摘 要：太陽能飛行器是實(shí)現(xiàn)臨近空間持久駐空的重要平臺(tái)，通過對(duì)太陽能的循環(huán)獲取、綜合利用實(shí)現(xiàn)高空長航時(shí)飛行。能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是制約太陽能飛行器發(fā)展的核心因素。在當(dāng)前研究生教學(xué)實(shí)踐中，從專業(yè)特點(diǎn)、技術(shù)需求及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)等方面出發(fā)，結(jié)合太陽能飛行器能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體流程及效果評(píng)估。實(shí)踐表明：綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)方式可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，還可以激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)臨近空間飛行器的熱情，提高學(xué)生在飛行器研究方面的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

　　關(guān)鍵詞：太陽能飛行器 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　臨近空間作為人類繼陸、海、空、天之后，進(jìn)一步拓展和利用的自然環(huán)境之一，對(duì)促進(jìn)新的空間資源探索和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義。以太陽能飛行器為代表的臨近空間超長航時(shí)飛行器，駐空時(shí)間長久、飛行高度適中、覆蓋范圍寬廣、軍民用途極其廣泛，被稱為“平流層衛(wèi)星”，已成為各軍事強(qiáng)國和商業(yè)巨頭競相發(fā)展的重大前沿方向[1-2]。

　　太陽能飛行器持久駐空飛行產(chǎn)生的能源短缺問題，是當(dāng)前嚴(yán)重制約該技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的瓶頸之一。太陽能飛行器在駐空過程中主要依靠太陽電池獲取能量，分析和計(jì)算太陽電池陣列的產(chǎn)能、儲(chǔ)能電池充放電、能源分配，對(duì)優(yōu)化太陽能飛行器能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高駐空飛行時(shí)間具有十分重要的意義[3-5]。

　　本文根據(jù)臨近空間太陽能飛行器設(shè)計(jì)的原理和特點(diǎn)，結(jié)合國防科技大學(xué)航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的研究生人才培養(yǎng)計(jì)劃[6]，以臨近空間太陽能飛行器總體設(shè)計(jì)為牽引，設(shè)計(jì)了“太陽能飛行器能源系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”實(shí)踐課程。通過給定技術(shù)指標(biāo)的能源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)實(shí)踐，結(jié)合系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高研究生工程素養(yǎng)，拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí)。

　　1 實(shí)驗(yàn)基本原理

　　臨近空間太陽能飛行器能源系統(tǒng)是指由太陽電池陣、蓄電池組及能源管理系統(tǒng)等構(gòu)成，具備能源產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、管理和配置等功能，并為滿足特定任務(wù)載荷需求，而能夠持續(xù)提供穩(wěn)定功率的能源系統(tǒng)。利用太陽能實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)能源的系統(tǒng)組成，一般包括薄膜太陽電池或其他輕薄太陽電池的陣列系統(tǒng)、鋰離子蓄電池組(也可是其他元素體系蓄電池組)或再生燃料電池(部分配備其他輔助電池作為啟動(dòng)電源)、能源管理系統(tǒng)(可含配電器等)、傳輸電纜網(wǎng)等組成。臨近空間太陽能飛行器能源系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[1]。

　　在白天光照期間，由太陽電池陣進(jìn)行太陽輻照的光電轉(zhuǎn)換，對(duì)平臺(tái)和有效載荷提供所需能量，并在功率富裕狀態(tài)下，為儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，以滿足夜晚無能量產(chǎn)生狀態(tài)下的功率需求;在夜晚由于無外部能量注入，只能通過儲(chǔ)能電池系統(tǒng)放電作為直接能量，對(duì)飛行器進(jìn)行平臺(tái)和載荷的供電;此外在朝夕期，由于太陽輻照強(qiáng)度較弱，太陽電池系統(tǒng)發(fā)電有限，只能通過與儲(chǔ)能電池放電進(jìn)行聯(lián)合供電，共同為系統(tǒng)提供能量。通過上述模式和過程，能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為整個(gè)太陽能飛行器提供不間斷能量，滿足系統(tǒng)晝夜工作要求。

　　2 仿真軟件基本架構(gòu)

　　2.1 模型設(shè)計(jì)

　　作為能源供給系統(tǒng)，太陽電池、鋰電池需要滿足能源管理系統(tǒng)在任意飛行時(shí)刻的功率調(diào)度需求，此外，存在重量限制以及鋰電池不能過充和過放，因此能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題歸結(jié)為優(yōu)化問題。問題描述如下：

　　(1)

　　上式中，、分別為太陽能電池的數(shù)量和質(zhì)量，、分別為鋰電池的數(shù)量和質(zhì)量，相應(yīng)的約束條件為：

　　(2)

　　其中，、分別為能源系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻t提供和需求的能量，為飛艇結(jié)束飛行任務(wù)時(shí)的時(shí)刻，也就是飛艇的駐空時(shí)間，SOC為儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)，是確定的任務(wù)需求功率，表示飛行剖面的航跡信息。

　　、SOC(t)是能源系統(tǒng)耦合匹配的參數(shù)，由太陽電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)功能過程中共同確定，是根據(jù)真實(shí)的飛行數(shù)據(jù)建立需求功率的統(tǒng)計(jì)模型，本次實(shí)驗(yàn)的目的是確定、。

　　2.2 仿真軟件架構(gòu)

　　太陽能飛行器能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要是通過仿真軟件平臺(tái)完成。在能源系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)仿真軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，基本的設(shè)計(jì)思路為：采用確定性的能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、理想的太陽能電池MPPT(Maximum Power Point Tracking)管理器，能源管理系統(tǒng)以簡單的能源管理邏輯單元代替，動(dòng)態(tài)工況采用統(tǒng)計(jì)性的需求功率譜和典型的飛行剖面進(jìn)行模擬。通過上面的系統(tǒng)處理，最終確定能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用的太陽能電池的數(shù)量和鋰電池的數(shù)量，以此建立能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束條件。

　　仿真平臺(tái)對(duì)上述能源系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、太陽能電池管理與驗(yàn)證技術(shù)的支持，可以簡單通過動(dòng)態(tài)工況下耦合仿真模塊的替換來實(shí)現(xiàn)，主要是在MATLAB中進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)太陽能電池和鋰電池的拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)的仿真分析，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷更新迭代的過程，仿真平臺(tái)可以檢驗(yàn)?zāi)茉聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)可結(jié)合實(shí)際的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行更新，使之更符合真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖2展示了仿真平臺(tái)驗(yàn)證太陽能電池、鋰電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程。同時(shí)，結(jié)合飛行剖面中的時(shí)刻、經(jīng)緯度、高度、溫度等實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，對(duì)相應(yīng)的太陽輻射模型、熱平衡模型等仿真模塊進(jìn)行修正，獲取更真實(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果。

　　3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

　　3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)能源系統(tǒng)組成，可對(duì)太陽電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)等基本分系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

　　表1中，太陽電池組件數(shù)和儲(chǔ)能電池模塊數(shù)需結(jié)合優(yōu)化計(jì)算模型在軟件平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，由能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)判斷結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)需求。

　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　在太陽電池系統(tǒng)仿真軟件界面中輸入表1所示太陽電池系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行仿真軟件，獲取結(jié)果如圖3所示。

　　由圖3可看出，太陽電池系統(tǒng)產(chǎn)能的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，考慮到飛行器在飛行過程中姿態(tài)角變化(主要是偏航角的變化)對(duì)太陽電池發(fā)電性能的影響，以及測量系統(tǒng)的誤差，認(rèn)為太陽電池仿真模型具有較高可信度，可以作為后續(xù)能源系統(tǒng)仿真的能源輸入模型。

　　在能源系統(tǒng)仿真軟件界面中輸入表1所示太陽電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行仿真軟件，獲取結(jié)果如圖4所示。

　　由圖4中蓄電池荷電狀態(tài)曲線圖可知，隨著太陽輻照的增強(qiáng)，太陽電池的產(chǎn)能增加，儲(chǔ)能電池開始充電;結(jié)合負(fù)載功率曲線變化，隨著系統(tǒng)能耗功率增加，太陽電池系統(tǒng)與儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)合供電狀態(tài)，可完全滿足飛行過程中負(fù)載功率需求。

　　通過仿真參數(shù)設(shè)置與仿真計(jì)算，對(duì)能源系統(tǒng)太陽電池、儲(chǔ)能電池的數(shù)量進(jìn)行了求解驗(yàn)算。以動(dòng)態(tài)過程仿真結(jié)合實(shí)際飛行數(shù)據(jù)的方式，對(duì)能源系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)據(jù)演示，清晰地顯示了各分系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在增大負(fù)載功率需求的條件下，對(duì)太陽電池、儲(chǔ)能電池的聯(lián)合供電能力進(jìn)行了仿真，能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足飛行過程的能源調(diào)配需求。

　　在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可通過自行設(shè)置能源系統(tǒng)參數(shù)，選擇合適的飛行器并計(jì)算出飛行過程中的功率消耗，在仿真軟件平臺(tái)進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)計(jì)的能源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)獲取必要的參考。

　　4 結(jié)語

　　本文提出的太陽能飛行器能源系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)以解決實(shí)際工程應(yīng)用問題為課程目標(biāo)，結(jié)合理論知識(shí)點(diǎn)和創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)學(xué)建模、軟件編程計(jì)算求解，引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用為中心，理論與實(shí)踐結(jié)合，重點(diǎn)突出，適度外延，打牢基礎(chǔ)與緊貼實(shí)用并重。充分鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)、問題歸納、仿真計(jì)算、結(jié)果優(yōu)化等能力，為學(xué)生結(jié)合前沿科技應(yīng)用、充分運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決重大工程問題提供鍛煉環(huán)境。實(shí)踐結(jié)果證明：以專業(yè)必修課的形式開展臨近空間飛行器總體設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程，不僅幫助學(xué)生加深對(duì)飛行器設(shè)計(jì)理論知識(shí)的掌握，還可以激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)臨近空間飛行器的熱情，提高學(xué)生在飛行器研究方面的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。本課程可以為研究生未來從事臨近空間飛行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供專業(yè)技術(shù)知識(shí)，提高臨近空間裝備應(yīng)用技能。

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