太阳能混合动力气囊机身验证机

郭嘉琪++郑兴涛++董安琪

摘 要：太阳能混合动力气囊机身验证机是一种绿色环保的新型飞行器，通过覆盖机身的太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在高效的锂电池中，电池中储存的电能稳定释放，在飞行过程中通过锂电池和太阳能提供飞行动力。在验证机机身中，采用合理结构设计，将充有低于空气密度的气囊安装在飞机机身内部，进而利用空气浮力抵消机身重量，降低能耗。验证机符合新能源开发的应用前景，采用多种手段降低能耗，增加航程，具有积极的实践意义。

关键词：太阳能混合动力气囊机身验证机 绿色环保 长时间巡航

中图分类号：U463.343 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0001-02

1 绪论

1.1 太阳能无人机

太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此，太阳能飞机的机翼面积较大。据了解，目前，美国正在研发若干款长航时无人机。该机利用太阳能电池板驱动电动马达，为通信中继或传感器（摄像机等）提供动力，可日夜行动，在2～3万m的高空飞行。

太阳能飞机是20世纪70年代随着成本合理的太阳能电池的出现而问世的，当时只有微型型号，直到1980年才首次载人飞行，但从来没有进行过载人整夜飞行，而且飞行距离一直较短。20世纪70年代末，人力飞机的发展积累了制造低速、低翼载、重量轻的飞机的经验。在这一基础上，美国在20世纪80年代初研制出“太阳挑战者”号单座太阳能飞机。飞机翼展14.3 m，翼载荷为60帕（6公斤力/米2），飞机空重90 kg，机翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太阳电池，在理想阳光照射下能输出3000瓦以上的功率。目前，太阳能飞机还处于试验研究阶段，它的有效载重和速度都很低。

1.2 项目立意

太阳能混合动力气囊机身验证机是一种绿色环保的新型飞行器，通过覆盖机身的太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在高效的锂电池中，电池中储存的电能稳定释放，在飞行过程中通过锂电池和太阳能提供飞行动力。

在验证机机身中，采用合理结构设计，将充有低于空气密度的气囊安装在飞机机身内部，进而利用空气浮力抵消机身重量，降低能耗。

验证机符合新能源开发的应用前景，采用多种手段降低能耗，增加航程，具有积极的实践意义。

2 整机的设计

2.1 飞机结构的设计

由于项目中用到太阳能电池板为锂电池供电，而太阳能给锂电池供电时主要在无人机巡航阶段，这就要求锂电池原本就可以提供无人机较长的滞空时间，这样就有更多的时间让太阳能电池板给锂电池充电。从而更增加飞机的巡航能力。

为了增加飞机的巡航阶段的时间，方便飞机起飞，我们将无人机设计成了滑翔机结构，而且此方案经过了多次理论的计算和实际制作的考验。其主要CAD图纸如图1、图2：

为了能使其上面能铺上太阳能电池板，我们对翼肋的上部进行了切割处理，使其平整，方便铺上太阳能电池板。

机身方面，为了能在机体内充入尽可能多的气，我们将机身中的隔框尽量的镂空，在不使无人机机体的结构的破坏下，充入更多的气体。

综合以上，飞机的部分参数如表1。

2.2 无人机动力系统

飞机电机参数如表2。

螺旋桨为选用与低kV值电机相对应的大桨，1260的桨即直径为12英寸即304.8 mm，螺距为6英寸即152.4 mm。

以下为电机配合桨工作的参数（见表3）。

在无人机中电调驱动电机完成各种指令。

电调全称电子调速器，英文electronic speed controller，简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的转速。电调输入是直流，可以接稳压电源，或者锂电池。一般的供电都在2～6节锂电池左右。输出是三相交流，直接与电机的三相输入端相连。如果上电后你的电机反转，你只需要把这三根线中间的任意两根对换位置即可。电调还有三根信号线连出，用来与接收机连接，控制电机的运转。

电调选的是好盈牌飞腾FlyFun40A无刷电调。

2.3 无人机的能源管理系统

电池，我们选用的是ACE 2200mAh 3S 11.1V25C锂电池组，具体参数如表4。

太阳能电池板的具体参数如表5。

调压模块为直流降压模块LM2596。

其参数如表6。

太阳能电池板给锂电池充电，从而防止太阳能电池板给无人机直接供电导致某些情况下太阳能电池板瞬时提供的电量不够给无人机供能的问题。

由于电池电压为11.1 V，容量为2200 mAh，充电倍率为5 C，即：2.2×5=11（A），则最大充电电流为11A。

我们将机翼上表面铺上40个太阳能电池板，并将其等分为两组，每组20个。将每组内的电池板串联，加上一个调压模块，在太阳底下将电压调为15 V，这样得到的电流为2.4 A。而这2.4 A的电流小于调压模块的最大输出电流3 A的限制，所以是安全的。再将这两个调压模块的输出端并联，就得到了一个输出电压为15 V，输出电流为4.8 A的电池组。由于锂电池的最大充电电流为11 A，所以用这个电池组给锂电池充电是可行的。

算上锂电池的充放电效率，太阳能电池组能传递给电机的功率约70 W。刚好为电机配合螺旋桨产生拉力效率最大的功率。此时的拉力为0.71 kg。推重比为0.28，足够巡航时用。

2.4 无人机的气囊

气体方面数据如表7（在0℃、标准大气压下）。

结合上述数据，我们冲的气体选定为氦气。其密度较低，且安全性上远高于氢气。作为惰性气体，氦气也不会与无人机上的任何部件发生反应。

至此满足了所有要求。

3 应用的前景

运用此无人机作为空中平台，可以搭载设备进行航拍、监控、测绘等工作。由于采用太阳能功能，使无人机可以长时间的巡航，更好的完成任务。

参考文献

[1] 魏岳江.太阳能无人机及其军事应用[J].国防科技，2012（6）.

[2] 太阳能简介[J].化工时代，2012，26（3）.

摘 要：太阳能混合动力气囊机身验证机是一种绿色环保的新型飞行器，通过覆盖机身的太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在高效的锂电池中，电池中储存的电能稳定释放，在飞行过程中通过锂电池和太阳能提供飞行动力。在验证机机身中，采用合理结构设计，将充有低于空气密度的气囊安装在飞机机身内部，进而利用空气浮力抵消机身重量，降低能耗。验证机符合新能源开发的应用前景，采用多种手段降低能耗，增加航程，具有积极的实践意义。

关键词：太阳能混合动力气囊机身验证机 绿色环保 长时间巡航

中图分类号：U463.343 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0001-02

1 绪论

1.1 太阳能无人机

太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此，太阳能飞机的机翼面积较大。据了解，目前，美国正在研发若干款长航时无人机。该机利用太阳能电池板驱动电动马达，为通信中继或传感器（摄像机等）提供动力，可日夜行动，在2～3万m的高空飞行。

太阳能飞机是20世纪70年代随着成本合理的太阳能电池的出现而问世的，当时只有微型型号，直到1980年才首次载人飞行，但从来没有进行过载人整夜飞行，而且飞行距离一直较短。20世纪70年代末，人力飞机的发展积累了制造低速、低翼载、重量轻的飞机的经验。在这一基础上，美国在20世纪80年代初研制出“太阳挑战者”号单座太阳能飞机。飞机翼展14.3 m，翼载荷为60帕（6公斤力/米2），飞机空重90 kg，机翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太阳电池，在理想阳光照射下能输出3000瓦以上的功率。目前，太阳能飞机还处于试验研究阶段，它的有效载重和速度都很低。

1.2 项目立意

太阳能混合动力气囊机身验证机是一种绿色环保的新型飞行器，通过覆盖机身的太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在高效的锂电池中，电池中储存的电能稳定释放，在飞行过程中通过锂电池和太阳能提供飞行动力。

在验证机机身中，采用合理结构设计，将充有低于空气密度的气囊安装在飞机机身内部，进而利用空气浮力抵消机身重量，降低能耗。

验证机符合新能源开发的应用前景，采用多种手段降低能耗，增加航程，具有积极的实践意义。

2 整机的设计

2.1 飞机结构的设计

由于项目中用到太阳能电池板为锂电池供电，而太阳能给锂电池供电时主要在无人机巡航阶段，这就要求锂电池原本就可以提供无人机较长的滞空时间，这样就有更多的时间让太阳能电池板给锂电池充电。从而更增加飞机的巡航能力。

为了增加飞机的巡航阶段的时间，方便飞机起飞，我们将无人机设计成了滑翔机结构，而且此方案经过了多次理论的计算和实际制作的考验。其主要CAD图纸如图1、图2：

为了能使其上面能铺上太阳能电池板，我们对翼肋的上部进行了切割处理，使其平整，方便铺上太阳能电池板。

机身方面，为了能在机体内充入尽可能多的气，我们将机身中的隔框尽量的镂空，在不使无人机机体的结构的破坏下，充入更多的气体。

综合以上，飞机的部分参数如表1。

2.2 无人机动力系统

飞机电机参数如表2。

螺旋桨为选用与低kV值电机相对应的大桨，1260的桨即直径为12英寸即304.8 mm，螺距为6英寸即152.4 mm。

以下为电机配合桨工作的参数（见表3）。

在无人机中电调驱动电机完成各种指令。

电调全称电子调速器，英文electronic speed controller，简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的转速。电调输入是直流，可以接稳压电源，或者锂电池。一般的供电都在2～6节锂电池左右。输出是三相交流，直接与电机的三相输入端相连。如果上电后你的电机反转，你只需要把这三根线中间的任意两根对换位置即可。电调还有三根信号线连出，用来与接收机连接，控制电机的运转。

电调选的是好盈牌飞腾FlyFun40A无刷电调。

2.3 无人机的能源管理系统

电池，我们选用的是ACE 2200mAh 3S 11.1V25C锂电池组，具体参数如表4。

太阳能电池板的具体参数如表5。

调压模块为直流降压模块LM2596。

其参数如表6。

太阳能电池板给锂电池充电，从而防止太阳能电池板给无人机直接供电导致某些情况下太阳能电池板瞬时提供的电量不够给无人机供能的问题。

由于电池电压为11.1 V，容量为2200 mAh，充电倍率为5 C，即：2.2×5=11（A），则最大充电电流为11A。

我们将机翼上表面铺上40个太阳能电池板，并将其等分为两组，每组20个。将每组内的电池板串联，加上一个调压模块，在太阳底下将电压调为15 V，这样得到的电流为2.4 A。而这2.4 A的电流小于调压模块的最大输出电流3 A的限制，所以是安全的。再将这两个调压模块的输出端并联，就得到了一个输出电压为15 V，输出电流为4.8 A的电池组。由于锂电池的最大充电电流为11 A，所以用这个电池组给锂电池充电是可行的。

算上锂电池的充放电效率，太阳能电池组能传递给电机的功率约70 W。刚好为电机配合螺旋桨产生拉力效率最大的功率。此时的拉力为0.71 kg。推重比为0.28，足够巡航时用。

2.4 无人机的气囊

气体方面数据如表7（在0℃、标准大气压下）。

结合上述数据，我们冲的气体选定为氦气。其密度较低，且安全性上远高于氢气。作为惰性气体，氦气也不会与无人机上的任何部件发生反应。

至此满足了所有要求。

3 应用的前景

运用此无人机作为空中平台，可以搭载设备进行航拍、监控、测绘等工作。由于采用太阳能功能，使无人机可以长时间的巡航，更好的完成任务。

参考文献

[1] 魏岳江.太阳能无人机及其军事应用[J].国防科技，2012（6）.

[2] 太阳能简介[J].化工时代，2012，26（3）.

摘 要：太阳能混合动力气囊机身验证机是一种绿色环保的新型飞行器，通过覆盖机身的太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在高效的锂电池中，电池中储存的电能稳定释放，在飞行过程中通过锂电池和太阳能提供飞行动力。在验证机机身中，采用合理结构设计，将充有低于空气密度的气囊安装在飞机机身内部，进而利用空气浮力抵消机身重量，降低能耗。验证机符合新能源开发的应用前景，采用多种手段降低能耗，增加航程，具有积极的实践意义。

关键词：太阳能混合动力气囊机身验证机 绿色环保 长时间巡航

中图分类号：U463.343 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0001-02

1 绪论

1.1 太阳能无人机

太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此，太阳能飞机的机翼面积较大。据了解，目前，美国正在研发若干款长航时无人机。该机利用太阳能电池板驱动电动马达，为通信中继或传感器（摄像机等）提供动力，可日夜行动，在2～3万m的高空飞行。

太阳能飞机是20世纪70年代随着成本合理的太阳能电池的出现而问世的，当时只有微型型号，直到1980年才首次载人飞行，但从来没有进行过载人整夜飞行，而且飞行距离一直较短。20世纪70年代末，人力飞机的发展积累了制造低速、低翼载、重量轻的飞机的经验。在这一基础上，美国在20世纪80年代初研制出“太阳挑战者”号单座太阳能飞机。飞机翼展14.3 m，翼载荷为60帕（6公斤力/米2），飞机空重90 kg，机翼和水平尾翼上表面共有16128片硅太阳电池，在理想阳光照射下能输出3000瓦以上的功率。目前，太阳能飞机还处于试验研究阶段，它的有效载重和速度都很低。

1.2 项目立意

太阳能混合动力气囊机身验证机是一种绿色环保的新型飞行器，通过覆盖机身的太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在高效的锂电池中，电池中储存的电能稳定释放，在飞行过程中通过锂电池和太阳能提供飞行动力。

在验证机机身中，采用合理结构设计，将充有低于空气密度的气囊安装在飞机机身内部，进而利用空气浮力抵消机身重量，降低能耗。

验证机符合新能源开发的应用前景，采用多种手段降低能耗，增加航程，具有积极的实践意义。

2 整机的设计

2.1 飞机结构的设计

由于项目中用到太阳能电池板为锂电池供电，而太阳能给锂电池供电时主要在无人机巡航阶段，这就要求锂电池原本就可以提供无人机较长的滞空时间，这样就有更多的时间让太阳能电池板给锂电池充电。从而更增加飞机的巡航能力。

为了增加飞机的巡航阶段的时间，方便飞机起飞，我们将无人机设计成了滑翔机结构，而且此方案经过了多次理论的计算和实际制作的考验。其主要CAD图纸如图1、图2：

为了能使其上面能铺上太阳能电池板，我们对翼肋的上部进行了切割处理，使其平整，方便铺上太阳能电池板。

机身方面，为了能在机体内充入尽可能多的气，我们将机身中的隔框尽量的镂空，在不使无人机机体的结构的破坏下，充入更多的气体。

综合以上，飞机的部分参数如表1。

2.2 无人机动力系统

飞机电机参数如表2。

螺旋桨为选用与低kV值电机相对应的大桨，1260的桨即直径为12英寸即304.8 mm，螺距为6英寸即152.4 mm。

以下为电机配合桨工作的参数（见表3）。

在无人机中电调驱动电机完成各种指令。

电调全称电子调速器，英文electronic speed controller，简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的转速。电调输入是直流，可以接稳压电源，或者锂电池。一般的供电都在2～6节锂电池左右。输出是三相交流，直接与电机的三相输入端相连。如果上电后你的电机反转，你只需要把这三根线中间的任意两根对换位置即可。电调还有三根信号线连出，用来与接收机连接，控制电机的运转。

电调选的是好盈牌飞腾FlyFun40A无刷电调。

2.3 无人机的能源管理系统

电池，我们选用的是ACE 2200mAh 3S 11.1V25C锂电池组，具体参数如表4。

太阳能电池板的具体参数如表5。

调压模块为直流降压模块LM2596。

其参数如表6。

太阳能电池板给锂电池充电，从而防止太阳能电池板给无人机直接供电导致某些情况下太阳能电池板瞬时提供的电量不够给无人机供能的问题。

由于电池电压为11.1 V，容量为2200 mAh，充电倍率为5 C，即：2.2×5=11（A），则最大充电电流为11A。

我们将机翼上表面铺上40个太阳能电池板，并将其等分为两组，每组20个。将每组内的电池板串联，加上一个调压模块，在太阳底下将电压调为15 V，这样得到的电流为2.4 A。而这2.4 A的电流小于调压模块的最大输出电流3 A的限制，所以是安全的。再将这两个调压模块的输出端并联，就得到了一个输出电压为15 V，输出电流为4.8 A的电池组。由于锂电池的最大充电电流为11 A，所以用这个电池组给锂电池充电是可行的。

算上锂电池的充放电效率，太阳能电池组能传递给电机的功率约70 W。刚好为电机配合螺旋桨产生拉力效率最大的功率。此时的拉力为0.71 kg。推重比为0.28，足够巡航时用。

2.4 无人机的气囊

气体方面数据如表7（在0℃、标准大气压下）。

结合上述数据，我们冲的气体选定为氦气。其密度较低，且安全性上远高于氢气。作为惰性气体，氦气也不会与无人机上的任何部件发生反应。

至此满足了所有要求。

3 应用的前景

运用此无人机作为空中平台，可以搭载设备进行航拍、监控、测绘等工作。由于采用太阳能功能，使无人机可以长时间的巡航，更好的完成任务。

参考文献

[1] 魏岳江.太阳能无人机及其军事应用[J].国防科技，2012（6）.

[2] 太阳能简介[J].化工时代，2012，26（3）.