Проектирование электрических двигательных систем для высотных самолетов на солнечных батареях

Введение в высотное солнечное электрическое движение

Электрическая двигательная установка для высотных самолетов на солнечных батареях представляет собой сближение авиационной техники, передовых материаловедческих технологий и электроники на основе возобновляемых источников энергии. Эти самолеты работают в стратосфере, как правило, между 15 000 и 25 000 метров, где они могут собирать обильную солнечную энергию, сталкиваясь с пониженным атмосферным сопротивлением и более низкими температурами. Проектирование двигательной установки для таких транспортных средств требует глубокого внимания к весу, плотности мощности и управлению температурой. Эта статья обеспечивает всеобъемлющий обзор ключевых факторов проектирования, позволяющих технологии, постоянные проблемы и будущие направления, формирующие это поле.

Основные соображения дизайна

Минимизация веса

Вес является единственным наиболее важным фактором в конструкции высотных солнечных самолетов. Каждый грамм, добавленный в двигательную систему, непосредственно снижает грузоподъемность, выносливость полета или достижимую высоту. Инженеры должны выбирать легкие материалы для двигателей, пропеллеров и конструкционных креплений. Композиты из углеродного волокна и титановые сплавы часто используются для корпусов двигателей и валов пропеллеров, в то время как магниевые сплавы предлагают еще более низкую плотность для некритических компонентов. Кроме того, силовая электроника должна быть спроектирована с высоким соотношением мощности к весу с использованием передовых методов упаковки, таких как медные подложки с прямым связыванием и интегрированные радиаторы.

Управление электроэнергией и хранение энергии

Самолеты, работающие на солнечной энергии, должны работать в ночное время, требуя эффективной системы хранения энергии. Батареи должны сочетать высокую удельную энергию (Втч/кг) с высокой эффективностью для минимизации потерь во время циклов зарядки/разрядки. Система управления мощностью также включает в себя максимальные точечные трекеры (MPPT) для оптимизации выходной мощности солнечных панелей при различных условиях излучения и температуры. Хорошо разработанный алгоритм управления энергией заряжает аккумуляторы в дневное время, одновременно питая двигатель и полезную нагрузку, а затем переходит на батареи только в темноте.

Интеграция солнечных панелей

Солнечные элементы должны быть интегрированы в поверхности крыла и фюзеляжа без добавления значительного веса или влияния на аэродинамику. Высокоэффективные многоконтактные элементы, первоначально разработанные для космических применений, часто используются, поскольку они достигают эффективности преобразования выше 30% при концентрированном солнечном свете. Однако на больших высотах солнечный спектр сдвигается из-за уменьшения атмосферного рассеяния, требуя, чтобы ячейки настраивались на конкретные условия облучения. Монокристаллические кремниевые элементы предлагают более дешевую альтернативу с эффективностью около 22-24% и легче интегрируются в изогнутые поверхности с использованием гибких подложек. Компоновка солнечных элементов также должна учитывать затенение от винта или фюзеляжа, требуя тщательного размещения и обхода диодов для поддержания производительности при частичном затенении.

Моторная и пропеллерная эффективность

Электродвигатель должен обеспечивать высокий крутящий момент при низких скоростях вращения для привода винта большого диаметра, оптимизированного для тонкого воздуха стратосферы. Эффективность имеет первостепенное значение, поскольку любые потери в двигателе или винте напрямую приводят к более высокому потреблению энергии, снижая выносливость. Двигатели без щетки постоянного тока (BLDC) являются стандартным выбором, эффективность которого превышает 95% в их оптимальных рабочих точках. Двигатели осевого потока становятся все более популярными для этих применений из-за их формы блинов, которая уменьшает длину осей и позволяет прямое крепление к винту без коробки передач. Пропеллеры должны быть спроектированы с воздушными фольгами, которые поддерживают высокий подъем и низкое сопротивление при числах Рейнольдса до 50 000, требуя тщательного анализа динамики жидкости и часто настраиваемых профилей ламинарного потока.

Включение технологий

Продвинутые солнечные элементы

Наиболее эффективными солнечными элементами, доступными для высотных солнечных самолетов, являются многоконтактные ячейки III-V соединения, такие как ячейки на основе арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия индия (InGaP). Эти ячейки могут достигать эффективности выше 30% в стандартных условиях испытаний и даже выше при концентрированном свете. Например, солнечные элементы с тройным соединением, используемые на прототипе НАСА Helios, достигли почти 34% эффективности в лаборатории. На больших высотах повышенная интенсивность синего и ультрафиолетового света дополнительно повышает производительность. Тонкие пленочные медные селениды галлия индия (CIGS) ячейки предлагают легкую, гибкую альтернативу, которая может быть интегрирована непосредственно в кожуры крыла, хотя их эффективность обычно ниже (15-20%). Исследования в тандемных ячейках перовскита-кремния могут дать эффективность выше 30% с более низкими затратами и большей гибкостью, что делает их перспективным кандидатом для будущих конструкций.

Аккумуляторы высокой энергетической плотности

Литий-полимерные (LiPo) батареи широко используются в прототипе солнечных самолетов из-за их высокой плотности энергии и способности доставлять высокие токи разряда. Современные LiPo-ячейки достигают удельной энергии около 250-300 Втч/кг. Для более длительных миссий на выносливость литий-ионные батареи с кремниевыми анодами продвигаются к 350-400 Втч/кг, в то время как твердотельные батареи обещают еще более высокие значения (500-600 Втч/кг) с улучшенной безопасностью и более длительным сроком службы. Однако твердотельные батареи все еще находятся на стадии разработки и имеют ограниченную доступность для летных испытаний. Батарея также должна включать систему управления батареями (BMS), которая контролирует напряжение, температуру и состояние заряда для предотвращения теплового бегства, особенно критического в среде низкого давления стратосферы, где конвективное охлаждение снижено.

Бесщеточные двигатели DC и Axial-Flux

Двигатели BLDC обеспечивают высокую эффективность, низкое техническое обслуживание и отличную управляемость. Для высотных солнечных самолетов двигатель должен надежно работать в холодной, тонкой атмосфере, где уменьшается тепловой диссипация. Жидкое охлаждение может быть необходимо для двигателей большой мощности, но оно добавляет вес и сложность. Моторы осевого потока особенно привлекательны, потому что их планарная геометрия позволяет интегрировать двигатель в винт, устраняя необходимость в коробке передач и уменьшая механические потери. Эти двигатели используют постоянные магниты неодим-железо-борон (NdFeB), которые поддерживают их магнитную прочность в широком температурном диапазоне. Последние достижения в обмотках статора печатной платы (PCB) уменьшили потери меди и улучшили консистенцию производства.

Электроника и контроллеры Power

Эффективное преобразование и управление мощностью имеют важное значение для максимального увеличения потока энергии от солнечных панелей к батареям и двигателю. Максимальные точечные трекеры (MPPT) с использованием бакс-буста или резонансных преобразователей могут достигать эффективности выше 98%. Контроллер двигателя должен обеспечивать плавное ускорение и рекуперативное торможение для восстановления энергии во время спуска или при уменьшении шага винта. Инверторы для двигателя должны обрабатывать высокие частоты переключения для снижения гармонических потерь в обмотках двигателя. Силовые транзисторы с нитридом галлия (GaN) и карбидом кремния (SiC) все чаще используются, поскольку они работают на более высоких частотах с меньшими потерями, чем традиционные кремниевые MOSFET, что еще больше повышает эффективность системы.

Системы термоуправления

Управление теплом в тонком стратосферном воздухе является значительной проблемой. Теплоотводы полагаются на конвективное охлаждение, которое менее эффективно при низкой плотности воздуха. Инженеры часто используют пассивные тепловые трубы, заполненные двухфазными рабочими жидкостями, для переноса тепла от силовой электроники и двигателей к поверхностям радиатора на крыльях или фюзеляже. Активное охлаждение принудительным воздухом из пропеллерного пробуксовочного потока может использоваться для компонентов большой мощности, хотя это добавляет сопротивление. Материалы фазового изменения (PCM) могут поглощать пиковые тепловые нагрузки во время подъема или при высоком солнечном излучении, затем медленно высвобождать накопленное тепло в течение ночи. Вся система терморегулирования должна быть легкой и надежной, чтобы выдерживать вибрацию и температурный цикл расширенных полетов.

Интеграция и контроль системы

Двигательная система не работает изолированно; она должна быть тесно интегрирована с системой управления полетом самолета, солнечными батареями и полезной нагрузкой. Центральный компьютер управления энергией (EMC) контролирует солнечное излучение, состояние батареи, потребность в мощности двигателя и потребление полезной нагрузки в режиме реального времени. EMC использует прогностические алгоритмы, чтобы решить, когда заряжать батарею, сколько энергии выделять двигателю для подъема против круиза и следует ли уменьшить мощность полезной нагрузки для сохранения энергии для ночного полета. Избыточные датчики и исполнительные механизмы обеспечивают безопасность в случае сбоев компонентов. Связь между подсистемами часто использует детерминированную сеть, такую как CAN шина или ARINC 429 для удовлетворения требований времени.

Законы управления двигателем должны учитывать изменение плотности воздуха с высотой. По мере подъема самолета тяга винта уменьшается, что требует от контроллера двигателя увеличения RPM для поддержания той же скорости воздуха. Контроллер также должен управлять переходом от подъема на солнечных батареях в течение дня к спуску на батарейках ночью. Некоторые самолеты используют винты с переменным питанием для поддержания оптимальной эффективности на этапах полета, хотя это добавляет механическую сложность и вес. Подшипники и уплотнения аэрокосмического класса необходимы для выдерживания низкого давления и низких температур на высоте.

Дизайн-вызовы

Структурная целостность на большой высоте

Конструкция самолета должна выдерживать экстремальные температуры от -70 ° C до +50 ° C, интенсивное ультрафиолетовое излучение и высокие аэродинамические нагрузки во время турбулентности. Композитные материалы должны быть устойчивы к УФ-деградации и микротрещине. Точки крепления двигательной системы подвергаются повторяющимся циклам теплового расширения, которые могут вызвать усталость. Инженеры используют анализ конечных элементов, чтобы гарантировать, что крепление двигателя, концентратор винта и корпус батареи могут выдерживать нагрузки без добавления ненужного веса. Квазиизотропные прокладки и гибридные ламинаты (углерод / стекловолокно) являются общим выбором для их баланса жесткости и прочности.

Энергетический баланс и выносливость

Достижение чистой положительной энергии в течение 24-часового цикла является фундаментальной целью проектирования. Этот баланс зависит от широты, сезона, облачного покрова и траектории полета самолета. Во время летнего солнцестояния в средних широтах хорошо спроектированный самолет может собирать достаточно солнечной энергии в течение дня, чтобы заряжать батарею и питать двигатель в течение ночи. Однако в более высоких широтах или зимой, более короткие дни и более низкий угол солнца требуют больших солнечных батарей или снижения энергопотребления. Некоторые конструкции используют эллипсоидные крылья или наклонные солнечные панели для отслеживания солнца, хотя эти решения добавляют вес и механическую сложность. Расширенное программное обеспечение планирования миссий может оптимизировать путь полета для максимизации солнечного воздействия.

Тепловое управление в тонком воздухе

Как упоминалось ранее, конвективное охлаждение значительно снижается на больших высотах. Мощная электроника генерирует тепло, которое необходимо убрать, чтобы избежать потери или отказа эффективности. Например, контроллер двигателя, рассеивающий 100 Вт на высоте 20 км, потребовал бы радиатора мощностью примерно в четыре раза больше, чем на уровне моря, чтобы добиться такого же повышения температуры. Инженеры часто используют легкие алюминиевые или графитовые радиаторы с плавниками с высокой поверхностью, в сочетании с тепловыми трубами для распространения тепловой нагрузки. В крайних случаях могут использоваться жидкие петли охлаждения с насосом и радиатором, но сам насос потребляет энергию и вводит потенциальные точки отказа. Хорошо спланированная тепловая конструкция часто включает тепловую модель, которая учитывает высоту, солнечную нагрузку и размещение компонентов.

Надежность компонентов и избыточность

Высотные солнечные летательные аппараты предназначены для сверхдолгосрочных полетов, иногда длительных месяцев. Все силовые агрегаты должны обладать доказанной надежностью со средним временем между отказами (MTBF), превышающими продолжительность миссии. Для критических компонентов существенное значение имеет избыточность: двойные обмотки двигателя, резервные каналы контроллера и несколько струн аккумулятора. Система управления полетом должна быть способна обнаруживать отказ, изолировать неисправный компонент и перенастраивать систему для продолжения полета. Например, если одна моторная фаза выходит из строя, контроллер может работать в двухфазном режиме с пониженным крутящим моментом. Эти отказоустойчивые конструкции требуют тщательного тестирования в моделируемых высотных средах.

Будущий прогноз

В следующем десятилетии, вероятно, будут достигнуты значительные успехи в области электрического движения для высотных солнечных самолетов. Исследования сверхлегких материалов, таких как композиты с графеновым усилителем и аэрогели, еще больше уменьшат структурный вес. Твердотельные батареи с 500 + Втч / кг могут обеспечить летние полеты на высоте 30 км. Безмагнитные двигатели с использованием технологии переменного нежелания или переключенного нежелания могут обеспечить более высокую эффективность и надежность, устраняя постоянные магниты, которые могут терять прочность при высоких температурах. Солнечные элементы на основе перовскита могут достичь эффективности выше 30% с более простыми производственными процессами и очень низким весом.

Новые приложения включают в себя постоянные телекоммуникационные реле, гиперспектральное наблюдение Земли, атмосферный отбор проб для исследований климата и высокоскоростное интернет-покрытие для отдаленных районов. Коммерческие предприятия, такие как AeroVironment, Airbus Zephyr и BAE Systems, уже развертывают псевдоспутники на солнечных батареях, которые могут оставаться в воздухе в течение нескольких месяцев. Двигательные системы для этих самолетов должны будут стать более модульными и масштабируемыми для поддержки различных масс полезной нагрузки и уровней мощности. В конечном счете, сочетание высокоэффективных солнечных элементов, передовых батарей и оптимизированных электродвигателей подтолкнет выносливость этих самолетов к беспрецедентным уровням.

Более подробную информацию о технологии солнечных панелей, используемой в этих приложениях, см. многоканальные солнечные элементы . Контрольные показатели производительности аккумуляторов отслеживаются на странице Технологический отдел Министерства энергетики США . Анализ конструкции двигателя осевого потока доступен из исследований высокоэффективных двигателей . Структурные проблемы высотного полета охватываются в Отдел аэрокосмических исследований НАСА . Наконец, обзор коммерческих высотных псевдоспутниковых программ можно найти на Страница Airbus HALE UAV .