武汉新能源研究院附近能飞无人机吗?

飞机总体设计专家。1964年毕业于哈尔滨军事工程学院。现任沈阳飞机设计研究所研究员,沈阳航空航天大学校长。

曾任西工大、北航、南航兼职教授。长期从事歼击机总体设计研究工作,曾任歼八系列飞机多个型号的型号总设计师。国家级有突出贡献专家,航空金奖获得者。组织领导研制的型号为我国航空研制史创造了四个第一,在航空武器装备研制中,特别是歼八系列飞机研制中作出了重大贡献。获国家科技进步特等奖1项,国家科技进步二等奖3项;部级科技进步一等奖5项;获国防工业型号研制一等功2次;部级一等功3次。 ? ????

2007年当选为中国工程院院士。

百余年来,飞机为改善人类生活、促进经济发展和社会进步发挥了非常重要的作用。但同时也给人类生存环境带来了一些负面的影响,这些影响主要体现在三个方面:一是机场附近的噪声污染,二是飞机颗粒物排放造成的空气质量下降,三是飞机排出的二氧化碳等温室气体对气候造成的影响。此外,数量庞大的使用活塞式发动机为动力装置的通用飞机,还会另外产生超细颗粒污染和重金属铅污染。研究表明,飞机的碳排放加剧了全球变暖,造成非正常气候现象和海平面升高等环境问题。飞机产生的噪声、颗粒物和铅污染,会对机场附近居民的健康以及土壤和作物带来风险。     

全球主要国家要求改善飞机环保性能,营造绿色航空的呼声越来越高。国际民航组织、美国和欧洲都制定了一系列标准和指导文件,从节能、减排和降噪等方面引导航空朝着绿色化方向发展。美国NASA提出大约20年后服役的N 3代民航飞机概念,要求以现有飞机技术标准为基础,噪声减少81分贝,氮氧化物排放降低80%,油耗降低70%。欧洲委员会在其名为《航迹2050:欧洲的航空远景》的报告中设定环境目标,相对于2000年的技术标准,2050年飞机的二氧化碳排放降低75%,氮氧化物排放减少90%,噪声级降低65%。中国航空工业也坚持发展绿色航空技术战略,全面开展了先进气动、降噪、多电、绿色动力、绿色材料和绿色制造等技术研究,支持飞机的节能减排。以上这些努力都会在一定程度上缓解飞机对于我们赖以生存环境的影响,但不能从根本上解决问题,新能源飞机才是彻底的绿色飞机,也是真正的绿色航空的未来。

新能源是一个较广泛的概念,泛指传统能源之外的各种能源形式,包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、水能、核能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢能。与传统能源相比,新能源普遍具有污染少、储量大、分布均匀等特点,以新能源为电源,通过电机带动螺旋桨、函道风扇或其他装置,产生前进动力的飞机就叫新能源飞机。     

根据飞机的能源需求和飞行特点,只要可转化电能的新能源都可以用于飞机,目前在用或可用于飞机的新能源主要包括锂电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容和无线功率传输,这样的飞机也叫电动飞机。在电动飞机的历史上,1957年出现世界上第一架银锌电池驱动的电动模型飞机;1973年德国奥地利生产的一架HB-3滑翔机改装成了电动飞机,成功载人飞行了12分钟;2009年德国航空航天中心研制的燃料电池试飞成功;1980年实现了太阳能电动飞机首次载人飞行;2003年美国航空航天局研制的无线功率传输电动飞机模型在室内试飞成功。在两座载人电动飞机方面,2015年空中客车公司宣布其飞跃英吉利海峡;201526日中国民航东北地区管理局向辽宁通用航空研究院研制的锐翔1E电动力轻型运动飞机颁发了型号设计批准书,125号中国民航向锐翔1E电动飞机颁发了生产许可证。     

新能源飞机的特点和用途

新能源电动飞机分为载人电动飞机和无人电动飞机两类,美国Facebook公司的太阳能无人机已经于今年7月成功实现首飞,按飞机的设计指标,该无人机可以在空中连续飞行3个月。其他的电动无人机主要用锂离子电池作为能源,续航时间一般不超过1小时,主要用于空中拍摄等作业。     

目前载人电动飞机主要采用锂电池作为能源,由于受到电池能量密度的限制,具有实用价值的电动飞机只有单座的超轻型飞机和双座轻型运动飞机。载人电动飞机具有绿色环保、成本低廉的特点,新能源电动飞机最吸引人的特征是其零排放、低噪声,几乎不会对环境产生负面影响,是彻底的绿色航空。电动单座轻型飞机主要用于娱乐飞行,其用户主要为航空爱好者或者是发烧友;电动双座轻型运动飞机是飞行员初期培训的优秀平台,可作为体验飞行、休闲飞行、航空体育竞技飞行、野生动物聚集区噪声敏感区飞行、自然保护区或国家公园旅游等。 

电动双座飞机的用途,包括飞行学校、航空爱好者、运动飞行员、旅游公司或风景区、航空俱乐部、政府机构等。我国研制的锐翔电动飞机在2015年参加美国航展期间,受到了、巴西、美国、等通航发达国家航校的关注。   

辽宁通用航空研究院正在积极推进新能源电动飞机应用推广示范工程计划,先在沈阳法库机场试点。另外,还正在论证和推进通过军民融合,促进通用航空助推空军飞行后备人才培养计划。在少年航校利用电动飞机对中学生进行初级飞行教育培训,目标是在全国建立50家左右航校。  

放眼全球,当前新能源电动飞机受到全世界的普遍重视。美国NASA正在研发一款编号为S57的电动实验飞机,计划2018年首飞;空中客车E-fan双座电动飞机已开始研制;波音公司在2008年试飞了氢燃料电池的无人验证机,正致力于未来电动客机的创新方案设计;西门子公司也加入了电动飞机研发行业,不仅开发出功率重量比创纪录的电机,还跻身电动飞机的型号研发;谷歌和Facebook公司也涉及电动飞机业务,苹果公司也对电动飞机非常感兴趣,这是国外电动飞机的情况。     

总体来说,电动飞机制造商的圈子越来越大,所有主要飞机品牌制造商都有自己的电动飞机项目,美国、德国、法国、意大利、荷兰、瑞士、斯洛文尼亚都有通用飞机公司生产电动飞机,俄罗斯、加拿大、日本等国也在开展电动飞机的研究和开发。美国权威市场研究公司预测,到2031年载人电动飞机在全球将有一个240亿美元的市场。

电动飞机一定有辉煌的未来,我们在锐翔电动飞机的基础上,正在继续发展锐翔增程型,飞行时间由现在的40分钟~1小时增加至1.5小时。同时,还将研制四座型、水上起降型、垂直起落型电动飞机,考虑发展混合动力飞机,还将开展8座以及8座以上电动飞机、分布式电动飞机的研究和原理验证。今年5月,国务院办公厅发布38号文《关于促进通用航空业发展的指导意见》,明确提出大力支持水陆两栖飞机、新能源飞机等通航产品的研制应用,特别是新能源飞机被列为国家的发展重点。锐翔电动飞机成功研发和适航取证使我国在电动飞机领域与世界先进水平齐头并进。希望社会各界都能关心和支持新能源飞机的发展,共同创造绿色航空的美好未来。 

2018年12月19日晚间,英国伦敦机场遭“史上最严重”无人机入侵,瘫痪18小时,12万乘客受影响,损失巨大。近年来,类似的无人机入侵机场事件日益引发关注。无人机技术的快速提升以及全球扩散加深了各国的安全忧虑,无人机拦截技术的发展已迫在眉睫。

如何才能有效、环保地拦截捕获侵入无人机?记者专访了一位硬核新青年——北京航空航天大学自动化学院智能系统与控制工程系副教授、博士生导师诸兵。他主要从事旋翼无人机非线性动力学与控制、旋翼多无人机系统制导与控制、模型预测控制及其在能源系统需求端管理中的应用等方面的研究,在轨迹跟踪控制、路径跟踪控制、自适应模型预测控制、智能电网需求端管理、旋翼多无人机系统制导与控制、避障等方面取得一系列重要进展。可以说,诸兵的科研历程,也恰好契合了相关领域的发展轨迹。

对于诸兵来说,2003年是科研的缘起之年。他与所从事专业的结缘,和与北京航空航天大学的结缘,都始于2003年。

2003年9月,18岁的诸兵北上求学。作为北京航空航天大学自动控制与信息技术自动化专业的本科生,诸兵勤学笃实,为日后的科研工作打下了坚实的基础。4年后,本科刚毕业的诸兵被免试推荐攻读北航第七研究室控制理论与控制工程专业硕士学位;2009年,他又被免试推荐提前攻读北航第七研究室控制理论与控制工程专业博士学位。从2007年至2013年,诸兵在霍伟教授指导下一直从事非线性系统控制及其在小型无人直升机中应用的研究,在非线性控制理论及应用方面取得很多工作积累,并发表了相关结果。

这两个研究方向,在诸兵的科研履历中就像两条主线,不断延伸、交叉。如今,围绕这两条主线不断深耕的诸兵,已经取得了众多成果,且在行业顶尖期刊发表了一系列高质量论文。其中,有关旋翼无人机非线性控制的一些理论结果,已被国际著名专家引为理论基础做进一步研究;有关模型预测控制的系列研究,是对现有模型预测控制最新理论结果的进一步创新性拓展。

回顾科研之路,诸兵充满感激。他经常说,跟着导师霍伟教授这样的老一辈顶尖科学家学习、工作,受益最深的就是其身上那种严谨的科研态度和治学精神。而这种精神外化成为工作方法,对他日后的研究工作和教职工作都大有裨益。

“2012年到2013年全球经济环境不是很好。我博士毕业的时候,博士生都在到处找工作、找博后或者是找教职。我当时也是到处发邮件,南非的导师是最先回复我的。他本身也是北航毕业的,是我们领域里很顶尖的学者,我马上就答应了。”

就这样,从2013年到2015年,诸兵在南非比勒陀利亚大学电气电子与计算机系从事博士后研究,他跟随合作导师、IEEE Fellow夏小华教授进行模型预测控制和能源系统方面的研究,积累了丰富的经验,并获得了校长奖学金支持,发表了相关结果。“我当时主要做模型预测控制方面研究,而我以前读博士的时候是做非线性控制和无人机控制的,就想跟新的方向结合起来,和他们用的方法找一个结合点,最终做应用产生效益。”

2015年9月至2016年9月,诸兵来到新加坡南洋理工大学物联网实验室从事研究工作。“我在实验室担任ResearchFellow,类似于博士后研究。其实,除了没有住房以及工资低一点外,其他的各项权利跟正式教职工都是一样的。”在此期间,诸兵在IEEE Fellow、IFAC Fellow 谢立华教授的合作指导下,进行分布式模型预测控制的研究,积累了丰富经验,并发表了相关结果。

当为时一年的研究工作结束时,诸兵“犯难”了。关于未来工作的去向,他面临着好几个选择。

“新加坡的导师想让我续约3年;与此同时,国内一些高校也和我聊过;而我在北航的导师也想把我引进回来,而且北航推出‘卓越百人’计划,给年轻人的支持力度很大。所以我想了一下,还是决定回母校,为母校、为祖国做些事。”诸兵说。

2016年10月,诸兵回到北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院担任副教授。从进入北航学习到回到北航任教,诸兵跨越了13年。回国后,他主要从事模型预测控制与新能源系统相关研究工作,受北航“卓越百人”计划支持,诸兵和团队已取得了一些结果,并发表在国际著名期刊上。与此同时,诸兵与南非比勒陀利亚大学和南洋理工大学物联网实验室继续保持长期稳定合作关系,在产学研用等方面的合作成果层出不穷。

拦截入侵无人机的“空中警察”

近年来随着无人机技术的迅速发展,旋翼无人机已被广泛用于各个军用民用领域,例如搜救、侦查、勘探、电视转播和监控等。但是,旋翼无人机也常被用于许多负面用途。例如,越来越多无人机被发现飞入机场附近区域,严重扰乱空中交通秩序;未知无人机飞入工业禁飞区或军事禁飞区侦查情报;未经许可的无人机在人口密集或交通繁忙区域飞行。这些负面用途的无人机给人身和信息安全造成极大威胁。针对这些被用于负面用途的无人机,迫切需要设计有效的拦截机制进行拦截,从而避免潜在的严重损失。

基于这种需求,诸兵牵头申请了中国国家自然科学基金青年基金项目——“旋翼多无人机系统多目标拦截的制导、控制与优化”。

这一项目成果,就好比“空中警察”,可以拦截、捕获入侵无人机。据悉,项目提出了新的针对旋翼多无人机系统多目标拦截的制导律、控制律、避障策略、最优目标分配策略,不仅能够丰富旋翼多无人机系统的自主制导和控制理论,而且是对控制、优化、制导、博弈、航空以及能源交叉学科的新探索,具有极大的科学意义。

“比如说有一些人在机场乱飞无人机,导致机场没法运行,我们需要把它‘抓’下来或者赶走。这个意义很明确,一方面,无人机侵入可能会导致一些飞机停飞,造成经济损失;另一方面,如果用导弹、激光武器等进行拦截,这个过程中会产生爆炸,对环境和人身安全有不利影响。‘抓’下来就可以避免这些问题,同时还能对拦截下来的无人机做进一步分析。”诸兵介绍,目前,已有的执行拦截任务的旋翼无人机大多是依靠人工遥控。但是,人工遥控一般需要在飞行手视线范围之内。人工遥控多无人机系统难度非常大;而且当距离较远时,飞行手难以处理避撞问题。因此,针对多入侵无人机的拦截问题,有必要设计多个旋翼无人机系统自主拦截相关的制导、控制和优化策略,使得旋翼多无人机系统能够自主高效的完成对多入侵目标的拦截任务。

其实,这些年诸兵的研究工作一直没离开这个细分领域。攻读博士学位期间,在霍伟教授指导下,他一直从事小型无人直升机动力学、轨迹跟踪控制、路径跟踪控制方面的研究,在旋翼无人机非线性控制理论方面取得很多工作积累;在南非比勒陀利亚大学电气电子与计算机系从事博士后研究期间,他进行的是模型预测控制和新能源系统需求端管理方面的研究;在新加坡南洋理工大学电机与电子学院物联网实验室从事博士后研究期间,他与实验室多位博士生展开合作,使用先进无人机设备进行相关的实验工作的经验……可以说,在旋翼无人机软硬件方面,诸兵都有着非常丰富的经验以及很好的研究积累。

“对于一个青年基金来讲,这个题目有点大,当时写的时候有一点‘自不量力’。目前,理论工作基本上都完成了,实现上面我们都已经有了半实物的仿真体,接下来慢慢往前推进。”诸兵谦逊地笑道。与此同时,他对成果有着良好的预期,“旋翼多无人机系统可以被有效用于多入侵无人机的拦截任务,从而避免由于未知无人机入侵造成的损失。这一目标非常符合当前工业和军事需求,具有很大的实践意义和经济价值。”

解答模型预测控制与节能的“方程式”

随着全球对节能问题的关注,分布式智能电网、网络化楼宇节能系统等新能源系统的能耗优化与评估正成为研究热点。研究结果表明,合理的需求端管理与优化能够产生很大的节能效果。“分布式模型预测控制及其在新能源系统需求端管理中的应用”项目应运而生。该项目以新能源系统的需求端管理为研究对象,试图提出新的分布式模型预测控制方法和稳定性证明。

诸兵介绍,模型预测控制是一种特殊控制方法,它将优化算法与控制理论结合,使得闭环系统稳定的同时,优化预设的性能指标。“近年来,由于其良好的性能,模型预测控制常常用于能源系统需求端管理。新能源系统通常由多个分系统组成,例如分布式智能电网或者网络化楼宇系统。这个项目的研究目标之一,就是为进一步放宽分布式模型预测控制的假设和前提条件,从而改善其可行性。”

“使用分布式控制方法制定分布式智能电网的智能定价策略,从而达到智能电网系统节能减排的目的,这是项目的研究目标之一。”诸兵介绍,作为一种典型的新能源系统,与普通电网相比,分布式智能电网范围更大,可以由多个能自主决策的小电网组成。小电网之间可以在一定范围内相互通信,从而根据更多的用户信息做更加优化的价格决策,诱导更大范围内的用户行为,从而达到需求端优化的目的。

另一个目标,是通过研究对实际的楼宇系统节能提出指导意见。

楼宇系统的能耗已占到全球总能耗的很大部分,楼宇系统的节能具有重大意义。数据表明,全球32%的能量是使用在楼宇系统中。因此,楼宇能源系统近年来正成为能源领域的研究热点。许多政府机构和国际组织正通过研究从而改进楼宇系统的维护和翻新策略,已达到优化能耗效率的目的。在楼宇维护与翻新策略的研究中,核心问题是,在环境、财政以及社会因素的约束下,设计最优策略优化性能指标。当前,新的建筑规模较以往已不可同日而语;楼宇中耗能的设备也日趋庞大和多样;在设计维护与翻新策略时,需要考虑网络化的问题。诸兵介绍,“我们这个项目拟采用分布式模型预测控制方法研究楼宇能量系统的需求端管理问题,不同于现有研究中通常采用的优化算法。采用控制方法研究楼宇能量系统需求端管理,并基于此提出优化策略,可以对实际的楼宇系统节能提出指导意见。特别是对于楼宇较多的发达城市,项目的研究结果具有更重大的工程实践意义,这符合首都节能减排以及可持续发展的需求,具有较大的应用前景”。

可以说,这个模型预测控制与节能的“方程式”解答出来后,其成果不仅能够丰富模型预测控制相关理论,对控制理论和能源系统交叉学科的新探索,具有很大科学意义,而且还能为供电系统的定价策略和楼宇节能提供积极的建议和策略,具有很大的工程价值。

“玩得转”无人机,“省得了”新能源,诸兵是当之无愧的硬核新青年。相信在一系列科研成果投入应用后,在其工程价值不断凸显的时候,相关领域的固有难题必将接连得到解答;而诸兵的“硬核”研究,也必将不断带来新的惊喜!

诸兵,2007年7月获北京航空航天大学自动化专业工学学士学位;同年,免试推荐北航第七研究室控制理论与控制工程专业攻读硕士学位;2009年免试推荐北航第七研究室控制理论与控制工程专业攻读博士学位(提前攻博),并于2013年6月获工学博士学位;2013年9月至2015年9月在南非比勒陀利大学电气电子与计算机系从事博士后研究,并获校长博士后基金(Vice-Chancellor PostdoctoralFellowship)支持;2015年9月至2016年9月在新加坡南洋理工大学电机与电子学院担任Research Fellow;自2016年10月起担任北京航空航天大学自动化学院智能系统与控制工程系副教授,2017年9月被聘为博士生导师,2017年12月入选中国科协青年人才托举工程(自动化学会)。

目前,诸兵的研究方向包括旋翼无人机非线性控制、模型预测控制及其在能源系统中应用、多智能体制导与控制等。已发表学术论文60余篇,包括SCI期刊论文20余篇,累计被引用1000余次,H因子17(Google Scholar数据)。已获授权国家发明专利1项,主持中国国家自然科学基金(青年)1项。

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