 分 27 秒 實驗結(jié)論 從實驗數(shù)據(jù)可以看出，由于太陽能電池對鋰電池的充電作用，動力系統(tǒng)的運行時間得到顯著延長?？紤]到平飛時電流較小，延長的效果將更加明顯。 拉力測試 實驗?zāi)康? 測試動力系統(tǒng)不同電流下的拉力。 實驗方法 本實驗采用兩種方法分別測試不同電流下的拉力： 1) 在地面，直接從系在飛機尾撐上的彈簧秤中讀數(shù)。該方法用于估計地面滑跑時的拉力（即考慮摩擦）。 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 21 圖 22 拉力測試 I 2) 測不同電流下螺旋槳的轉(zhuǎn)速，利用螺旋槳拉力計算器計算拉力。該方法用于估計在空中飛行時的拉力（無摩擦力）。 圖 23 使用轉(zhuǎn)速表測螺旋槳轉(zhuǎn)速 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 22 圖 24 螺旋槳拉力計算器 實驗數(shù)據(jù) 電流 拉力 I 轉(zhuǎn)速 拉力 II 5A 3900rpm 10A 5200rpm 15A 6000rpm 20A 6600rpm 25A 7000rpm 30A 7400rpm 35A 7600rpm 實驗結(jié)論 首先可以看出，地面的（靜）摩擦力相比拉力是一個不可忽視的阻力。在起飛滑跑階段，最大拉力時（ ）推重比約為 ，可以達到起飛拉力要求。在平飛過程中，僅用太陽能電池可提供約 15A 電流，拉力約為 ，推重比為 ，可以維持平飛。 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 23 第六章 項目 應(yīng)用 及未來發(fā)展 項目 應(yīng)用 本項目 初期的 成果即完成了一架 太陽能無人機 的原型機 （如圖 25）。 其中最大的創(chuàng)新點在于太陽能電池的封裝方式以及能源管理系統(tǒng)。同時本項目也開發(fā)出一種氣動與能源 系統(tǒng)并行的設(shè)計方法，大大減少了設(shè)計成本。 圖 25 太陽能無人機總裝完成 在成功地完成幾次試飛后，本項目組為機體平臺加裝了航拍設(shè)備，以實現(xiàn)空中偵查的功能（如圖 26）。 圖 26 航拍用攝像頭 關(guān)于試飛及航拍的具體情況，請參考視頻資料及實體展示。 下一步發(fā)展 本項目在初期打下一個牢固的基礎(chǔ)，初步形成了一個太陽能無人機平臺。為了讓其 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 24 擁有更加優(yōu)異的性能，并具有實用價值，下一步需要在以下幾點尋求突破： 1) 在動力系統(tǒng)中加入減速組，有效提高動力系統(tǒng)效率，增大拉力。 2) 提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化率，進一步延長航時。 3) 完善能源管理系統(tǒng)，在整合必備功能的前提下減小重量和體積。 4) 對機翼的結(jié)構(gòu)以及電池片的封裝進行優(yōu)化設(shè)計，減輕機翼重量，提高工藝可行性。 5) 加裝圖像實時傳輸?shù)裙δ?，完善空中偵查功 能 。 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 25 參考文獻 [1] 張鶴飛 ， 吳安民 ， 俞金娣 ： 晝夜飛行 太陽能無人機 的若干問題 [2] 高廣林，李占科，宋筆鋒，丁祥：太陽能無人機關(guān)鍵技術(shù)分析 [3] 鄧海強 ， 余雄慶 ： 太陽能無人機 的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [4] 王訓(xùn)春，陳鳴波：航空器新一代動力能源裝置 —— 太陽能無人機 用太陽電池 [5] 包文俊，黃長杰： 24V/4A 太陽控制器設(shè)計 [6] 張錦繡： 太陽能無人機 能源管理的初步分析與實驗 [7] 李云虎： 太陽能電池組件封裝工藝研究 [8] 洪剛： 蓄電池太陽能充電系統(tǒng)研究 [9] 鄧海強 ：小型 太陽能無人機 氣動 /結(jié)構(gòu) /推進一體化設(shè)計研究