临近空间飞行器氢燃料电池电推进关键技术

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临近空间飞行器具有续航时间长、空间跨度大、低功耗、高生存力的特点，其在高空侦察、情报搜集、空间突防等军事领域均承担重要角色，同时，它可用于气象科学研究、信息中继站、自然灾害预警等民用领域^［1-2］。受制于能量输入水平，传统常规动力的高空无人飞行器续航时间仅有数十个小时，为满足对高空长航时无人飞行器的需求，需要开发利用新的能源供给方式。近年来，以太阳能和氢能为动力能源的高空长航时无人飞行器得到了较快的发展，其中，氢动力飞行器又分为氢内燃机驱动和燃料电池发电驱动两条发展路线。国外新型能源动力无人机包括太阳能无人机和氢动力无人机，虽然研发时间较早，但均处于技术演示验证阶段。其中，以太阳能为动力的太阳神无人机和西风无人机已在临近空间进行试飞，最大飞行高度达29.5 km，最长续航时间达14天，但承载有效载荷的能力有限^［3-4］。而以氢内燃机为驱动力的鬼眼无人机和以氢燃料电池驱动的全球观测者无人机仅在低空进行了短时间试验验证。国外新能源无人机如图1所示。

图1   国外新能源无人机

Fig.1   Foreign new energy UAV

国内首次以燃料电池为动力能源的临近空间氢动力飞行器致远一号飞艇于2009年在上海飞艇基地试飞成功。国内氢燃料电池动力无人机虽然研发起步晚，但与国外差距不大，其中的典型型号有辽宁通用航空研究院的雷鸟、上海同济大学的飞跃一号和哈尔滨工业大学重庆研究院的青鸥30。虽然三者都采用了质子膜氢燃料电池系统并成功进行了试飞，但是均为小型氢燃料电池低空飞行验证机^［5］，并非临近空间氢动力飞行器。国内燃料电池动力无人机如图2所示。

图2   国内燃料电池动力无人飞行器

Fig.2   Domestic fuel cell powered UAV

国内外氢燃料电池飞行器虽进行了多次低空和地面试验，但尚未进入临近空间飞行试验阶段。能源动力推进技术是限制临近空间飞行器的瓶颈之一，临近空间长航时飞行器面临与地面具有较大跨度的环境差异，因此，只有解决了燃料电池动力系统由低空转向高空所面临的环境适应性等关键技术问题，临近空间氢燃料电池飞行器才能真正进行实际应用。

未来，具备高续航、大载荷、高比能的无人机将在信息对抗、空间攻防领域中占据重要的战略地位，这就对其能源动力系统提出了较高的要求^［6］。由于氢燃料的能量密度约为汽油的2~3倍，动力系统效率是常规发动机效率的2倍以上，因此，可以实现数十天量级超长航时的连续飞行，而氢燃料电池由于具有高效率、高比能的特点，成为其动力能源系统的首选。氢燃料电池系统主要包括5大分系统，如图3所示，分别是燃料电池堆、氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统和电源管理控制系统。各系统关联密切并相互耦合，各部分只有在最佳的工作条件下才能使系统发挥最大效能。在临近空间范畴，国内外大多将20 km高空环境作为研究新能源动力飞行器的目标空域。目前阶段，根据燃料电池工作特性，该空域的物性参数通过合理的设计可使燃料电池在临近空间应用成为可能，为将来燃料电池在更高空域推广提供基础研究数据。由于临近空间与地面环境存在较大差异，20 km高度的空气密度是地面的1/14左右，压力大约是标准大气压的1/18，粘度系数约为地面的11倍，同时，表现出高空低雷诺系数特性^［7］。因此，需要考虑高低空环境差异对燃料电池发电性能的影响，分别针对各分系统的关键技术问题给出相应的解决方案。

图3   氢燃料电池系统原理图

Fig.3   Schematic diagram of hydrogen fuel cell system

临近空间飞行器飞行高度跨越较大，空气物理特性随着高度的变化会有较大的差别，因此，需要考虑系统散热在地面与临近空间的差异^［17］。在地面等低空环境中，空气的对流换热系数大，但是温差小，换热能力差，主要依靠风扇的强制对流换热。在临近空间，大气温度较低，相对于电子仪器设备的正常工作温度而言，温度差距较大，约为80 ℃。虽然平流层底部大气稀薄，气压较低，对流换热系数小，但由于热源与环境间有着较大的换热温差，因此，仍然可以通过强制对流换热方式进行换热。

马伟^［18］等研究了临近空间中辐射换热和对流换热的散热效果及在散热过程中的比重，分析了两种散热方式随不同空间高度散热量的变化关系，指出了在进行临近空间飞行器散热设计计算时，可依据对流-辐射换热临界点，并结合飞行器结构及飞行高度环境采取合适的散热方式，综合考虑系统质量、成本、可靠性等因素。

燃料电池冷却液流道位于双极板中间，两侧分别是空气流道和氢气流道，在燃料电池工作时，必须控制三者之间的压差在一定范围内，压差过大会导致双极板损坏破裂，水进入空气或氢气流道阻塞空气或者氢气流通，导致燃料电池性能下降，甚至发生短路。因此，如何控制冷却液的流量和压力是临近空间燃料电池系统面临的又一棘手难题。

根据多年对空间燃料电池系统的研发经验，将冷却液回路设计成密闭系统隔绝与外界连通，在地面时将冷却液管路抽真空，将冷却液吸入管路，冷却管路里不存在气体。密闭水箱中预先充入一定压力的空气，在高空及临近空间低气压环境下，该补水增压系统仍可以向燃料电池系统提供所需压力。

为了解决无人机续航时间、瞬间大功率输出、系统可靠性等问题，新开发的燃料电池多采用混合动力系统，并已经取代了传统的单一能源动力系统，其中以燃料电池和锂电池的多能源组合最为常见^［19］。能量管理策略成为无人机混合动力研究的热点问题之一。在不同的工况下，燃料电池和锂电池根据设定的能量管理策略分工合作，在满足无人机瞬时功率需求变化的前提下，通过合理分配功率输出，提高能量使用效率，避免过载冲击造成的燃料电池寿命折损，使母线电压稳定，各设备保持在最佳状态下工作。能量管理系统策略目前主要分为基于经验的能量控制策略和基于优化的能量控制策略。基于经验的管理策略中，常规模糊逻辑控制策略、功率跟随管理策略和逻辑门限值控制策略应用较为广泛，这种控制策略主要依赖专家控制经验和工程实践经验^［20］。

对于临近空间飞行器的实际飞行，影响系统工作状态的因素非常复杂，导致建立精确的数学模型非常困难，而模糊控制具有抗干扰性强、适用性强的特点，可简化控制策略。基于自适应网络的模糊神经系统（ANFIS）是在模糊控制器设计的基础上，结合神经网络自学习的特点，使模糊系统通过不断学习来调整和完善隶属度函数和模糊规则，从而使ANFIS同时具备模糊系统和神经网络的优点。汪秋婷^［21］等研究了基于模糊控制的混合动力系统能量实时控制算法，并将新算法应用于硬件平台进行仿真与实现，该策略可以较好地根据负载功率需求的变化对燃料电池和锂电池进行能量分配，避免了功率频繁变化对燃料电池的冲击。张志祥^［22］等研究了将无人机需求的锂电荷电状态（SOC）、功率误差信号和燃料电池剩余氢气压力作为ANFIS的输入，锂电输出功率和燃料电池输出功率作为ANFIS的输出，实现对双电源的能量管理和分配。

在满足飞行工况对功率需求为目标的基础上，以燃料电池、锂电池最佳工作状态作为边界条件的能量管理算法及分配策略，并将该策略进行实现，研制系统控制器。临近空间飞行器多能源动力测控系统组成如图12所示。

图12   多能源动力测控系统

Fig.12   Multi-energy power measurement and control system

（1）燃料电池运行控制器。

对燃料电池工作温度、气体压力、输出电流、输出电压进行监测及控制，使燃料电池工作于最佳状态。

（2）氢气及锂电池SOC监测。

实时监测氢气剩余量及锂电池SOC，提示飞行器剩余飞行时间，为飞行调度提供决策依据。

（3）控制器局域网总线（CAN）协议通信。

动力系统各部件运行参数通过CAN提供给飞控或通信链路控制器。

通过对比分析了氢燃料电池发电系统在临近空间与地面系统间的巨大环境差异，尤其涉及空气供应子系统。根据目前空气增压技术发展水平，单台多级高压比压气机能力暂时难以满足临近空间飞行器使用需求。本文提出了多级增压系统设计，重点分析了空气压力匹配、防喘振及能量回收方案，对临近空间无人飞行器用燃料电池工程应用具有指导意义。借鉴国内外液氢储存技术在空间中的应用案例，结合自身地面燃料电池用液氢技术相关工程研发经验，提炼出五种可用于临近空间燃料电池供氢子系统的氢气利用方案，其中低漏热率液氢储存技术及低功耗氢气循环技术经过地面工程实践检验，具有较强的工程应用价值。将冷却液与空间散热结合，充分考虑燃料电池散热需求，研究了冷却液压力匹配技术，实现对燃料电池散热的同时保证燃料电池氢、空、水三路的压力平衡。为满足飞行器瞬时功率需求，制定了锂电与燃料电池混合动力系统，采用模糊控制方法，通过合理的能量分配在满足瞬时功率需求的同时避免了瞬时功率变化对燃料电池系统的冲击。文中提到的技术方向和解决方案针对性强，技术含量高，可为临近空间氢燃料电池动力飞行器的研发提供一定的参考价值。