临近空间无人机动力系统及混合动力方法与流程

本发明属于超高空无人机飞行器领域，尤其涉及一种临近空间无人机动力系统。

背景技术：

离地球表面高度20公里到100公里的大气范围称为临近空间。临近空间飞行器是指在或能在近空间作长期、持续飞行的飞行器，与卫星相比，临近空间飞行器的优点是：效费比高、机动性好、易于更新和维护。此种飞行器距目标的距离一般只是低轨卫星的1/10～1/20，可收到卫星不能监听到的低功率传输信号，容易实现高分辨率对地观测。这样，临界空间无论于军事、于民用将具备巨大的利用价值。

临近空间有四个突出的特点：

空气非常稀薄，在大约24公里高空空气密度仅为地表密度的1/30。

临界空间温度非常低，从20公里处到25公里处温度只有-55℃—58℃左右，由于空气稀薄，因此任何导热都是异常低。

阳光充足，由于高而且空气稀薄，因此阳光直射的时间比地面长。

高幅射。

国内开展临近空间飞行器研究有十几年，已经可见的报道基本采用型号和途径十分相似于部分美国和英国所采用的轻结构方案：有正常布局双尾撑布局，也有飞翼方式，但至今没有可以过夜的飞行器，也没有实际可以在大于12000米高度飞行的例证。原因是仅仅采用大面积的太阳能光电发电提供能量，翼展达40-50米左右，翼面积约50-100平方米，重量仅200-500公斤（包括3-10公斤载荷）轻结构飞行器企图达到在临近空间保持全日平飞的可能性很小。

利用无人机飞行器在临近空间飞行保持全日平飞是可能的，但是很显然，临近空间的无人机的飞行动力、能源是极其重要的环节，解决临近空间的无人机的飞行动力、能源问题，目前国内还是个空白。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种临近空间无人机动力系统及混合动力方法，用以解决临近空间无人机保持大高度和全日平飞的动力、能源问题，填补国内空白。

一种临近空间无人机动力系统，包括临近空间无人机混合动力子系统、临近空间无人机混合用电子系统、环境信息采集子系统，所述混合动力子系统接收环境信息采集子系统发送的信息并向所述混合用电子系统输出混合电能，其特征在于：所述混合动力子系统包括混合动力装置，该混合动力装置包括太阳能发电装置和燃油发电装置，所述太阳能发电装置用于产生太阳能发电电能，所述燃油发电装置利用燃油发动机发电产生电能。

所述混合动力子系统包括燃油发电模块、太阳能发电模块，飞行控制系统、储能控制和电池模块；所述飞行控制系统分别控制燃油发动机发电模块和太阳能发电模块，所述储能控制和电池模块分别控制和接收燃油发动机发电储能和太阳能储能，并将接收的储能发送给所述临近空间无人机动力和电子系统。

所述燃油发动机发电模块包括燃油发动机、三相发电机、再启动模块、储能模块；所述燃油发动机驱动三相发电机，所述储能模块接收储能控制和电池模块的指令将三相发电机发出的三相电整流为单相电，并对单相电进行平衡充电和蓄电池充电；所述再启动模块接收飞行控制系统的指令实现燃油发动机的再启动。

所述太阳能发电模块包括太阳能光电薄膜、储能模块，太阳能光电薄膜产生单相电后，所述储能模块再将该单相电进行平衡充电和蓄电池充电。

所述储能控制和电池模块的电池充电来自燃油发电模块的蓄电池充电和太阳能发电模块的蓄电池充电，所述储能控制和电池模块将燃油发电蓄电池和太阳能发电蓄电池的单相电再次整流为三相电，并将整流后的三相电提供推进螺旋浆三相电机。

所述太阳能光电薄膜为在机翼上表面、水平尾翼上表面和垂直尾翼二侧表面覆盖砷化镓光电发电薄膜，利用太阳能光发电，用作飞行动力。

所述燃油发动机当飞机飞行高度低于4500米高度的大气层中采用空气作为助燃剂，当飞机飞行高度大于4500米，低于11000米时采用由空气增压器提供经压缩的空气为助燃剂；当飞机飞行高度高于11000米时，采用双氧水作为助燃剂。

所述临近空间无人机混合动力和电子系统包括温控和加热用电模块、三相永磁电动机驱动推进螺旋浆用电模块、机载设备和飞控用电模块；所述混合用电包括使用单相电和使用三相电，所述螺旋浆用电为使用三相电，所述温控和加热以及机载设备和飞控用电为使用单相电。

所述环境信息采集子系统包括飞行地面站指令模块、机载大气设备信息模块、飞行状况信息模块、机载计算机模块；所述飞行地面站指令模块、机载大气设备信息模块、飞行状况信息模块分别向机载计算机提供信息，机载计算机再将这些信息处理后反馈给临近空间无人机混合动力子系统。

一种用于临近空间无人机动力系统的混合动力方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、飞机飞行高度达到20,000米以上；

步骤二、白天利用太阳能光电发电作为飞行动力，同时为机载蓄电池提供充电电能；

步骤三、夜间主要动力来源于机载燃油发电系统。

本发明的优点效果

本发明在20,000米以上的高空，白天利用太阳能光电发电作为飞行动力，同时为机载蓄电池提供充电电能，夜间主要动力来源于机载燃油发电系统，同时夜间的电能还来自太阳能除了保持平飞外还有少量剩余，飞机上装置了充电器和少量锂电池，当夜晚飞行中用以补充燃油发电系统或积累电能，通过以上方法实现了昼夜都能够在预定高度运行，并且最大限度利用太阳能发电和太阳能储能、最小限度地使用燃油发电，从而降低了燃料消耗，延长了飞机的留空时间，从而解决了临近空间的无人机的飞行动力、能源问题。解决了可以在临近空间长时间飞行的无人机飞行器的难题。

附图说明

图1为本发明各子系统、各模块总成图；

图2为本发明系统框架图；

图3为本发明混合发电子系统示意图；

图4为本发明燃油发电模块示意图；

图5为本发明太阳能发电模块示意图；

图6为本发明混合用电子系统示意图；

图7为本发明环境信息采集子系统示意图；

图8为本发明燃油发电机发电示意图；

图9为本发明太阳能发电示意图。

具体实施方式

本发明动力匹配设计原理：

1、临近空间无人飞行器通常有二种飞行模式：

第一种，白天用太阳能产生的电能维持24000米高度的平飞，同时积累多余的电能储备，用作夜间飞行。夜间由于能量有限，因此飞行高度下降。这样也许可以达到较长的飞行留空时间，但缺点是随着白天、昼夜的变化飞行高度变化很大，达几千米之巨。

第二种，白天晚上都利用自身能量保持24,000米平飞，此类飞行器通常是带有内燃机的飞机，但是由于燃料消耗，因此留空时间短。优点是可以在预定高度运行指定的设计时间。

2、本发明采用的飞行模式是这二种模式的结合：

为了达到白天利用太阳能飞行而夜间飞行利用内燃机产生的电能飞行、同时又克服由于采用内燃机电能燃料消耗大、因此留空时间短的难题，当太阳能除了保持平飞外还有少量剩余，飞机上装置了充电器和少量锂电池，当夜晚飞行中用以补充或积累电能。

白天太阳能除去保持平飞所耗电能外，部分电能贮存在一个小型电池组中，用作夜间飞行用，当电能耗至最低值时，内燃发动机自动开启，所产生电能继续保持飞机在夜间的飞行。以保持整个动力系统是高效率的。

基于以上原理，本发明设计了一种临近空间无人机动力系统。

一种临近空间无人机动力系统如图2所示，包括临近空间无人机混合动力子系统、临近空间无人机混合用电子系统、环境信息采集子系统，所述混合动力子系统接收环境信息采集子系统发送的信息并向所述混合用电子系统输出混合电能，其特征在于：所述混合动力子系统包括混合动力装置，该混合动力装置包括太阳能发电装置和燃油发电装置，所述太阳能发电装置用于产生太阳能发电电能，所述燃油发电装置用于产生燃油发电电能。

所述混合动力子系统如图3所示，包括燃油发电模块、太阳能发电模块，飞行控制系统、储能控制和电池模块；所述飞行控制系统分别控制燃油发电模块和太阳能发电模块，所述储能控制和电池模块分别控制和接收燃油储能和太阳能储能，并将接收的储能发送给所述临近空间无人机混合用电子系统。

所述燃油发电模块如图4所示，包括燃油发动机、三相发电机、再启动模块、储能模块；所述燃油发动机驱动三相发电机，所述储能模块接收储能控制和电池模块的指令将三相发电机发出的三相电整流为单相电，并对单相电进行平衡充电和蓄电池充电；所述再启动模块接收飞行控制系统的指令实现燃油发动机的再启动。

所述太阳能发电模块如图5所示，包括太阳能光电薄膜、储能模块，太阳能光电薄膜产生单相电后，所述储能模块再将该单相电进行平衡充电和蓄电池充电。

所述储能控制和电池模块如图6所示，该电池充电来自燃油发电模块的蓄电池充电和太阳能发电模块的蓄电池充电，所述储能控制和电池模块将燃油发电蓄电池和太阳能发电蓄电池的单相电再次整流为三相电，并将整流后的三相电提供推进螺旋浆三相电机。

所述太阳能光电薄膜为在机翼上表面、水平尾翼上表面和垂直尾翼二侧表面覆盖砷化镓光电发电薄膜，利用太阳能光发电，用作飞行动力。

所述燃油发动机当飞机飞行高度低于4500米高度的大气层中采用空气作为助燃剂，当飞机飞行高度大于4500米，低于11000米时采用由空气增压器提供经压缩的空气为助燃剂；当飞机飞行高度高于11000米时，采用双氧水作为助燃剂。

所述临近空间无人机混合用电子系统包括温控和加热用电模块、三相永磁电动机驱动推进螺旋浆用电模块、机载设备和飞控用电模块；所述混合用电包括使用单相电和使用三相电，所述螺旋浆用电为使用三相电，所述温控和加热以及机载设备和飞控用电为使用单相电。

所述环境信息采集子系统如图7所示，包括飞行地面站指令模块、机载大气设备信息模块、飞行状况信息模块、机载计算机模块；所述飞行地面站指令模块、机载大气设备信息模块、飞行状况信息模块分别向机载计算机提供信息，机载计算机再将这些信息处理后反馈给临近空间无人机混合动力子系统。

补充说明：

所述环境信息采集子系统是飞机携带的所有飞行姿态、路程、周围环境测量感知传感器的集成体系。所有这些传感器所采集和感知的信息和数据集成到机载计算器上，综合描述并显示于一个显示屏或多个显示屏，供无人机操作员经综合评估，作出飞行任务实时决策指令，发去无人机信息和数据接收器，由机载计算机指挥所有机载执行设备操作。

所述机载大气设备信息模块包括感知信息传感器，该感知信息传感器收集飞机周围情况。例如空速、航向、高度、加速度、温度、湿度和发动机工作状态、转速温度、功率发挥值，以及飞机本身状态；油量、消耗速度、余油、电池电压、电量余量。

所述飞行状况信息模块包括飞行传感器，该飞行传感器感知飞机姿态、舵机温度、各种活动面运动角度、蓄压瓶压力等等，这些信息汇总到机载计算机。由机载计算机综合，指令飞机飞行，即姿态、航向以及生成当前飞行地图等。某些信息由数据传输系统传送到地面站，例如航向偏离、gps故障维护、照相系统、跟踪系统。即时运行由地面无人机操作员判别、决策。

一种用于临近空间无人机动力系统的混合动力方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、飞机飞行高度达到20,000米以上；

步骤二、白天利用太阳能光电发电作为飞行动力，同时为机载蓄电池提供充电电能；

步骤三、夜间主要动力来源于机载燃油发电系统。

具体实施方案：

1、可控动力跑车起飞或牵引起飞。

2、煤油发动机和电能自主爬升，爬升率不小于2米/秒，3-4小时升到24,000米左右高度。

3、携带氢气（160大气压）约120公斤和含氧助燃剂60-80公斤或航空煤油150公斤和液氧，可以工作约120-150小时，约15-18个夜晚，一夜平均8-10小时。

4、采用中国汉能公司的约60平方米的砷化镓光电薄膜发电。发电效率0.28-0.31%；太阳能发电供白天飞行约11000瓦-12700瓦，约14-17马力，保持220-250公里/小时平飞，并可保存部分电能。因此总留空时间可达15-20天。

5、一台18马力的小型煤油压燃发动机和一台带有发动机再启动模块永磁发电机。

6、一具碳纤维高转速4-6叶尾推式螺旋桨，作为高空前飞和起降时的部分动力。

7、起飞时，部分电能由机载电池供应，电动机短时功率为30马力，助动力起飞。起飞动力由电驱动可控跑车提供，起飞速度25-40公里/时，电能和发动机动力仅作上升机动的动力。

8、一架翼展为38-40米，起飞重量为450-550公斤，有效载荷不小于50公斤的多次使用大尺度临近空间无人机。

9、机翼和平尾上表面和垂尾二面表面复有砷化镓光电薄膜约40-55平方米，每平方米重量大约1.0公斤，所以机翼发电薄膜约重45-50公斤，机翼是应力蒙皮和复合材料骨架组成，机翼总重量约120-140公斤。机身和平尾结构约为60公斤，飞机动力系统总重仅为10公斤（一台发动机+发电机）。

燃料：200-250公斤。

载荷设备：50公斤。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而非限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。