臨近空間飛行器氫燃料電池電推進關鍵技術

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臨近空間飛行器具有續航時間長、空間跨度大、低功耗、高生存力的特點，其在高空偵察、情報搜集、空間突防等軍事領域均承擔重要角色，同時，它可用于氣象科學研究、信息中繼站、自然災害預警等民用領域^［1-2］。受制于能量輸入水平，傳統常規動力的高空無人飛行器續航時間僅有數十個小時，為滿足對高空長航時無人飛行器的需求，需要開發利用新的能源供給方式。近年來，以太陽能和氫能為動力能源的高空長航時無人飛行器得到了較快的發展，其中，氫動力飛行器又分為氫內燃機驅動和燃料電池發電驅動兩條發展路線。國外新型能源動力無人機包括太陽能無人機和氫動力無人機，雖然研發時間較早，但均處于技術演示驗證階段。其中，以太陽能為動力的太陽神無人機和西風無人機已在臨近空間進行試飛，最大飛行高度達29.5 km，最長續航時間達14天，但承載有效載荷的能力有限^［3-4］。而以氫內燃機為驅動力的鬼眼無人機和以氫燃料電池驅動的全球觀測者無人機僅在低空進行了短時間試驗驗證。國外新能源無人機如圖1所示。

圖1???國外新能源無人機

Fig.1???Foreign new energy UAV

國內首次以燃料電池為動力能源的臨近空間氫動力飛行器致遠一號飛艇于2009年在上海飛艇基地試飛成功。國內氫燃料電池動力無人機雖然研發起步晚，但與國外差距不大，其中的典型型號有遼寧通用航空研究院的雷鳥、上海同濟大學的飛躍一號和哈爾濱工業大學重慶研究院的青鷗30。雖然三者都采用了質子膜氫燃料電池系統并成功進行了試飛，但是均為小型氫燃料電池低空飛行驗證機^［5］，并非臨近空間氫動力飛行器。國內燃料電池動力無人機如圖2所示。

圖2???國內燃料電池動力無人飛行器

Fig.2???Domestic fuel cell powered UAV

國內外氫燃料電池飛行器雖進行了多次低空和地面試驗，但尚未進入臨近空間飛行試驗階段。能源動力推進技術是限制臨近空間飛行器的瓶頸之一，臨近空間長航時飛行器面臨與地面具有較大跨度的環境差異，因此，只有解決了燃料電池動力系統由低空轉向高空所面臨的環境適應性等關鍵技術問題，臨近空間氫燃料電池飛行器才能真正進行實際應用。

未來，具備高續航、大載荷、高比能的無人機將在信息對抗、空間攻防領域中占據重要的戰略地位，這就對其能源動力系統提出了較高的要求^［6］。由于氫燃料的能量密度約為汽油的2~3倍，動力系統效率是常規發動機效率的2倍以上，因此，可以實現數十天量級超長航時的連續飛行，而氫燃料電池由于具有高效率、高比能的特點，成為其動力能源系統的首選。氫燃料電池系統主要包括5大分系統，如圖3所示，分別是燃料電池堆、氫氣供應系統、空氣供應系統、水熱管理系統和電源管理控制系統。各系統關聯密切并相互耦合，各部分只有在最佳的工作條件下才能使系統發揮最大效能。在臨近空間范疇，國內外大多將20 km高空環境作為研究新能源動力飛行器的目標空域。目前階段，根據燃料電池工作特性，該空域的物性參數通過合理的設計可使燃料電池在臨近空間應用成為可能，為將來燃料電池在更高空域推廣提供基礎研究數據。由于臨近空間與地面環境存在較大差異，20 km高度的空氣密度是地面的1/14左右，壓力大約是標準大氣壓的1/18，粘度系數約為地面的11倍，同時，表現出高空低雷諾系數特性^［7］。因此，需要考慮高低空環境差異對燃料電池發電性能的影響，分別針對各分系統的關鍵技術問題給出相應的解決方案。

圖3???氫燃料電池系統原理圖

Fig.3???Schematic diagram of hydrogen fuel cell system

臨近空間飛行器飛行高度跨越較大，空氣物理特性隨著高度的變化會有較大的差別，因此，需要考慮系統散熱在地面與臨近空間的差異^［17］。在地面等低空環境中，空氣的對流換熱系數大，但是溫差小，換熱能力差，主要依靠風扇的強制對流換熱。在臨近空間，大氣溫度較低，相對于電子儀器設備的正常工作溫度而言，溫度差距較大，約為80 ℃。雖然平流層底部大氣稀薄，氣壓較低，對流換熱系數小，但由于熱源與環境間有著較大的換熱溫差，因此，仍然可以通過強制對流換熱方式進行換熱。

馬偉^［18］等研究了臨近空間中輻射換熱和對流換熱的散熱效果及在散熱過程中的比重，分析了兩種散熱方式隨不同空間高度散熱量的變化關系，指出了在進行臨近空間飛行器散熱設計計算時，可依據對流-輻射換熱臨界點，并結合飛行器結構及飛行高度環境采取合適的散熱方式，綜合考慮系統質量、成本、可靠性等因素。

燃料電池冷卻液流道位于雙極板中間，兩側分別是空氣流道和氫氣流道，在燃料電池工作時，必須控制三者之間的壓差在一定范圍內，壓差過大會導致雙極板損壞破裂，水進入空氣或氫氣流道阻塞空氣或者氫氣流通，導致燃料電池性能下降，甚至發生短路。因此，如何控制冷卻液的流量和壓力是臨近空間燃料電池系統面臨的又一棘手難題。

根據多年對空間燃料電池系統的研發經驗，將冷卻液回路設計成密閉系統隔絕與外界連通，在地面時將冷卻液管路抽真空，將冷卻液吸入管路，冷卻管路里不存在氣體。密閉水箱中預先充入一定壓力的空氣，在高空及臨近空間低氣壓環境下，該補水增壓系統仍可以向燃料電池系統提供所需壓力。

為了解決無人機續航時間、瞬間大功率輸出、系統可靠性等問題，新開發的燃料電池多采用混合動力系統，并已經取代了傳統的單一能源動力系統，其中以燃料電池和鋰電池的多能源組合最為常見^［19］。能量管理策略成為無人機混合動力研究的熱點問題之一。在不同的工況下，燃料電池和鋰電池根據設定的能量管理策略分工合作，在滿足無人機瞬時功率需求變化的前提下，通過合理分配功率輸出，提高能量使用效率，避免過載沖擊造成的燃料電池壽命折損，使母線電壓穩定，各設備保持在最佳狀態下工作。能量管理系統策略目前主要分為基于經驗的能量控制策略和基于優化的能量控制策略。基于經驗的管理策略中，常規模糊邏輯控制策略、功率跟隨管理策略和邏輯門限值控制策略應用較為廣泛，這種控制策略主要依賴專家控制經驗和工程實踐經驗^［20］。

對于臨近空間飛行器的實際飛行，影響系統工作狀態的因素非常復雜，導致建立精確的數學模型非常困難，而模糊控制具有抗干擾性強、適用性強的特點，可簡化控制策略。基于自適應網絡的模糊神經系統（ANFIS）是在模糊控制器設計的基礎上，結合神經網絡自學習的特點，使模糊系統通過不斷學習來調整和完善隸屬度函數和模糊規則，從而使ANFIS同時具備模糊系統和神經網絡的優點。汪秋婷^［21］等研究了基于模糊控制的混合動力系統能量實時控制算法，并將新算法應用于硬件平臺進行仿真與實現，該策略可以較好地根據負載功率需求的變化對燃料電池和鋰電池進行能量分配，避免了功率頻繁變化對燃料電池的沖擊。張志祥^［22］等研究了將無人機需求的鋰電荷電狀態（SOC）、功率誤差信號和燃料電池剩余氫氣壓力作為ANFIS的輸入，鋰電輸出功率和燃料電池輸出功率作為ANFIS的輸出，實現對雙電源的能量管理和分配。

在滿足飛行工況對功率需求為目標的基礎上，以燃料電池、鋰電池最佳工作狀態作為邊界條件的能量管理算法及分配策略，并將該策略進行實現，研制系統控制器。臨近空間飛行器多能源動力測控系統組成如圖12所示。

圖12???多能源動力測控系統

Fig.12???Multi-energy power measurement and control system

（1）燃料電池運行控制器。

對燃料電池工作溫度、氣體壓力、輸出電流、輸出電壓進行監測及控制，使燃料電池工作于最佳狀態。

（2）氫氣及鋰電池SOC監測。

實時監測氫氣剩余量及鋰電池SOC，提示飛行器剩余飛行時間，為飛行調度提供決策依據。

（3）控制器局域網總線（CAN）協議通信。

動力系統各部件運行參數通過CAN提供給飛控或通信鏈路控制器。

通過對比分析了氫燃料電池發電系統在臨近空間與地面系統間的巨大環境差異，尤其涉及空氣供應子系統。根據目前空氣增壓技術發展水平，單臺多級高壓比壓氣機能力暫時難以滿足臨近空間飛行器使用需求。本文提出了多級增壓系統設計，重點分析了空氣壓力匹配、防喘振及能量回收方案，對臨近空間無人飛行器用燃料電池工程應用具有指導意義。借鑒國內外液氫儲存技術在空間中的應用案例，結合自身地面燃料電池用液氫技術相關工程研發經驗，提煉出五種可用于臨近空間燃料電池供氫子系統的氫氣利用方案，其中低漏熱率液氫儲存技術及低功耗氫氣循環技術經過地面工程實踐檢驗，具有較強的工程應用價值。將冷卻液與空間散熱結合，充分考慮燃料電池散熱需求，研究了冷卻液壓力匹配技術，實現對燃料電池散熱的同時保證燃料電池氫、空、水三路的壓力平衡。為滿足飛行器瞬時功率需求，制定了鋰電與燃料電池混合動力系統，采用模糊控制方法，通過合理的能量分配在滿足瞬時功率需求的同時避免了瞬時功率變化對燃料電池系統的沖擊。文中提到的技術方向和解決方案針對性強，技術含量高，可為臨近空間氫燃料電池動力飛行器的研發提供一定的參考價值。