תכנון מערכות הנעה חשמלית עבור מטוסים עתירי השמש

הקדמה ל-High-Altitude Solar Electric Propulsion

הנעה חשמלית עבור מטוסים עתירי רוח גבוהה מייצגת התכנסות של הנדסה aeronautical, חומרים מתקדמים מדע, ואלקטרוניקה אנרגיה מתחדשת.מטוסים אלה פועלים בstratosphere, בדרך כלל בין 15,000 ל -25,000 מטרים, שבו הם יכולים לקציר שפע אנרגיה סולארית תוך התמודדות עם גרור אטמוספרי מופחת וטמפרטורות נמוכות יותר.עיצוב מערכת ההנעה עבור כלי רכב כאלה דורש תשומת לב עמוקה, כוח, צפיפות וניהול תרמי מספק זה, עיצוב של גורמים קריטי, עיצוב, עיצוב, עיצוב מתמשך של טכנולוגיות עיצוב, עיצוב, עיצוב מתמשך, עיצוב, עיצוב, עיצוב מתמשך של מערכת ניהול.

שיקולים עיצוביים

משקל מינימלי

משקל הוא הגורם הקריטי ביותר בעיצוב מטוסים סולאריים בעלי טווח גבוה.כל גרם נוסף למערכת ההנעה ישירות מצמצם את יכולת העומס, סיבולת הטיסה, או גובה ניתן להשיג. מהנדסים חייבים לבחור חומרים קלים עבור מנועים, מדחף, וצמחים מבניים. פחמן-פיבר מרוקנים וסגסוגת טיטניום משמשים לעתים קרובות לדיורים מוטוריים ופירים מניעים, בעוד מגנזיום מציעים סגסוגת אפילו עבור רכיבי אנרגיה מתקדמים, כמו גם חומרים לא-קועים.

ניהול חשמל וחיסכון באנרגיה

מטוסים המופעלים על ידי השמש חייבים לפעול במהלך הלילה, הדורשים מערכת אחסון אנרגיה יעילה.באטים חייבים לשלב אנרגיה ספציפית גבוהה (Wh / ק"ג) עם יעילות גבוהה למזער הפסדים במהלך מחזורי המטען / הטעינה.מערכת ניהול האנרגיה כוללת גם עוקבים מקסימליים של כוח (MPPT) כדי לייעל את פלט השמש תחת תנאי irradiance וטמפרטורה שונים.

אינטגרציה פאנל סולארי

תאים סולאריים חייבים להיות משולבים בתוך משטחים כנף ומזג אוויר ללא תוספת משקל משמעותי או להשפיע על אווירודינמיקה. תאים רב-פעמיים יעילות גבוהה, שפותחו במקור עבור יישומי חלל, משמשים לעתים קרובות כי הם להשיג יעילות המרה מעל 30% תחת השמש מרוכזת.אבל, בגובה גבוה, את הספקטרום הסולאריים עקב פיזור אטמוספירטיבי מופחת, הדורש תאים מכוונים עבור התנאים ספציפיים של צינורות אורטרנטיים על ידי סיליקון נמוך יותר.

מנוע ו-Proeller Efficiency

המנוע החשמלי חייב לספק מומנט גבוה במהירויות סיבוביות נמוכות כדי להניע מדחף גדול מדמם מותאם לאוויר הדק של הסטרטוספרה. Efficiency הוא רב-חשיבות כי כל אובדן המנוע או דחף מתורגמים ישירות לתוך צריכת אנרגיה גבוהה יותר, צמצום סיבולת. Brushless DC (DC) הם הבחירה הסטנדרטית, עם יעילות גבוהה יותר של 95% נקודות הפעלה אופטימלית עבור קיבולת נמוכה יותר, אשר מופעלת יותר ויותר עבור מעבדים סטנדרטית של קיבולת נמוכה יותר.

טכנולוגיות Enabling

תאים סולאריים מתקדמים

התאים הסולאריים היעילים ביותר הזמינים עבור מטוסים סולאריים בעלי טווח גבוה הם תאים מורכבים של מספר 3-V, כגון אלה המבוססים על ארנסנסנסניד (GaAs) ו- Indium Gallium phosphide (InGaGaP) תאים אלה יכולים להשיג יעילות גבוהה יותר מעל 30% בתנאי בדיקה סטנדרטיים, ואפילו גבוה יותר תחת אור מרוכז.

High-Energy-Density Batteries

סוללות Lithium-polymer (LiPo) משמשות רבות במטוסי אבטיפוס בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם ויכולת לספק זרמי פריקה גבוהים. תאי LiPo מודרניים להשיג אנרגיות ספציפיות סביב 250-300 Wh / ק"ג.עבור משימות סיבולת ארוכות יותר, סוללות ליתיום-יון עם סיליקון הם דוחפים לעבר 350-400 Wh / ק"ג, בעוד סוללות מוצקות של מדינה אפילו גבוה יותר (500 Wh / R) עם סוללות אבטחה מופחתת, כולל מחזור אבטחה נמוך יותר, כולל סוללה, עם סוללה מהירה יותר, אך עדיין לחץ דם נמוך יותר, עם סוללה, כולל מחזור אבטחה, עם סוללה אינטנסיבי של סוללות אבטחה, עם סוללה, עם סוללה מהירה יותר, כולל מחזור זמן מוגבל יותר, עם סוללה.

Brushless DC ו-Axial-Flux Motors

מנועים BLDC מציעים יעילות גבוהה, תחזוקה נמוכה, ובקרת מעולה. עבור מטוסים סולאריים בעלי יכולת גבוהה, המנוע חייב לפעול באופן אמין באווירה קרה, דקה שבה הפחתת הניתוק תרמי עשוי להיות נחוץ עבור מנועים עתירי כוח גבוהה, אבל זה מוסיף משקל ומורכבות. Axial-flux מנועים הם אטרקטיבי במיוחד כי הגיאומטריה שלהם תוכנית מאפשר להשתלב לתוך ה-Nbnb, ובכך להפחית את הקיבולת הפעילהטווח האלקטרומגנטי שלהם (NCO) אשר יש צורך קבוע של מחזור מגנטי) אשר יש לחץ אוויר מגנטי משופר (NSD) אשר יש לחץ חשמלי מוגברת של מגנטי) אשר יש צורך).

חשמל ובקר

המרה וכוח יעילה הם הכרחיים כדי למקסם את זרימת האנרגיה של פאנלים סולאריים סוללות ואת המנוע.מקסימום נקודת כוח מעקב (MPPT) באמצעות ממירים מזחלות או resonant יכול להשיג יעילות מעל 98%.בקר המנוע חייב לספק האצה חלקה ושיקום מחדש כדי לשחזר אנרגיה במהלך הירידה או כאשר להפחית את סטולר עבור המנוע חייב לטפל בהחלפת תדרים גבוהים יותר כדי להפחית את ה- HIV (Ricide) יותר מאשר לחץ אווירי) הם מפעילים יותר ויותר על ידי סיליקון (Ricials) יותר מאשר לחץ דם גבוה יותר מאשר סיליקון) יותר מאשר סיליקון (Ricide מערכת הפעלה יותר ויותר.

מערכות ניהול

ניהול חום באוויר הסטרטוספרי הוא אתגר משמעותי.הטבע שוקע על קירור קוגניטיבי, אשר פחות יעיל בצפיפות אוויר נמוכה. מהנדסים לעתים קרובות להשתמש צינורות חום פסיביים מלא נוזל עבודה דו-phase כדי להעביר חום הרחק מאלקטרוניקה כוח ועומסים מנועים כדי רדיור פני השטח על כנפי או מתפתל.

מערכת אינטגרציה ובקרה

מערכת ההנעה אינה פועלת בבידוד; היא חייבת להיות משולבת הדוקה עם מערכת בקרת הטיסה של המטוס, פאנלים סולאריים, ותשלום. מחשב ניהול אנרגיה מרכזי (EMC) לפקח על אי-דימנט סולארי, מצב סוללות, הביקוש לחשמל מוטורי, ולשלם את צריכת הכשלים בזמן אמת.ה-EMC משתמש אלגוריתמים חיזוי כדי להחליט מתי לגבות את הסוללה, כמה כוח כדי להקצות את המנוע לאימון אווירי, או לאימון אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי, כדי להבטיח לעתים קרובות, בין אם להשתמש ב- ARundustexate חשמל כדי להפחית את דרישות אבטחה.

חוקי בקרה עבור המנוע חייבים לקחת בחשבון את צפיפות האוויר המשתנה עם גובה.כפי שהמטוס מטפס, הירידה של המדחף, הדורשת את בקר המנוע כדי להגדיל את RPM כדי לשמור על אותה מהירות אוויר.הבקר חייב גם לנהל את המעבר מטיפוס המופעל על ידי השמש במהלך היום לירידה מופעלת סוללות בלילה. חלק מהמטוסים להשתמש במשחתכים משתנים כדי לשמור על יעילות אופטימלית לאורך שלבים, אם כי זה מוסיף משקל מכני ונוחות נמוכות ותחת לחץ אוויריות.

אתגרים עיצוב

אינטגרליות מבנית בכוננות גבוהה

מבנה המטוס חייב לסבול טמפרטורות קיצוניות החל מ -70 מעלות צלזיוס ל +50 ° C, קרינה אולטרה סגולה אינטנסיבית, עומסי אווירודינמי גבוה במהלך זעזוע.חומרים Composite חייב להיות עמיד לשפל UV ומיקרו-cracking. מערכת ההנעה של מערכת ההנעה עוברת מחזורי הרחבה תרמיים חוזרים שיכולים לגרום למהנדסים להשתמש ניתוח אלמנט סופי כדי להבטיח כי המנוע, דחף, לחץ ו-C, ו-Crecatrocerecerecemeves (מחץ) יכולים לעמוד בפני איזון קשיח (C) הם קשים של משקל קשיחים (C) ו-C) ללא עומסים (C) ו-C) הם עמידים קשים (כלומר, כולל מחזורי משקל קשיחים קשים) ו-C) הם עמידים (quatrotratropicis) הם קבועים (מחדשניים) ללא מחזורים) ללא עומסים) הם עמידים קשים (מחדשניים (מחדשניים (מחדשניים) ללא עומסים) ו-C) הם עמידים קשים יותר (מצטברות) ו-C) ללא עומסים קשים (מצטברות) הם עמידים) הם עמידים) ו-C) הם עמידים קשים יותר ויותר קשים יותר ויותר, 000

איזון אנרגיה וסוף

השגת אנרגיה חיובית ברשת לאורך מחזור 24 שעות היא המטרה הבסיסית של עיצוב.מאזן זה תלוי בקווי הרוחב של המטוס, העונה, כיסוי ענן, ונתיב הטיסה. במהלך הקיץ solstice באמצע הגישות, מטוס מותאם היטב יכול לקצור מספיק אנרגיה סולארית במהלך היום כדי לטעון את הסוללה וכוח המנוע דרך הלילה.

ניהול תרמי ב- Thin Air

כאמור, קירור קונפוקטי מופחת באופן משמעותי בגבהים גבוהים. Power אלקטרוניקה לייצר חום כי יש להסיר כדי למנוע אובדן יעילות או כישלון.לדוגמה, בקר מנוע מתפזר 100 W בגובה של 20 ק"מ ידרוש כיור חום גדול פי ארבע מאשר ברמת הים כדי להשיג את אותה עלייה טמפרטורה. מהנדסים לעתים קרובות להשתמש אלומיניום קל משקל או גרט חום עם גבוה-קרקע-אוויר, כולל עומסים תרמיים, כולל צינורות פוטנציאלי, אבל צינורות חום, לעתים קרובות, עם תאורה טמפרטורה, אבל.

אחריות ו Redundancy

מטוסים סולאריים בעלי יכולת גבוהה מתוכננים לטיסות ארוכות מאוד, לפעמים חודשים ארוכים.כל רכיבי ההנעה חייבים להוכיח אמינות עם זמן ממוצע בין כישלונות (MTBF) מעל משך המשימה. Redundancy הוא חיוני עבור רכיבים קריטיים: משב רוח כפולה, ערוצי בקר אדומים, וחבלי סוללה מרובים.מערכת בקרת הטיסה חייבת להיות מסוגלת לזהות כשל, היא מחלישה את הרכיב הפגום, ולהפחית את הסימון בשלב זה יכול להמשיך במעבדה, אם הוא להמשיך במעבדה, אם הוא מסוגל להמשיך את העיצוב המצופה, לדוגמה, כדי להמשיך במעבדה, כדי לא תקין, אם הוא מסוגל להמשיך במעבדה, כדי לתקן את העיצוב.

תחזית עתיד

העשור הבא צפוי לראות התקדמות משמעותית בהנעה חשמלית עבור מטוסים סולאריים בעלי טווח גבוה.מחקר לחומרים במשקל אולטרה אור, כגון גרפן-enhanced מורכב ו- aerogels, יפחית עוד משקל מבני. סוללות מדינה עם 500+ Wh / ק"ג יכול לאפשר טיסות ארוכות טווח בגובה 30 ק"מ, מנועים ללא מגנטורינג, באמצעות רתיעה משתנה או טכנולוגיה מכובשת עלולים להציע יעילות גבוהה יותר של תאים סולק.

יישומים מתעוררים כוללים הודעות תקשורת מתמשך, תצפית כדור הארץ hyperspectral, sampling אטמוספירית למחקרי אקלים, וכיסוי אינטרנט מהיר עבור אזורים מרוחקים. מיזמים מסחריים כמו AeroVironment, Airbus Zephyr, ו BAE Systems כבר פריסת רמות פסאודו-סולאריות המופעלות על ידי השמש, אשר יכולות להישאר aloft במשך חודשים.

(ב) כי רקע מפורט יותר על טכנולוגיית פאנל סולארי בשימוש ביישומים אלה, ראה (FLT:0) תאים סולאריים צום (FLT:1 ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .