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我院团队研制的“翌翔一号“燃料电池固定翼无人机首飞成功
发布人:秦江  发布时间:2021-01-27   浏览次数:22

近年来,各种无人机在民用、军事领域获得了越来越广泛的应用,民用无人机一般采用锂电池作为能量来源,但由于锂电池能量密度的限制,固定翼无人机的续航时间一般为3-4小时,旋翼无人机的续航时间一般为20-40分钟,续航时间的不足限制了民用无人机的推广与应用。燃料电池是一种可以利用氢气、氧气作为反应物,通过高效电化学反应发电的能源装置,氢燃料电池动力系统由于其高能量密度的特点,能够将无人机的续航时间提高2-3倍,在电动无人机领域的应用受到了广泛关注。

图1.“翌翔一号”燃料电池无人机

       哈工大翌翔无人机团队基于对燃料电池动力系统多年深耕的基础上,本着科研转化成果,创造社会价值的理念,将目光投向了燃料电池电推进无人机这一蓬勃发展的领域。时间回到2020年6月,经过老师和同学们的多轮研讨,决定要研制一架新的燃料电池固定翼无人机,作为团队在燃料电池飞行器领域的开山之作,并命名为“翌翔一号”。

在2020年新冠疫情的特殊环境之下,团队成员通过线上会议的方式紧锣密鼓地攻克了无人机选型、无人机总体设计、动力系统设计等诸多难关,每周3次例会。2020年7月小组成员齐聚哈尔滨,在校外租住的房子里开始了紧张的实验工作。开辟一条崭新的道路总是需要披荆斩棘,首先需要完成的是动力系统开发工作,相对于锂电池动力系统,燃料电池系统复杂度,经过反复的摸索和实验,团队成员解决了燃料电池电堆的供气、排气、电堆活性不足等问题,测试了电堆的极化曲线特性,掌握了无人机的动力核心——燃料电池电堆的工作特性。8月份,团队成员以燃料电池为核心配套了直流转换器、超轻高压氢气罐、减压阀、输气系统、动力锂电池等多个部件,并设计了自动/主动切换式能量管理系统,在地面实验中成功完成多次测试运行。

图2.“翌翔一号”起飞瞬间

      与此同时,团队成员与外单位合作完成了适配燃料电池动力系统的无人机载机,经过数十次外场飞行实验,验证了无人机的载机的性能,并对载机进行了适应性改装。时间来到了10月,迎来整个项目的关键步骤,燃料电池动力系统与无人机载机的集成,团队成员动力系统的功率和重量配比进行了细致的调整,同时使动力系统契合无人机的飞行任务剖面,调整各部件的位置,增强无人机飞行的稳定性。

       团队成员所需要应对的不仅是发展燃料电池/锂电池混合动力系统过程出现的重重问题,由于无人机实验的对于环境条件的特殊需求,如果想在今年完成无人机项目,就需要赶在哈尔滨严寒大风天气之前完成首飞,整个团队也是在跟时间赛跑。完成燃料电池系统集成工作之后,最后的任务就是无人机的首飞测试了。10月中旬,天气已经转寒,常常刮起5-6级大风,团队成员两次出发前往试飞场地,但最终由于天气条件恶劣,难以完成飞行测试。此时时间已经来到10月末,紧迫感也压了在团队成员的心头。10月29日,团队成员第三次出发来到试飞场,天气条件达标,经过细致的飞行检查,飞行准备完成。随着一声令下,无人机启动了手抛起飞模式,无人机动力系统开足马力,一飞冲天,飞行过程十分顺利,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,完成多项性能测试后,无人机在控制台的控制下开启降落伞平稳落地,宣告了团队首架燃料电池无人机——“翌翔一号”首飞实验的圆满成功。

       短短五个月的时间,从无到有,“翌翔一号”燃料电池研制成功,一定程度上创造了奇迹。成功的背后是团队成员的齐心协力、集智攻关,克服了重重困难,是辛勤汗水和数十个深夜鏖战。

图3.“翌翔一号”燃料电池无人机飞行图

      “翌翔一号”无人机翼展为2.2m,最大起飞重量为8.0kg,有效载重大于0.5kg,理论续航时间可达到8小时,最大航程可以达到550km,是目前国内起飞重量最小的燃料电池固定翼无人机,是首架可采用手抛起飞/降落伞降落的燃料电池固定翼无人机,实用性强。得益于“翌翔一号”配备的高功率密度的燃料电池/锂电池混合动力系统,“翌翔一号”可以采用手抛起飞、降落伞降落的起降方式,适合在各种复杂地形中使用。

       翌翔无人机团队掌握了氢燃料电池无人机的总体设计流程,发展了一套兼具高功率密度和高能量密度的燃料电池/锂电池混合动力系统和电源管理方法,并在试飞实验中完成了各项技术验证工作。燃料电池无人机得益于其续航优势,在多种传统无人机应用领域可以发挥更佳的能力。

     

图4. 无人机航拍和无人机送货

燃料电池无人机的应用前景广阔。在无人机航拍、勘测场景中,使用燃料电池动力系统可将无人机续航时间提升2-3倍,可以对更广阔的的区域进行探测,无人机运输场景中,相同载重条件下,使用燃料电池动力系统可将无人机续航里程提升2-3倍,相同续航里程条件下,使用燃料电池动力系统可将无人机载重能力提升1.4倍,相对于使用锂电池的无人机有着巨大优势。

       期待哈工大翌翔无人机团队的下一个优秀作品。