基于飞艇的能源空间站构想

陈中

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

【摘 要】能源系统是影响临近空间飞行器长时驻空的重要因素。论文提出了基于飞艇平台构建能源空间站的构想，从而给飞行器提供一种新型能源获取方式。论文首先介绍了能源空间站的基本组成与工作原理，在此基础上分析了能源空间站的关键技术。

【关键词】临近空间;飞艇;能源空间站;无线输能

中图分类号： V274 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0012-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.005

Conception of the Energy Space Station Based on Airship

CHEN Zhong

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】Energy system is the main factor to restrict the long duration flight of near space vehicle. The paper proposes the method to constructenergy space stationbased on airship，which providing a new energy acquisition to near space vehicle. Firstly， the paper elaborates the basic composition and the operating principle of energy space station， then analyzes the key technologies.

【Key words】Near space; Airship; Energy space station; Wireless power transfer

0 引言

臨近空间由于其独特的环境特性成为一新兴的军事研究空域，引起了广泛关注[1]，世界各国都在致力于研究飞艇、空飘气球、无人机等临近空间飞行器。

目前临近空间飞行器能源系统通常由太阳能电池与储能电池组成，这种供电方式存在以下问题：飞行器通常需要铺设大面积太阳能电池与携带大量储能电池，能源系统重量占比达到飞行器的30%～50%[2-3]，使得飞行器携带任务载荷的能力低下;当飞行器携带电子干扰、雷达、激光武器等任务载荷时（这些载荷工作功率往往在数十至数百kW），现有的能源供给方式已无法满足使用需求，更难以发挥临近空间飞行器长时驻空作战效能。为此，论文提出了基于飞艇的能源空间站构想，利用能源空间站给临近空间飞行器提供电能，为飞行器提供一种新型的能源获取方式。

1 基于飞艇的能源空间站

以临近空间飞艇为驻空平台，最大程度携带能源系统，构建能源空间站，系统组成结构如图1所示。能源空间站空中部分主要包含：飞艇平台、太阳能电池发电装置、储能电池装置、平台无线输能装置、能源管理器、无线供能装置;能源空间站地面部分主要包含地面无线输能装置与并网电能变换装置;其中平台无线输能装置与地面无线输能装置实现能源空间站与地面电网之间能源交互，能源空间站利用无线供能装置给飞行器提供电能。

能源空间站可以通过飞艇平台所携带的太阳能电池发电获取电能，亦可以通过无线输能技术从地面获取电能;通过无线供能装置（微波输能或激光输能技术）给飞行器提供电能。白天光照充足时，能源空间站利用太阳能电池给飞行器供电，同时将多余能量给储能电池充电;在储能电池充满电时，通过无线输能装置将电能从空中传输至地面电网。夜晚由储能电池提供电能;在储能电池电能不足时，能源空间站通过无线输能装置从地面电网获取电能。

2 能源空间站关键技术分析

能源空间站是基于飞艇平台构建的包含太阳能电池、储能电池、无线输能装置的一种复合能源系统，需要研究这种新型供电方式的平台总体设计、能量管理控制、电路拓扑结构等关键技术。

2.1 飞艇平台设计

飞艇平台作为能源空间站的升空载体，内部充入氦气产生浮力，克服其自身的重量，从而实现升空悬浮功能;并利用多余浮力携带太阳能电池、储能电池、无线输能装置构建能源系统。因此，飞艇平台设计[4]的首要目标：（1）减轻飞艇自身的重量，诸如选用轻型复合材料技术，从而利用剩余浮力最大程度携带能源系统，提高能源空间站供电能力;（2）降低飞艇平台自身能源消耗，诸如提高动力系统用电效率，从而为其他飞行器尽可能提供电能。

飞艇平台结构布局示意图如图2所示，通常太阳能电池布置在飞艇顶部以便于接收太阳光辐射，提高太阳能电池发电效率;无线输能共形天线安装在飞艇下部以便于对准地面无线输能发射系统;储能电池、能源管理器、无线输能变换装置安装于吊舱中，便于能源系统环控管理。大面积太阳能电池、共形天线以及集中布置的能源吊舱，使得飞艇的气动布局、结构强度设计尤为复杂，需要研究在不影响飞艇平台气动性能的条件下，从重量平衡、能量平衡、动力平衡及热平衡的要求出发，优化设计太阳能电池、无线输能共形天线在飞艇上的布局结构，如太阳能电池的分布式发电技术、无线输能共形天线技术。

2.2 能源系统电路拓扑与集成

能源空间站作为一个多能源系统，需研究供电系统的集成电路拓扑结构，提高能源系统的供电可靠性。图3给出了能源系统电路拓扑结构图，储能电池通过DC/DC变换器接入直流母线，DC/DC变换器实现储能电池的充放电管理;太阳能电池通过MPPT控制器接入直流母线，MPPT控制器实现最大功率跟踪控制;无线输能装置共形天线通过多个整流滤波电路接入直流母线。