基于机翼-帆尾的高纬度跨年驻留太阳能飞机总体参数设计方法

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1、航空学报Jun．252014Vol35No61592—1603ActaAeronauticaetAstronauticaSin／caISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducahkxb@buaaeduca基于机翼一帆尾的高纬度跨年驻留太阳能飞机总体参数设计方法昌敏，周洲+，王睿西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安710065摘要：拓展太阳能飞机在较高纬度地区的跨年驻留性能有助于促成太阳能飞机的广泛实用化。建立了适用于任意高度、任意纬度、任意指向的光伏组件面功率模型，并考虑了

2、光伏组件的温度效应，通过能量仿真得出：在方位角跟踪方式下，滚偏角为90。的主动式光伏组件的日均面功率最优。然后在布局与能源综合设计思想指导下，建立了一套基于机翼帆尾的太阳能飞机总体参数设计方法，其一zZ～-⋯一⋯⋯,⋯⋯方程、气动效率方程、用于构建气动布局参数与全机光伏组件面功率特性之间映射关系的Kriging代理模型，以及参与总体参数匹配优化设计的量子粒子群优化(QPso)算法及其多目标评价函数。面向高纬度与跨年驻留的设计指标，开展了机翼帆尾太阳能飞机的方案实例设计，其中驻留纬度与高度指标分别为45。N和18km。详细分析了

3、此方案在23．5。N～55。N纬度域内的可持续高度包线。研究结果表明：与传统布局形式相比，机翼一帆尾布局形式大幅提升了高纬度地区冬季附近的光伏组件面功率，有效地减小了翼展尺度、机翼面积并提升了巡航速度，具有良好的应用优势。方案设计实例也验证了基于机翼帆尾的太阳能飞机总体参数设计方法的可行性。关键词：能量平衡；光伏组件；太阳能飞机；跟踪方式；高纬度驻留；帆尾；总体参数；平流层中图分类号：V221．8；V221．3文献标识码：A文章编号：10006893(2014)06159212太阳能飞机利用源源不尽的太阳辐射能量，具有在高空(

4、10～30kin)持续数年的驻留飞行能力，其在环境监测、边境巡逻、数据链中继等领域有着广阔的应用前景。在过去的数十年里，美、英、德、瑞士、中国等学者纷纷开展了长航时太阳能飞机总体参数设计相关的研究工作。美国学者Bailev和BowerE阳首次系统而简要地研究了高空长航时太阳能飞机各分系统参数化过程。Steven等‘21分析了能量平衡约束下的矩形飞翼布局、串列翼布局的太阳能飞机和太阳能飞艇的能量供给特性。意大利学者Rizzo和Frediani。。o建立了太阳能飞机方案设计的数学模型，并从能量性能的收稿日期：2013—09—04；

5、退修日期：2013—09—22网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11基金项目：国家自然科学基金(11202162)角度对比分析了4种布局形式的优缺点。瑞士学者Noth[41建立了一套适应于低空小型太阳能飞机的总体参数设计方法，设计的“Skysailor”实际飞行时问约27h，还可以更长。另外，昌敏等口1以翼载荷为研究对象，对太阳能飞机总体设计中的关键参量进行了灵敏度分析，并提出了以能量为中心的设计指导准则。台湾Shiau等邸1采用遗传算法优化了低空小型太阳能飞机的机翼尺寸参数及巡航速度。综合来说，上述

6、研究均限于将光伏组件水平铺设于机翼或平尾上，称为传统布局形式。2001年8月13日，太阳能飞机“Helios”在Hawaii(18。N)29531m的高度上滞空4h，创造录用日期：2013—10—12；网络出版时间1929V201311071453002html*通讯作者Tel：029—88453368E-mail：zhouzhou@mailnwpueducrl引鞠格式ChangM，ZhouZ，WangRPrimaryparametersdeterminationforyear-roundsolar-poweredaircra

7、ftofwing-sailtypeathigherlatitudesr∞ActaAeroflauticaetAstronaut／caS／nica，2014，35(6)：1592—1603s敏，属溯，王睿基f枧翼一帆尾的高纬度跨年驻留太阳能飞祝总体参数设计方法!如航空学报，2014，35(6)：1592_1603航空学报Jan252014Vof35No6T／2t。t—T／2pld+T／2af+T／2pm+T／2m呲+T／2b。t+T／2p+T／2。。+T／219(1)式中：T／2m为总质量；T／2圳、T／2扎T／2p。、T／2。

8、刚、T／2bmT／2p、T／2。。和T／2·。分别为任务载荷、结构、光伏组件、峰值功率跟踪器、二次电池、动力系统、航电设备和起落架各部件的质量。另外，在每一个昼夜24h范围内，太阳能飞机必须满足2个能量平衡方程。在全天范围内，机载光伏组件采集的总能量必须平衡任务飞行消耗的总能