高空长航时太阳能无人机荷电机理及静电防护研究

For the high-altitude long-flying solar unmanned aerial vehicle high flying height, long flight time(several times as conventional unmanned aerial vehicles), the composite material body easy to accumulate static, the body laying large area of solar cell components sensitive to electrostatic discharge characteristics, solarUAV discharge mechanism, body charge dynamic distribution, pulsed discharge electromagnetic interference path and physical damage type, and electrostatic protection method research are launched. In this research, the charging mechanism of the surface of the composite material is revealed, and the law of the surface charge is clarified; the electrification model of UAV propulsion system is established, and the nature and signal characteristics of rotor are discussed; the charge-sensitive and dynamic distribution of the dielectrics between the unmanned aerial insulator, the isolated conductor and the interconnected conductor is explored, obtaining the electrostatic characteristics and discharge radiation characteristics of the solar unmanned aerial vehicle, and identifying the electrostatic electromagnetic interference and the type of electrostatic damage of solar unmanned aerial vehicles.The electrostatic discharge, equipotential control, ground protection and other means of protection are determined according to interference and damage types. This research provides theoretical and technical support toprotect the large long-range UAV safety and reliably,helping China's new generation of unmanned aerial equipment development.

针对高空长航时太阳能无人机的飞行高度高、飞行时间长（常规无人机航时的几十倍）、复合材料机身易积累静电、机身敷设超大面积太阳能电池组件对静电放电敏感的特点，开展太阳能无人机充放电机理、机身电荷动态分布、脉冲放电电磁干扰途径和物理损伤类型、静电防护方法研究。揭示复合材料表面充电机理，阐明大型长航时无人机飞行时表面带电规律；建立无人机推进系统起电模型，明确旋翼起电性质与信号特征；探索无人机绝缘体、孤立导体及联通导体构成的带电体各介质间电荷感应和动态分布情况，获得太阳能无人机的静电特性及放电辐射特性，明确太阳能无人机静电电磁干扰途径及静电损伤类型。针对干扰途径和损伤类型，确定静电泄放、等电位控制、接地层防护等防护手段，为保障大型长航时无人机安全可靠提供理论支撑和技术支持，支撑我国新一代无人机装备的研制。

高空长航时太阳能无人机作为一种临近空间飞行器，具有飞行高度高、续航时间长等优势，是当今世界航空工业重点研究的新领域。我国成为继美英之后第三个掌握高空太阳能无人机技术的国家。飞机在空中飞行时静电累积是无法避免的问题，严重时损坏太阳能板等能源系统，使飞机失去动力发生坠毁。高空长航时太阳能无人机在飞行动力、机身结构、机身材料等方面与金属蒙皮飞行器差异较大，在空中飞行时起电因素尚不明确，机身荷电特性没有相关研究。本项目对采用超轻型复合材料、大展弦比结构的太阳能无人机荷电特性研究及静电防护，为保障太阳能无人机长航时飞行安全提供理论支撑和技术支持。.首先开展了高空太阳能无人机荷电机理研究。理论分析高空太阳能无人机在空中飞行时的表面起电因素，根据机翼表面材料特性及摩擦起电原理，建立了机翼蒙皮材料与粒子摩擦后的表面荷电模型和推进系统荷电模型。进行了高空太阳能无人机机翼表面荷电的实验研究。研制了地面电场和机载静电测量系统，设计开展了翼段跑车实验、螺旋桨实验、整机飞行实验以及蒙皮材料室内模拟荷电实验。验证了无人机蒙皮材料表面荷电模型的正确性，并分析了无人机机翼表面电荷累积特性、电荷消散特性以及影响表面荷电的主要因素。.根据高空太阳能无人机的外形，将太阳能无人机机翼表面划分了四个区域，不同区域的电荷累积速率不同。使用Comsol仿真软件对机翼内部的能源电气系统的荷电分布进行了静电场数值分析，得到的电场动态分布情况，在电荷密度相同的情况下，相比于单一介质材料，两种或两种以上介质材料接触的区域电场强度最大，发生静电放电的风险更高，所以建议对多种介质材料接触的区域进行重点防护。.最后针对高压太阳电池阵的静电放电危害问题，开展了高空长航时太阳能无人机太阳电池阵表面静电放电（ESD）和二次放电产生过程分析和地面模拟试验研究，并且初步开展防护方法研究。