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“翌翔二号”20kg级燃料电池无人机首飞成功

转载 2021-04-06 08:18 翌翔无人机团队 来源:翌翔无人机团队

燃料电池无人机是指以燃料电池为无人机提供部分或全部动力的无人机,一般采用质子交换膜燃料电池,采用氢气和氧气作为反应气体,在燃料电池电堆中,通过氢气与氧气的电化学反应产生电能,为无人机提供动力。由于采用高能量密度的氢气作为能量来源,相对于以锂电池为动力的无人机来说,相同条件下,燃料电池无人机的续航时间往往可以达到锂电池无人机的3倍,能够很大程度地拓展电动无人机在民用领域的使用。同时相较于以汽油、航空煤油等化石燃料为动力的无人机来说,燃料电池无人机完全不排放出任何温室气体,同时效率较高,隐蔽性好,在军事领域也颇具优势。因此,近年来,燃料电池无人机研究受到了广泛关注。

“翌翔一号”燃料电池无人机

哈工大能源学院秦江教授带领的翌翔无人机团队在研究组对燃料电池动力系统深耕的基础上,开展了燃料电池无人机领域的工作,于2020年10月完成了团队开发的首架8kg级燃料电池无人机——“翌翔一号”无人机的首飞实验,搭载了团队开发的燃料电池/锂电池混合动力系统,在试飞实验中圆满完成了各项飞行任务,验证了燃料电池/锂电池混合动力系统的各项性能。基于“翌翔一号”无人机的开发经验,翌翔团队于2020年10月紧锣密鼓地启动了“翌翔二号”无人机的设计开发工作。“翌翔一号”无人机是翌翔团队第一架燃料电池无人机,在设计、开发、实验的过程中积累了很多燃料电池动力系统飞行器的设计经验,也将这些宝贵经验应用到了“翌翔二号”无人机的开发过程中。“翌翔二号”无人机针对燃料电池动力系统在无人机上的应用进行了整体设计,以充分发挥燃料电池动力系统的额定功率进行推进作为标准,确定无人机的总体参数。把握精细化设计的原则,在保证无人机系统安全运行的条件下,对无人机的各个部件进行了轻量化和适应性设计。选取了成熟的无人机构型,同时进行了多架次的无人机气动验证机的飞行试验,保证了无人机的关键参数达到设计指标,确保无人机飞行的可靠性。

“翌翔二号”无人机剖面图

由于团队所处的“冰城”哈尔滨的冬季气候寒冷、风力强劲,不适宜无人机的飞行试验,为了保证项目顺利进行,在多方帮助下,翌翔团队于2021年1月初携实验设备来到了气候温暖的“椰城”海口,以海南大学作为临时基地,在为期一个月的时间内,团队成员克服了各种困难,开展了“翌翔二号”无人机的实验测试工作。

根据“翌翔二号”无人机的总体设计,无人机的最大起飞重量达到了20kg,为了扩展无人机的使用场景,增加无人机的实用性,翌翔团队确定“翌翔二号”无人机的起降方式为弹射起飞/降落伞降落,翌翔团队根据无人机的结构和受力特点设计了针对性的弹射装置方案。起飞是无人机飞行过程中最初过程,起飞阶段的成败对无人机能否顺利飞行具有先决影响,因此翌翔团队首先对弹射系统进行了测试和实验。团队成员在熟悉弹射系统的操作后,分别完成了“翌翔一号”和“翌翔二号”的锂电池动力弹射试飞实验,完成了弹射装置对无人机的适配工作,成功进行了无人机的弹射起飞实验,无人机均顺利起飞。弹射起飞方式使无人机具有了一定的初速度,能够在各种地形条件下使无人机起飞,拓展了无人机的使用场景。

“翌翔二号”燃料电池无人机

翌翔团队为无人机设计了并联式锂电池/燃料电池混合动力系统方案。燃料电池运行额定功率和无人机巡航功率匹配,当无人机处于巡航状态时,燃料电池单独工作为无人机提供动力,当无人机处于弹射起飞或机动飞行的状态时,燃料电池和锂电池共同工作为无人机提供动力,燃料电池处于额定工作状态,锂电池为无人机提供其余部分能量。这种方案充分发挥了燃料电池动力系统高能量密度的特点,为无人机提供长时间的续航能力,同时利用高功率密度的锂电池解决燃料电池系统功率密度较低的问题。

秦江教授带领翌翔团队,首先对燃料电池/锂电池混合动力系统进行了地面运行试验,测定了动力系统的运行数据,动力系统在测试过程中运行正常,在低功率运行下燃料电池提供全部功率,随着总功率提高,燃料电池输出功率稳定于额定功率,总功率继续升高时,其余功率由锂电池提供,系统运行正常,符合无人机的应用要求。

“翌翔二号”无人机起飞瞬间

接下来,团队成员将动力系统与无人机整合,完成了各部件的安装定位工作,并对无人机的重心位置进行了微调,进行了多次地面调试,完成了无人机试飞前的各项检查工作,确保无人机的飞行安全。2021年2月5日,翌翔团队将“翌翔二号”带到飞行实验场地,天气条件达标,飞行准备完成,随着一声令下,弹射器启动,无人机动力系统全功率运行,起飞顺利,飞行过程顺利,燃料电池/锂电池混合动力系统工作正常,电源管理模块工作正常,记录了各项性能数据,完成了滑翔降落,“翌翔二号” 燃料电池无人机首飞实验的圆满成功。

“翌翔二号”无人机巡航飞行

“翌翔二号”无人机翼展为3.2m,最大起飞重量为20kg,最大载重可以达到3.5kg,理论续航时间可达到16小时,最大航程可以达到1000km,项目团队开发应用于“翌翔二号”的燃料电池/锂电池混合动力系统具有高功率密度和高能量密度的特点,是锂电池无人机的续航时间的3倍。“翌翔二号”无人机采用了动力系统/结构一体化设计方式,根据动力系统特点,对功率输出,通风排气,散热系统进行了针对性的整体化设计,有效提升了动力系统综合性能,具有良好的实用性能。无人机采用了MFM新材料制作机身结构,无人机内部空间充足,机体重量仅为8kg,在长航时飞行、大载重飞行、机动飞行等不同使用条件下可以应用多种的燃料电池混合动力方案。无人机配备了燃料电池空中数据采集系统,具有专用实验设备舱,可以作为燃料电池动力系统和各种实验设备的长航时空中实验平台。同时“翌翔二号”无人机可以采用多种起降方式:滑跑起降、弹射起飞/降落伞降落、垂直起降等不同方案,分别使用对应的混合动力方案,在多场景下发挥出燃料电池动力系统的优势,技术成熟度高,实用化水平高。“

翌翔二号”无人机是国内首架可以采用多种起降方式,具有大载重、长航时特点的无人机实验平台。

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