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我院團隊研制的“翌翔一號“燃料電池固定翼無人機首飛成功
發布人:秦江  發布時間:2021-01-27   瀏覽次數:22

近年來,各種無人機在民用、軍事領域獲得了越來越廣泛的應用,民用無人機一般采用鋰電池作為能量來源,但由于鋰電池能量密度的限制,固定翼無人機的續航時間一般為3-4小時,旋翼無人機的續航時間一般為20-40分鐘,續航時間的不足限制了民用無人機的推廣與應用。燃料電池是一種可以利用氫氣、氧氣作為反應物,通過高效電化學反應發電的能源裝置,氫燃料電池動力系統由于其高能量密度的特點,能夠將無人機的續航時間提高2-3倍,在電動無人機領域的應用受到了廣泛關注。

圖1.“翌翔一號”燃料電池無人機

       哈工大翌翔無人機團隊基于對燃料電池動力系統多年深耕的基礎上,本著科研轉化成果,創造社會價值的理念,將目光投向了燃料電池電推進無人機這一蓬勃發展的領域。時間回到2020年6月,經過老師和同學們的多輪研討,決定要研制一架新的燃料電池固定翼無人機,作為團隊在燃料電池飛行器領域的開山之作,并命名為“翌翔一號”。

在2020年新冠疫情的特殊環境之下,團隊成員通過線上會議的方式緊鑼密鼓地攻克了無人機選型、無人機總體設計、動力系統設計等諸多難關,每周3次例會。2020年7月小組成員齊聚哈爾濱,在校外租住的房子里開始了緊張的實驗工作。開辟一條嶄新的道路總是需要披荊斬棘,首先需要完成的是動力系統開發工作,相對于鋰電池動力系統,燃料電池系統復雜度,經過反復的摸索和實驗,團隊成員解決了燃料電池電堆的供氣、排氣、電堆活性不足等問題,測試了電堆的極化曲線特性,掌握了無人機的動力核心——燃料電池電堆的工作特性。8月份,團隊成員以燃料電池為核心配套了直流轉換器、超輕高壓氫氣罐、減壓閥、輸氣系統、動力鋰電池等多個部件,并設計了自動/主動切換式能量管理系統,在地面實驗中成功完成多次測試運行。

圖2.“翌翔一號”起飛瞬間

      與此同時,團隊成員與外單位合作完成了適配燃料電池動力系統的無人機載機,經過數十次外場飛行實驗,驗證了無人機的載機的性能,并對載機進行了適應性改裝。時間來到了10月,迎來整個項目的關鍵步驟,燃料電池動力系統與無人機載機的集成,團隊成員動力系統的功率和重量配比進行了細致的調整,同時使動力系統契合無人機的飛行任務剖面,調整各部件的位置,增強無人機飛行的穩定性。

       團隊成員所需要應對的不僅是發展燃料電池/鋰電池混合動力系統過程出現的重重問題,由于無人機實驗的對于環境條件的特殊需求,如果想在今年完成無人機項目,就需要趕在哈爾濱嚴寒大風天氣之前完成首飛,整個團隊也是在跟時間賽跑。完成燃料電池系統集成工作之后,最后的任務就是無人機的首飛測試了。10月中旬,天氣已經轉寒,常常刮起5-6級大風,團隊成員兩次出發前往試飛場地,但最終由于天氣條件惡劣,難以完成飛行測試。此時時間已經來到10月末,緊迫感也壓了在團隊成員的心頭。10月29日,團隊成員第三次出發來到試飛場,天氣條件達標,經過細致的飛行檢查,飛行準備完成。隨著一聲令下,無人機啟動了手拋起飛模式,無人機動力系統開足馬力,一飛沖天,飛行過程十分順利,燃料電池/鋰電池混合動力系統工作正常,電源管理模塊工作正常,完成多項性能測試后,無人機在控制臺的控制下開啟降落傘平穩落地,宣告了團隊首架燃料電池無人機——“翌翔一號”首飛實驗的圓滿成功。

       短短五個月的時間,從無到有,“翌翔一號”燃料電池研制成功,一定程度上創造了奇跡。成功的背后是團隊成員的齊心協力、集智攻關,克服了重重困難,是辛勤汗水和數十個深夜鏖戰。

圖3.“翌翔一號”燃料電池無人機飛行圖

      “翌翔一號”無人機翼展為2.2m,最大起飛重量為8.0kg,有效載重大于0.5kg,理論續航時間可達到8小時,最大航程可以達到550km,是目前國內起飛重量最小的燃料電池固定翼無人機,是首架可采用手拋起飛/降落傘降落的燃料電池固定翼無人機,實用性強。得益于“翌翔一號”配備的高功率密度的燃料電池/鋰電池混合動力系統,“翌翔一號”可以采用手拋起飛、降落傘降落的起降方式,適合在各種復雜地形中使用。

       翌翔無人機團隊掌握了氫燃料電池無人機的總體設計流程,發展了一套兼具高功率密度和高能量密度的燃料電池/鋰電池混合動力系統和電源管理方法,并在試飛實驗中完成了各項技術驗證工作。燃料電池無人機得益于其續航優勢,在多種傳統無人機應用領域可以發揮更佳的能力。

     

圖4. 無人機航拍和無人機送貨

燃料電池無人機的應用前景廣闊。在無人機航拍、勘測場景中,使用燃料電池動力系統可將無人機續航時間提升2-3倍,可以對更廣闊的的區域進行探測,無人機運輸場景中,相同載重條件下,使用燃料電池動力系統可將無人機續航里程提升2-3倍,相同續航里程條件下,使用燃料電池動力系統可將無人機載重能力提升1.4倍,相對于使用鋰電池的無人機有著巨大優勢。

       期待哈工大翌翔無人機團隊的下一個優秀作品。



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