一种临近空间无人机动力系统设计方法与流程

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种临近空间无人机动力系统设计方法。

背景技术：

带有指定载荷量、要求可以在2万米到2万4千米空域内保持等高度平飞，留空时间至少有2天以上的临近空间无人机才有实用意义。这样的要求看似不高，但目前实际上这对于临近空间无人机的设计、选材和制造是一个难以实现的目标。

第一个非常重要的难点是太阳能无人机如何从地面飞到2万米以上。当然，无人机带有一定数量充足电的电池可以使无人机爬升到2万米以上。但按目前的工业技术所能设计的无人机能够爬升到2万米以上的无人机携带的电池重量几乎占到无人机总重量的40-60％。例如一架起飞重量为750公斤左右太阳能无人机携带接近450公斤电池。750公斤重量去掉储能电池重量，太阳能发电薄膜重量约100公斤，携带设备30-50公斤,飞控和动力装置的重量约15公斤，留给飞机空机重量仅150公斤左右。为了可以采集足够可利用的太阳能，太阳能无人机升力面的面积高达140-200平方米，翼展60-70米。在飞行过程中突风可能达100-200公里/小时，这样轻量级结构的太阳能无人机基本没有存活率。近20年来轻量级结构太阳能无人机发生空中解体坠毁的情况一现再现。曾经号称飞达23,000米高度的“太阳神”太阳能无人机在第二次试飞即空中解体，高度仅2,000米。2019年“空客”的二架“西风-s”级的太阳能无人机在中空解体(这是“空客”同日本通讯的合作项目)。

第二个非常重要的难点是太阳能无人机如何在临近空间实现长航时滞空。要保持无人机在临近空间平飞，唯一能够采用的能源是太阳能，但是由于昼夜交替的原因，完全靠太阳能发电不足以维持按目前原始概念设计的无人机全天24小时的等高度飞行。

即使这种轻量级结构太阳能无人机，飞机的翼载荷至少有4-6公斤/平方米，在20,000米以上空气十分稀薄，仅为地面空气密度的1/30-1/35。因此在那高度飞行的飞机气动效率十分低，保持平飞所需的功率密度至少要10公斤/马力，800公斤飞机需要动力为120马力(98,000瓦)左右。然在稀薄大气下，推进动力效率低下，仅为地面的一半左右，所需要太阳能180,000—200,000瓦，而这是几乎不可能的，因为目前太阳能电池能力约250-270瓦/平方米。十分显然要解决一个程序性飞行问题：

---在飞到20,000米—24,000米高度前，设计一架具备足够强度和刚度气动力优良的无人机，有能力从地面飞到高空，显然是一架很重的飞机。

---飞到20000米—24000米高空后，利用可采集到最大的太阳能，使飞机有能力保持平飞：十分显然要求起飞时飞机有能力飞到临近空间，是一架重飞机，到高空后变成一架轻飞机，这是唯一的出路。

为了使无人机具备长航时性能，设计师采用了多种布局。机翼作为主要飞行升力体，为了提高升阻比，所有已开发的临近空间无人机都是大展弦比机翼，20以上。整机升阻比高于19，临近空间无人机机翼展弦比达24。

综上所述可知，临近空间无人机到达20,000米—24,000米的高空是首先必须要达到的目标。世界上许多十分“聪敏”的设想，例如用气球把无人机吊上高空投放，然而高空气球本身还存在升高空的严重挑战，而被吊的无人机在遇到强风时，连气球和无人机将同时被摧毁。

显然要设计一架可以凭自己能力可以从地面飞上高空的无人机是最现实可行的方案，世界上大多数科学界和工程都是采用这种方式。然而要让一架如此大尺度的轻结构无人机在复杂大气中自己飞到20,000米以上的，整个过程几乎不可能。

飞行器在大气中飞行需要满足二个条件：

一.是有良好的气动力设计在可用能量的情况下产生足够的升力。

二.是在复杂的大气条件下有足够的强度和刚度保证飞行中不被气流摧毁，这二个条件缺一不可。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术提出的不足，提出一种临近空间无人机动力系统设计方法。目的在于解决无人机起飞携带电池重量过重而挤占了机身结构重量、致使轻量级机身容易损坏的问题，以及解决无人机在临近空间飞行，完全靠太阳能发电不足以维持无人机全天24小时等高度飞行的问题。

本发明为解决其技术问题，采用以下技术方案。

一种临近空间无人机动力系统设计方法，包括“组合动力系统”设计方法、全电动力系统设计方法，其特征在于，该组合动力系统设计方法或者全电动力系统设计方法，在无人机起飞时携带燃油或电池的载量均为最低限度载荷量，当无人机留空时间增长或者随飞行高度变化时，随着所携带燃料的不断消耗或者抛掉电能耗尽的电池，飞机的飞行重量不断减少，当最后把和继续飞行无关的部分动力装置也抛掉后，飞机总重量减少到原起飞重量的40-50％，由于无人机飞行重量的下降，保持无人机正常飞行所需用的能量也同步减少了至少40-50％；减重以后的无人机仅靠太阳能发电和最低限度电池载量，可以维持每天无人机留空时间达24小时以上；这种飞行的临近空间无人机至少可以连续在临近空间20,000-24,000米高度飞行3个月，称上述无人机设计理念为“飞行器减重法”；

所述“组合动力系统”是无人机采用二种不同形式的动力源的合成动力系统，飞行中二种动力分别工作在不同的时间段，给临近空间无人机提供飞行的能源；

一是利用覆盖在临近空间无人机表面太阳能发电薄膜发电给无人机推进系统供电，同时给无人机携带的蓄电池充电；

二是在临近空间无人机上安装有燃料发电系统，通过燃料发动机驱动发电机给无人机推进系统供应能源，同时也可以给无人机携带的电池充电；以上二个不同的动力系统组成“组合动力系统”这二种动力的协调是全自动优化，调节控制工作时段，达到智能控制。

所述“组合动力系统”设计方法，包括以下步骤：

步骤一、设计无人机起飞时携带的储能电池重量约为原设计重量的约四分之一或更少(因为储能电池的电效率在提高)；仅这重量的电池的储电能量可满足减重以后的无人机(利用“飞行器减重法”)仅靠太阳能发电可以维持无人机每天留空时间达24小时以上。

步骤二、设计无人机时，无人机起飞时所携带的燃料及部分可抛掉的燃料动力装置总重量可为无人机起飞总重量的50-60％；作为临近空间无人机在临近空间20,000-24,000米高度保持平飞的提供电能的太阳能发电系统的电量必需大于24小时飞行能量。

步骤三、当无人机留空数天以后燃料耗尽时，把燃料箱和发电系统拋掉，此时无人机减重40-50％且能耗很低，由于能耗很低，仅用太阳能发电和储能电池供飞机飞行，可维持无人机留空时间至少3个月。

所述“组合动力系统”设计方法，包括以下示例：

无人机起飞时重量：720-770公斤，储能电池重量100-120公斤，燃油重量350公斤，无人机自重230-250公斤，有效载荷40-50公斤；

重复设计使用寿命：100次起降，10,000飞行小时；

动力设施：表面覆有发电50,000瓦砷化镓薄膜，一台煤油发动机驱动发电机发电6,000瓦，总功率达到56,000瓦；

高度和留空时间：保持在24,000米高空平飞的时间为25-35天；

飞行速度范围：高度18,000米-24,000米。飞行速度250-120公里/时、起飞速度35-40公里/小时；

飞行高度：最大飞行高度28,000米，巡航高度20,000米-24,000米；

起降方式：滑跑起飞或牵引起飞，轮式滑跑着陆。

所述全电动力系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一、设计无人机起飞时携带的电池重量为无人机起飞总重量的60％；

步骤二、设计无人机起飞后到飞至24000米之间多次抛掉耗尽的电池，直至剩下的电池充电后可以维持至少18小时的平飞能量；此时全机总重量减为无人机起飞时总重量的60％；

步骤三、太阳能发电的同时给剩下的电池充电，太阳能发电至少6小时，充电后的电池能量加上太阳能发电能量等于无人机一天24小时平飞需要的能量；由于全机总重量减少了40％，能耗很低，仅用太阳能发电和储能电池供飞机飞行，可维持无人机留空时间至少3个月。

所述步骤二包括以下示例：设计无人机起飞后三次抛掉电池耗尽的电池，每次为电池总重量的五分之一，10000米抛掉电池重量的五分之一、再升高10000米，再抛掉电池重量的五分之一，飞至24000米再抛掉电池重量的五分之一，还剩下五分之二电池，该电池充电后可以维持至少18小时的平飞能量；此时全机总重量减为无人机起飞时总重量的60％。

所述全电动力系统设计方法，具体示例为：无人机起飞重量为150公斤，机翼面积为25平方米左右，带有锂电池90公斤，设备10公斤，飞机结构重约50公斤，所述飞机结构包括动力、导航、飞控。

本发明的优点效果

1、本发明采用“飞行器减重法”和“组合动力系统”二种用于无人机设计新概念解决了上述世界上临近空间无人机所面临的困境。此二种方式已经有基本的飞行记录予以支持。通过在无人机起飞时携带的燃油或电池、通过随着燃料的不断消耗或者抛掉电能耗尽的电池，使得飞机到达临界空间时总重量减少到原起飞重量的40-50％时；由于飞机重量减半，使得平飞在临界空间的无人机仅靠太阳能发电和最低限度电池载量，便可以维持每天无人机留空时间达24小时以上；这种临近空间无人机至少可以连续在临近空间20,000-24,000米高度飞行3个月。

2、本发明打破了长期认为临近空间无人机要想飞得高和长航时就必须带有沉重电池并是轻结构，靠非常偶然的整个升空过程中都是微风的好天气的巨型无人机的错误观念。通过设计无人机过程中的两个设计新概念飞行器减重法”和“组合动力系统”，使得临近空间无人机可以按不同任务要求来合理设计不同的无人机。有效降低了临界空间无人机的制作和使用成本。尤其对于通讯领域的空中基站特别重要，可以突破小卫星方案的限制，开创一个新时代。

附图说明

图1为本发明临近空间无人机混合动力系统设计方法；

图2为本发明临近空间无人机全电动力系统设计方法。

具体实施方式

本发明设计原理

1、无人机飞得高、长航时才有意义，但是飞得高和长航时又是一对矛盾：飞得高要求无人机起飞时携带足够的燃料或电池才能达到临界空间的高度，而无人机达到这样的高度，起飞时燃料或电池的重量起码占有飞机总重量的40-50％。长航时要求无人机的机体重量尽量减轻，因为机体重量尽量减轻才能达到最省用电，从而使得无人机的留空时间尽量长。

2、本发明解决方案：把无人机的动力耗能分为两个阶段，爬升阶段和平飞阶段，爬升阶段必须保证足够的燃料或电池，因此爬升阶段无人机携带的燃料或电池的重量是必须保证能够飞到2400米以上的临界空间的重量；平飞阶段尽量减重，减重的方法包括两个方面，一方面当无人机完成爬升阶段后把多余的燃料或电池抛掉，一方面在平飞阶段，电池的重量只满足一天中没有阳光的时段无人机用电重量即可。一般电池重量按照24小时供电电能设计。所述爬升阶段无人机把多余的燃料或电池抛掉，对于前者，随着飞机的爬升燃料将自然消耗掉，只需要把发电设备抛掉，对于后者采用随用随抛的方法，每1万米抛掉已经耗尽电能的电池，直到保留只够满足平飞阶段1天用电的少量电池即可。在平飞阶段，太阳能发电至少6小时，同时给储能电池充电6小时，充电6小时以后的储能电池能够保证24小时用电，再加上太阳能本身的发电，完全可以满足一天24小时的用电。每天太阳能发电和电池充电的方法周而复始地进行下去，就可以保证无人机留空时间至少3个月。3个月的留空时间计算是按照电池每天充电1次，一共可以充电100次计算的。

总之，采用这种设计概念的临近空间无人机的设计是一种智能设计。任务—飞机性能—起飞重量—飞机大小—飞机结构强度—智能动力系统—抛掷机构的综合系统工程。

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设计方法。

一种临近空间无人机动力系统设计方法，包括组合动力系统设计方法、全电动力系统设计方法，其特征在于，该组合动力系统设计方法或者全电动力系统设计方法，在无人机起飞时携带燃油或电池的量均为最低限度载荷量，当无人机留空时间增长或者随飞行高度变化时，随着所携带燃料的不断消耗或者抛掉电能耗尽的电池，飞机的飞行重量不断减少，当最后把和继续飞行无关的部分动力装置也抛掉后，飞机总重量减少到原起飞重量的40-50％。由于无人机飞行重量的下降，保持无人机正常飞行所需用的能量也同步减少了至少40-50％；减重以后的无人机仅靠太阳能发电和最低限度电池载量，可以维持每天无人机留空时间达24小时以上；这种飞行的临近空间无人机至少可以连续在临近空间20000-24000米高度飞行3个月，称上述无人机设计理念为“飞行器减重法”。

所述“组合动力系统”是无人机采用二种不同形式的动力源的合成动力系统，飞行中二种动力分别工作在不同的时间段，给临近空间无人机提供飞行的能源；

一是利用覆盖在临近空间无人机表面太阳能发电薄膜发电给无人机推进系统供电，同时给无人机携带的蓄电池充电；

二是在临近空间无人机上安装有燃料发电系统，通过燃料发动机驱动发电机给无人机推进系统供应能源，同时也可以给无人机携带的电池充电；以上二个不同的动力系统组成“组合动力系统”这二种动力的协调是全自动优化，调节控制工作时段，达到智能控制。

如图1所示，所述组合动力系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一、设计无人机起飞时携带的储能电池重量为原设计重量的约四分之一或更少(因为储能电池的电效率在提高)；仅这重量的电池的储电能量可满足减重以后的无人机(利用“飞行器减重法”)仅靠太阳能发电可以维持无人机每天留空时间达24小时以上。

步骤二、设计无人机时，无人机起飞时所携带的燃料及部分可抛掉的燃料动力装置总重量可为无人机起飞总重量的50-60％；作为临近空间无人机在临近空间20,000-24,000米高度保持平飞的提供电能的太阳能发电系统的电量必需大于24小时飞行能量。

步骤三、当无人机留空数天以后燃料耗尽时，把燃料箱和发电系统拋掉，此时无人机减重40-50％且能耗很低，由于能耗很低，仅用太阳能发电和储能电池供飞机飞行，可维持无人机留空时间至少3个月。

组合动力系统无人机设计示例：

无人机起飞时重量：720-770公斤，储能电池重量100-120公斤，燃油重量350公斤，无人机自重230-250公斤，有效载荷40-50公斤；

重复设计使用寿命：100次起降，10,000飞行小时；

动力设施：表面覆有发电50,000瓦砷化镓薄膜，一台煤油发动机驱动发电机发电6,000瓦，总功率达到56,000瓦；

高度和留空时间：保持在24,000米高空平飞的时间为25-35天；

飞行速度范围：高度18,000米-24,000米。飞行速度250-120公里/时、起飞速度35-40公里/小时；

飞行高度：最大飞行高度28,000米，巡航高度20,000米-24,000米；

起降方式：滑跑起飞或牵引起飞，轮式滑跑着陆。

如图2所示，所述全电动力系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一、设计全电动无人机起飞时携带的电池重量大约为无人机起飞总重量的40--60％；

步骤二、设计无人机起飞后到飞至24,000米之间多次抛掉耗尽的电池，直至剩下的电池充电后可以维持至少18小时的平飞能量；此时全机总重量减为无人机起飞时总重量的60％；

步骤三、太阳能发电的同时给剩下的电池充电，太阳能发电至少6小时，充电后的电池能量加上太阳能发电能量等于无人机一天24小时平飞需要的能量；由于全机总重量减少了40％，能耗很低，仅用太阳能发电和储能电池供飞机飞行，可维持无人机留空时间至少3个月。

所述步骤二包括以下示例：设计无人机起飞后三次抛掉电池耗尽的电池，每次为电池总重量的五分之一，10000米抛掉电池重量的五分之一、再升高10000米，再抛掉电池重量的五分之一，飞至24000米再抛掉电池重量的五分之一，还剩下五分之二电池，该电池充电后可以维持至少18小时的平飞能量；此时全机总重量减为无人机起飞时总重量的60％。

全电动力系统设计示例具体为：

本设计实例的一架全电无人机bdm-a5,起飞重量为150公斤，翼面积约25平方米左右，带有锂电池90公斤，设备10公斤，飞机结构重约50公斤(包括动力、导航、飞控)。起飞至10，000米高，把20公斤电池用降落伞抛扔。飞到20，000米高再抛扔另外20公斤电池。飞至24000米高又抛扔20公斤电池。全机重量减为90公斤重，翼载荷从6公斤/平方米减到3.6公斤/平方米，此时全机太阳能发电量约250瓦/平方米x40平方米＝10,000瓦左右，而维持在2万米平飞的需用功率仅为2,500-3,000瓦，所在4-6小时太阳能累计储能可以达到10,000瓦x6小时＝60,000瓦·时电能，可以维持大约18小时的平飞能量，余下的30公斤电池可以飞行6小时，所以至少可以在20000米-24000米空间飞24小时。只要机载设备正常，这架无人机可以在18,000-20,000米空间飞行很长时间，至少3个月。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。