基于任务驱动与系统重构的太阳能飞行器能源管理方法研究

In recent decades, near space solar-powered vehicles have gradually become a research hotspot for the reason that they have potential strategic advantages especially in surveillance and reconnaissance, communication relay, target indication, atmospheric environmental monitoring and other applications. Many advanced countries, such as the United States, the European Union, and Japan have invested a lot of research efforts to conduct in this field. However, different from the traditional aircraft design, due to the ability and task matching planning, efficient recycling energy system, structure - functional integration design and other key technologies have not been in-depth study, there are few aircraft platform can realizes long endurance and controllable flight in the world. .Therefore, based on the research results about aircraft design and solar energy recycling system of applicant, this project will carry out a study of solar energy vehicle energy management methods based on task-driven and system reconstruction through the interdisciplinary. Based on the mechanical equilibrium model and energy balance model, and combined with latitude, season, flight profile, fault reconstruction scheme and other influencing factors, this project will explore the energy dynamic management methods and flight strategy research from the viewpoint of dynamic balance and effective operation to meet that solar aircraft can fly under different task profiles. Then, based on the typical integrated model, this project will carry out the feasibility verification, and further provide technical support for the solar aircraft integrated optimization design.

临近空间太阳能类飞行器由于其在监视/侦察、通信中继、目标指示、大气环境监测等应用方面独特的战略优势，已成为国内外研究的热点，美国、日本、德国等都已先后投入大量科研力量开展该方向研究。然而，有别于传统飞行器设计，由于能力与任务匹配性规划、高效循环能源系统、结构-功能一体化设计等关键技术还未得到深入研究，世界上还鲜有可以实现长时留空、可控飞行的太阳能飞行器平台。.为此，本项目拟以申请者在飞行器设计和太阳能循环能源系统方面已有研究成果为基础，通过学科交叉，开展基于任务驱动与系统重构的太阳能飞行器能源管理方法研究。即，通过力学平衡模型、能量平衡模型，结合纬度、季节、飞行剖面、故障重构方案等影响因素的引入，从动态平衡、有效运行的角度，探索可以进行太阳能飞行器在不同任务剖面要求下的能量动态管理方法和飞行策略研究，并通过典型的集成化模型进行可行性验证，为进一步的太阳能飞行器综合优化设计提供技术支持。

由于在监视侦察、通信中继、目标指示、大气环境监测等方面独特的应用优势，临近空间太阳能飞行器已成为国内外科技强国研究的热点。然而，有别于传统飞行器设计，太阳能飞行器必须满足升（浮）重平衡、推阻平衡、能量平衡，特别是面向典型任务的区域驻留要求。为此，本课题开展了以下三个方面的研究工作：.1）在传统飞行器设计方法的基础上，引入对能量收支平衡特性的分析，形成综合考虑上述三大平衡的基于力学-电学耦合的太阳能飞行器设计分析方法。基于该方法构建可视化的交互分析模型，并开展特征参数（如辐射、倾角、效率、比能量等）的敏感性分析，明确重要影响因素。在此基础上，将多元概率理论引入到总体方案的评估中，构建针对设计方案的三级评价指标。.2）根据平流层飞艇和太阳能飞机飞行特点的不同，构建基于分段式的临近空间太阳能飞行器飞行剖面-策略分析方法：针对太阳能飞机提出了“昼高夜低、一日五段”式飞行策略，以Zephyr 7南海地区夏至日飞行为对象，经优化后所携带的电池质量可比初始减少23.1%。针对平流层飞艇提出了基于“位置储能”的飞行策略，针对既定方案，当飞行空域为100公里，200公里和300公里时，在15m/s的风速作用下，能源系统的总质量可分别下降7.5％，19.7％和29.2％，同时，设计平均抗风速度越高，位置储能策略优势越明显。.3）通过循环能源系统拓扑结构分析、模块化零部件仿真模型构建、典型故障分级筛选与应对策略分析，结合开关阵列设计运用，构建基于模块化可自主重构的临近空间飞行器太阳能循环能源系统仿真模型，系统分析可保证该类飞行平台长时、可靠运行的自主重构方案与方法，并通过相应的仿真模型进行了分析验证。.集成上述成果，课题组形成了较完整的基于任务驱动与系统重构的太阳能飞行器能源管理方法。仿真分析表明，基于该方法所提出的多飞行阶段能量管理策略可以将约22.9%的剩余能量储存在电池中，可大幅提高太阳能飞机的长航时飞行能力，并能保证在典型故障下的系统自主重构与可靠工作。