高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析.pdf

《高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、http：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析张健*，张德虎中航工业第一飞机设计研究院，西安710089摘要：高空长航时(HALE)太阳能无人机(UAV)的基本工作原理与常规动力飞机相比有显著的区别，体现在飞机总体设计方法上有其独到之处，方案设计中还需要对一些关键技术细节进行认真权衡。阐述了高空长航时太阳能无人机总体设计中遵循的重量不变和能量平衡原则的机理，同时从太阳能无人机巡航平飞功率需求、布局形式选取、飞行剖面优化和临近空间使用环境影响等方面出发，研究了太阳能无人机总体设计中的若干注意事项，主要结论可用于高空长航时太阳能

2、无人机总体设计和方案优化。关键词：太阳能飞机；临近空间飞行器；长航时无人机；飞机总体设计；总体参数优化中图分类号：V272文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)S1一S1—07太阳能取之不尽，用之不竭，作为绿色能源，它既不产生环境污染，也无安全隐患。近年来随着太阳能电池技术的飞速发展，太阳能正在成为支撑人类社会可持续发展的重要新能源之一。临近空间是指高于普通航空器飞行高度，而低于轨道飞行器运行空间的区域，一般将距地面20～100km的空域视为临近空间。临近空间区域包括大气平流层(高度为12～50km)的大部分区域，中间大气层区域(高度为50～80km)和部分电离层区域(高度为6

3、0～100km)。在近地面，太阳光辐照度受气象条件影响大，而在20km以上的临近空间，太阳光辐照度接近外太空，因此在临近空间飞行的太阳能无人机(UAV)能最大限度地利用太阳能，实现数月乃至数年的持续飞行，成为执行情报、侦察、监视和通信中继等任务的理想空中平台。由于高空长航时太阳能无人机在使用方式、使用环境、工作原理和动力装置等方面与普通无人机之间都有较大的不同，反映在飞机总体设计过程中有其独到之处。近年来太阳能无人机总体设计方法在国内受到关注，昌敏等口3提出了适用于太阳能飞机的以能量为中心的总体综合设计方法；张芳等[21提出了一种太阳能飞机初步方案设计方法；苏宝玉和郭彬新[31对太阳能无人机初

4、始设计参数的敏感性进行了分析。本文从太阳能无人机的基本工作原理出发，揭示了重量不变和能量平衡原则的内涵，并以此为基础，进一步分析了临近空间长航时太阳能无人机总体设计中关于动力装置匹配性、布局选型、飞行剖面优化和使用环境影响等问题。1太阳能无人机设计中的基本原则1．1重量不变原则高空长航时太阳能无人机在飞行过程中重量始终保持不变，在巡航平飞过程中飞机的升力等收稿日期：2016—04—21；退修日期：2016—08—12；录用日期：201608—26：网络出版时间：2016—09一0116：38网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160901．1

5、638．002．html基金项目：中航工业技术创新基金*通讯作者。Tel．：029—86832389E-mail：zhangjian_vi[1@sina．com引用格武

6、张健．张德虎．高空长航时太阳能无人枧总体设计要点分析￡JI．航空学报．2016．37(SI)：s1．s7ZHANGJ．ZHANGDH，EssentialsofconfigurationdesignofHALEsolar-poweredUAVs【以．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(SI)：S1．s7．S2航空学报Dec．252016VoI．37No．S1于重力、拉力等于阻力

7、，即存在如式(1)和式(2)所示的关系。L一号∥2c。s—wD一告PV2c。s—T(1)(2)式中：L为升力；W为重量；D为阻力；T为拉力；p为大气密度；V为飞行速度；C。为升力系数；CD为阻力系数；S为机翼参考面积。从式(1)和式(2)可以看出，如果选定巡航高度，对于特定的太阳能飞机，飞机的巡航速度是唯一的。也就是说，太阳能无人机的设计具有单设计点的特性，因此，太阳能飞机气动力设计的核心是提高设计点的性能。同样可以看出，随着飞机巡航高度的增加，巡航速度需要同时增大，才能保证太阳能飞机始终在较高的气动效率下飞行。1．2能量平衡原则临近空间长航时太阳能无人机要实现长时间持续飞行，最基本的要求是白

8、天获得的太阳能始终大于或等于飞机和所有设备一昼夜间消耗的能量，如此反复循环，才能最终实现数天乃至数月的长航时飞行[4]。如图1所示，正午时分，太阳能飞机边维持飞行边给蓄电池充电，当蓄电池充满电后。琶村l爬升以增加势能．工i：至0}受收的太啡1能IqlJ好满足飞机的使用需求时开始下滑，充分利用爬升积累的势能，下滑到特定高度后使用蓄电池中的电能维持平飞，直到第2天可用的太阳能超过系统需求后再给蓄电池充