长航时太阳能无人机的设计

长航时太阳能无人机的设计优化

ETHZ讲座会议

飞机和航天器系统设计，建模与控制

一．引言

若干年前，能够依靠太阳能动力实现连续飞行一直是个梦想，但是现在这个梦想已经成真。事实上，在在柔性太阳能电池板、高能量密度的电池、小型化MEMS与CMOS传感器以及强大的处理器等领域已经取得显著进展。

其实太阳能飞机的原理很简单，装有太阳能电池板的机翼在太阳光的照射下获得电能，将能量用于螺旋桨推进系统，控制电路，并将剩余的电能用蓄电池储存起来。当夜晚来临的时候，将白天储存在电池里的电能慢慢释放用于驱动飞机各系统直到第二天太阳升起。

尽管如此，对于飞机的优化和整合以及技术方面的努力是必要的。主要的工作是将不同功能的部件尽量能以相同的标准考量。例如飞机的续航时间，就是一个需要综合考量的因素。

在2004年，洛桑联邦理工学院/苏黎世联邦理工学院的自主实验室与欧洲航天局共同提出了“Sky-Sailor”这个项目。这个项目是通过学习和研究自主导航控制的太阳能无人机在地球表面的飞行来验证火星专用版本的可行性。

本次讲座介绍的方法，用于全球范围内设计，旨在实现在地球上能够连续飞行的太阳能飞机。这种方法最早用于Sky-Sailor 项目，但是对于从几百克到翼展几十米的高空长航时无人机仍然具有通用性。

1.太阳能飞机的历史

1.1太阳能航空模型飞机概述

世界上首架太阳能飞机于1974年11月4日，在美国加利福尼亚州试飞，飞机名叫“Sunrise I”，由来自于Astro Flight 公司的R.J. Boucher设计。飞机在100m左右的高度飞行了大约20分钟。它的另一个改进版本“Sunrise II”很快被设计制造出来并且在1975年9月12号首飞，第二架飞机使用了新的太阳能电池板，比第一架飞机上的电池板效率高出14个百分点，总功率高达600W。

Helmut Bruss 和Fred Militky是在欧洲范围内第一个吃螃蟹的，在1976年8月16日，他们的模型“Solaris”在150秒内连续三次爬升到50m的高度[3].

很久以来,许多设计制作飞机的人都尝试让飞机依靠太阳能飞行，这些想法变得越来越可行。最初，飞行时间只有短短的几秒，后来迅速的增长到几分钟以至于几小时[3]。这其中最具代表性的有1996年的Dave Beck和他的飞机Solar Solitude以及90年代创造了很多记录的Wolfgang Schaeper和他的飞机Solar Excel还有98年的Sieghard Dienlin以及他的微型飞机PicoSol。

2.2有人操纵的太阳能飞机

在许多太阳能模型飞机通过飞行证明了只要有足够的照度连续的飞行是可行的之后，那些70年代的太阳能飞机的先驱者便

将有人驾驶的飞机作为新的挑战。

最初的模型飞机，像Fred To的Solar One和Larry Mauro的Solar Riser就是利用电池板在地面上给飞机的电池充电，然后实现短时间的持续飞行。而美国的Dr. Paul B. MacCready 和他的AeroVironment公司实现的仅仅利用太阳能而不用任何储能装置实现连续飞行是具有革命意义的。1980年5月18日，被认为是世界上第一个有人操纵的太阳能飞机Gossamer Penguin 实现了首飞。1981年7月7号，它的改进版的名叫Solar Challenger的飞机实现了仅仅利用太阳能动力穿越了英吉利海峡。

在德国，Günter Rochelt 所制造具有16m翼展和一个电池的Solair I 太阳能飞机在1983年8月21日主要利用太阳能动力和上升气流实现了5小时41分钟的飞行。1986年美国的Eric Raymond开始设计它的名叫Sunseeker的飞机在1989年这架飞机先进行了无电池板的滑翔飞行，在1990年的8月，这架飞机通过21次的起飞降落和120小时的空中飞行穿越了整个美国。

在1996年Berblinger比赛在Ulm举行，比赛的所提出的项目是设计一个真正意义上的能够在

照度相当于夏天晴好天气一半的情况下持续飞行的飞机。最终来自Stuttgart 大学Rudolf 教授的

Voit- Nitschmann队所设计的Icaré 2赢得了冠军。

1.3通往高空长航时无人机（HALE）平台的路

在Solar Challenger成功以后，美国政府对AeroVironment公司进行投资用于研究可行的长航时太阳能发电驱动的高空飞机。在1993年，一架名叫Pathfinder的245公斤30平方米机翼面积的飞机在高空进行了测试，并在1994年成为了NASA的环境研究飞机传感器技术(ERAST)项目的一部分。

从1994年到2003年，这个项目取得了一系列的成功包括三架名叫Pathfinder Plus, Centurion 和Helios的飞机。后者确定将作为最终的包含为夜间飞行所准备的电池的“永不降落的飞机”。在2001年Helios创造了一个的世界纪录达到了29524米的高空。但是不幸的是在2003年6月26日由于结构失效它最终坠毁到了太平洋里，因而无法证明其“永不降落”。

在欧洲，也有许多研究HALE平台的项目，在飞机系统的DLR学会上，在1994年到1998年期间发展了Solitair飞机项目[23]，在2000年1月到2003年5月许多欧洲组织给Solitair飞机项目投资，以用来学习研究可想的高空长航时太阳能无人机平台的研究，用来实现宽带通信和地球观测。

一个名叫QinetiQ的英国公司在HALE平台领域也异常活跃，他们制造的名叫Zephyr的飞机在2006年7月连续飞行了18个小时，其中包括7个小时的夜间飞行。它最近被选为Flemish HALE基础平台的无人机用于Mercator遥感系统的框架在Pegasus 项目。该平台应该满足像森林火灾监测、城市地图,沿海监视等任务。

但是客观地来说，在2005年4月22日Helios太阳能飞机证明了不间断的无人飞行器是可以实现的。AcPropulsion的总裁和创始人Alan Cocconi的Solong飞机只依靠太阳能动力和沙漠里的上升气流飞行了24小时11分钟。飞机4.75米的翼展和11,。5公斤的重量确保其能在两个月后的6月3日实现持续48小时16分钟的不间断飞行。

未来证明连续飞行的梦想将会在通过载人飞行的Solar-Impulse实现,这是一个在瑞士的80米的翼展的轻量级太阳能飞机项目。在2007-2008年生产了一个60m翼展的试验机和2009-2010年最终版本的飞机之后，在每一个大陆停留的环球飞行应该会在2011年5月实现。

2原理简述

太阳能电池板由许多太阳能电池片通过特定的连接组成，它覆盖在飞机的机翼或者飞机的其他

表面上（如平尾，机身）。白天，通过阳光和倾斜射线的照射和，电池板将光能转化成电能。一个

名叫最大功率追踪器的装置保证任何时候从电池板获得最高的功率。获得的电能首先保证动力装置

和电子系统的工作，其次将剩余的电能给电池充电。在夜间，飞机仅仅依靠电池的能量来控制飞机，而没有任何来自太阳能电池板的能量。如图所示：