为何在恶劣天气下，无人机还能正常飞行？太阳能电池起到大作用

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文|焉子看世界

编辑|焉子看世界

前言

垂直起降(VTOL)是一种无人机(UAV)，允许在恶劣天气下飞行，用于监视和进入偏远地区。没有跑道也能进行垂直起降，因此，VOTL无人机用于空间有限的地区和城市地区。

垂直起降无人机的结构耐久性有限，在固定翼无人机的情况下进一步降低，长航时飞行器允许连续飞行，但它们的供电系统必须能够从外部来源获取能量，以满足指南的要求。这些无人机的机翼上经常覆盖着太阳能电池。
垂直起降无人机飞行中起到哪些作用？太阳能电池对其有何影响？

尾翼垂直起落无人机和任务参数

我们决定将SkyX结构与WingtraOne中使用的推进系统相结合——即带有两个电动机[7].无人机在机翼上装有太阳能电池板，在飞行时利用机翼产生的升力给电池充电。

NACA0010被选为翼型，机翼的迎角在整个飞行阶段保持不变，为4.25°。这个角度提供了良好的升阻比。
最高能量需求发生在垂直起飞和水平形态爬升期间。因此，对于每一种任务情况，都开发了相同的到达指定巡航高度的方法。
首先，无人机垂直上升到200米的高度，然后过渡到固定翼无人机构型。这个力矩包括高度的损失，并且需要利用重力将飞行器加速到适当的速度(这可以与滑翔机从失速中恢复相比)。在此之后，有一个平飞，并开始爬升到新构型的巡航高度。

模拟研究中的无人机的目的是确定验证推进参数所需的能量。因此，在建模中使用了一种逆向方法。这两种模型的工作原理都是基于根据确定的飞行参数计算电动机所需的扭矩。
=由于该无人机属于混合类，所以使用了MATLAB/Simulink开发的两个仿真模型。一个模型用于模拟垂直起飞过程中的能量需求，而另一个模型用于模拟机翼水平排列的飞行。
第一个模型允许模拟垂直起飞，它是基于S. Miller开发的带有Simscape的电动飞机(VTOL)电池组模型，该模型中使用了Simulink库中的“气动螺旋桨”模块，从而可以验证螺旋桨直径。

由于这是飞行中最消耗能量的时刻，携带的模拟允许确定电动机和电池的功率。在这个模型中，我们考虑了作用在垂直起落飞机上的两个基本力：推力和重量。
其中T—推力(N)，kT—相对于螺旋桨转速的推力系数， —空气密度(千克/米3)，D—螺旋桨直径(米)，ε—螺旋桨方向，n—螺旋桨角速度(转/秒)，nthr—转速阈值，W—重量(N)，m—垂直起降质量(kg)，g—标准重力(m/s2).

为以前的电动飞机和固定翼无人机模拟开发的模型(图5) [23,26]作为第二个模型。它允许使用机翼上产生的升力模拟UAV的爬升、水平飞行、下降或滑行。

该模型基于以下基本方程：
其中:T—推力(N)，D—阻力(N)，W—重量(N)，γ—飞行轨迹角(rad)，q—动压(Pa)， —空气密度(千克/米3)，v—飞机速度(米/秒)，L—升力(牛顿)，S—垂直起落机翼面积，CL—升力系数，CD—阻力系数。
在每个模型中，假设飞行发生在无风条件下，为了简化模拟，没有考虑温度对电池工作的影响。此外，开发的模拟模型没有考虑额外设备的功耗。

供电系统的仿真模型

为了评估所分析的垂直起落飞机的能量平衡，我们使用了在以前的研究中开发的模拟模型。
仿真模型输入参数分为两组，第一个包含我们无法控制的外部数据，第二组包含我们可以干扰的内部数据，外部和内部输入数据的整合使我们能够获得关于太阳能发电量的信息。该值然后被转移到太阳能管理系统(SPMS)的模型中。

SPMS包含所用太阳能电池、最大功率点跟踪(MPPT)、电池管理系统(BMS)和电池单元的参数信息。电源系统允许确定存储在电池中的能量和由PV板产生的能量的当前值。
然后，系统连接到负载(电动机、车载、测量和控制设备)。它的反馈使我们能够控制和了解无人机的充电状态(SOC)和能量平衡。

PV板涂有PVC(聚氯乙烯)膜。薄膜叠层改善了机翼的空气动力学，保护太阳能电池表面免受刮擦、化学物质的不良影响或恶劣天气条件的影响。
层压导致PV板的效率降低，但是延长了系统的寿命，无人机太阳能电池的层压过程在，在40S2P的连接布局中，总共可以在垂直起落机翼上放置80块太阳能电池。80块太阳能电池的使用使得机翼的整个表面都被光伏板覆盖。

这是一个相当大的简化，因为机翼结构的一部分被副翼占据，而副翼没有被太阳能电池覆盖。在这种垂直起落飞机中，太阳能电池的布置并不重要，例如，没有会使机翼部分变暗的高机身。应该在垂直起落飞机的机翼上安装尽可能多的太阳能电池，以获得更多的能量。
垂直起落飞机可以在相对于太阳光线方向的不同位置起飞，外部条件可能导致起飞位置的变化，例如，取决于风向。这阻止了UAV在空间中相对于太阳的位置的完全定义。由于与整个任务的持续时间相比，垂直爬升的时间非常短，所以假设在这段时间内，系统将被照射没有爬升角变化的数值。

起飞和爬升消耗了大部分能量。巡航阶段的目的是保持飞行高度，并在适当的条件下给电池充电。电动机使用的能量取决于飞行的情况和阶段。
对于控制垂直起落飞机工作的其他机载设备，功耗可以设置为常数。由于总能耗的百分比较低，我们可以考虑附加系统的最大功耗值。对于我们的垂直起降，这个值被定义为20瓦。
使用的电池组由锂离子电池构成。我们决定用三星INR18650-35E。三星电池提供高能量密度，允许在很宽的温度范围内工作(从10°C到60°C)。建成的储能装置提供了相当于932瓦时的容量。电池中的电芯以12S6P布局连接。

准备好的飞行场景

在仿真模型中，我们将作战任务分为两类。第一类与可能的最终用途有关。在这种任务中，垂直起落飞机将起飞并爬升到设定的高度。
接下来，在这个高度，无人机将继续飞行，这种飞行主要用于管道泄漏监控、边境管制等。第二种情况主要基于最大化飞行耐力。起飞后，无人机会上升到尽可能高的高度，然后保持在这个高度飞行。

对于第一个场景，我们使用1公里的高度来执行监控特定传输线的受控飞行。对于后一种情况，我们使用的最大高度为4千米。
在这个高度，飞行继续进行，对于这两种情况，我们检查了SOC达到0%时的最大飞行时间。目标是确定带光伏板的垂直起落飞机还能飞多远。0% SOC单纯是为了理论研究。在实际飞行中，必须提供剩余的SOC才能使无人机安全降落。

另一个案例将研究垂直起落飞机在1公里和4公里的高度达到SOC的20%能飞行多长时间。该值是安全的，以确保系统在滑翔和着陆期间正常工作。
垂直爬升到200米的高度持续了40秒。过渡到固定翼无人机允许改变飞行参数，第一次1000米在6分钟内完成。26分钟后垂直起落飞机到达4000米的高度。

在还应该包括滑翔的目标场景中，还应该考虑操作所需的时间。使用ROD(下降率)值，我们可以计算出1公里飞行场景的滑翔和着陆时间延长到大约33分钟，而4公里场景的滑翔和着陆时间延长到大约2小时13分钟。
在滑翔过程中，只有消耗低百分比能量的机载设备才能工作。在着陆过程中，当垂直起落飞机改变其位置90度时，能量需求增加。
准备好的飞行路线将在波兰的Gliwice位置进行模拟。在模拟中，考虑了不同的日期。在这项研究中，我们旨在发现春分和夏至时飞行时间的变化有多大。

功率消耗

首先，模拟了垂直起飞和随后爬升期间的功率需求(如中所述)第二节)，与固定翼构型中的爬升相比，垂直飞行的动力需求大约高3.5倍，当使用机翼进行爬升时，所分析的UAV在最大高度具有几乎恒定的功率需求，该功率需求在250 W左右波动。

水平飞行时，高度对动力需求影响巨大，进而影响空气密度。在海拔100和4000米的水平飞行之间，在较低高度的负侧的差值为10.43 W

关于起飞功耗，考虑了90%的效率。爬升时考虑的效率为50%,巡航时为20%。这种差异是由于这些飞行阶段的能量需求差异很大。这些值来自预期载荷与标称载荷的比例。
功耗值是电动机所需的功率、电动机的效率和车载设备的恒定值的总和。每个场景都不包括滑翔和着陆阶段。主要假设是了解飞行时间延长的价值。

每个飞行任务都有三个版本:

没有光伏和光伏板产生的太阳能；
用春分时光伏板产生的太阳能；
夏至时太阳能电池板产生的太阳能。

所有模拟都考虑了完美的天气条件，没有云量、污染物和其他限制光伏发电的外部条件。在恶劣的天气条件下，有必要考虑与云量有关的okta尺度，日出被用作起飞时间。
起飞和爬升消耗了大部分能量。达到设定的上限允许改变垂直起降的位置，并以较低的功耗继续飞行。它允许电池在获得正能量平衡的情况下充电，正能量平衡的峰值在中午。

没有光伏电池板，垂直起降飞机能够飞行6小时20分钟。有了春分点上的太阳能电池，无人机能够飞行15小时10分钟，在夏至飞行44小时10分钟。夏至期间飞行的关键时刻是第二天日出前后。直到垂直起落飞机不能达到正能量平衡，SOC才逐渐降低。最糟糕的时候，SOC低于5%。
我们可以观察到光伏板产生的能量超过能量消耗并允许电池充电的时间间隔。

结论

仿真结果表明，加装太阳能电池的垂直起降供电系统可以延长飞行时间。初步计算，尽管解决方案的概念，有很大的潜力。
在这两种情况下，都采用了晴朗无云的天气，这额外允许无人机从光伏板获得更多的能量。虽然这种简化可以在夏季采用，但在其他时期应采用特定的云量系数。冬季和秋季没有考虑在内，因为大量的降雨和降雪不仅会显著降低光伏功率，还会恶化飞行条件。
在春分和夏至之间，可以观察到飞行时间增加了几倍，该值可能因每个场景和位置而异。垂直起落检查任务主要是为了在恒定高度飞行。

通过分析结果，可以得出结论:
日出时起飞允许飞行时间最大化，这是由于爬升期间的高能耗和中午前后巡航飞行时的恢复，此时辐射最大；高度可以用作时间和能量缓冲器，这可以额外延长飞行持续时间；如果目标是长航时飞行，巡航飞行应该在最高高度进行；任务类型可以改变功耗，特别是在意外时刻，会造成爬升的需要。

巡航飞行消耗恒定的能量值(对于理想条件)，这使得可以计算VTOL能够在给定高度飞行的距离和时间，以设定SOC水平的限制。
更精确的飞行路线应该考虑风速和风向，每一次飞行也应该由空中导航服务机构报告和批准。这可能导致与特定区域中的特定时间相关的飞行场景的显著变化。

参考文献：
固定翼无人机续航技术研究进展 艾春南; 胡连信; 赵田田; 刘紫怡; 王泽峰 机电工程技术 2023
固定翼集群无人机空中模拟对接技术 许勇;颜鸿涛;贾涛;马跃;邓泽华 航空学报 2023
一套垂直起降固定翼无人机系统开发及性能评估 闫勇;岳光波;柳昭琰;董祥;李彪 陕西煤炭 2022