临近空间无人机动力系统及混合动力方法技术方案

本发明专利技术公开了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，其特点是：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；还公开了一种方法：当飞机飞行高度达到11000米以上时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。本发明专利技术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。

Power System and Hybrid Power Method of Unmanned Manned Aerial Vehicle in Near Space

The invention discloses a power system of a near space unmanned aerial vehicle, including a hybrid power subsystem of a near space unmanned aerial vehicle, a hybrid power subsystem of a near space unmanned aerial vehicle and an environmental information acquisition subsystem. The hybrid power subsystem comprises a hybrid power device, which comprises a solar power generation device and a fuel power generation device, and also discloses a side. Method: Solar photovoltaic power generation is used as flight power in daytime when the flight altitude of the aircraft is over 11 000 meters, and charging power is provided for the airborne battery. At night, the main power source is the airborne fuel power generation system. The invention maximizes solar power generation, solar energy storage and fuel power generation, thereby reducing fuel consumption and prolonging the airplane's idle time, thereby solving the flying power and energy problems of unmanned aerial vehicles in adjacent space.

【技术实现步骤摘要】
临近空间无人机动力系统及混合动力方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的优点效果本专利技术在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为本专利技术各子系统、各模块总成图；图2为本专利技术系统框架图；图3为本专利技术混合发电子系统示意图；图4为本专利技术燃油发电模块示意图；图5为本专利技术太阳能发电模块示意图；图6为本专利技术混合用电子系统示意图；图7为本专利技术环境信息采集子系统示意图；图8为本专利技术燃油发电机发电示意图；图9为本专利技术太阳能发电示意图。具体实施方式本专利技术动力匹配设计原理：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、本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，所述燃油发电装置用于产生燃油发电电能。

【技术特征摘要】
1.一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，所述燃油发电装置用于产生燃油发电电能。2.根据权利要求1所述一种临近空间无人机动力系统，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述一种临近空间无人机动力系统，其特征在于：所述燃油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。4.根据权利要求2所述一种临近空间无人机动力系统，其特征在于：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。5.根据权利要求2所述一种临近空间无人机动力系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈观清，春燕，
申请(专利权)人：沈观清，春燕，
类型：发明
国别省市：北京,11