太阳能无人机优化设计

单泽众　游双矫

【摘 要】根据当前太阳能无人机的发展现状，总结太阳能无人机的发展难点，提出优化方案，建立优化模型。通过试飞验证，验证其是否可在阳光充足的情况下，能够只依靠太阳能电池组吸收的太阳能为动力，完成滑跑、起飞、滑翔，降落的任务。

【关键词】太阳能无人机；优化方案；太阳能电池组；试飞验证

1 发展现状

太阳能无人机是一款利用太阳辐射作为推进能源的飞机。因其能源形式的特殊性，太阳能飞机的续航时间不受燃料携带量的限制，可促使无人机在高空连续飞行达数周以上[1]，1974年11月4日，世界上第一架太阳能飞机Sunrise I在4096块太阳电池的驱动下缓缓地离开了地面，这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临[2]。但是由于当时技术依然十分落后，以至于在之后的二十年中，太阳能飞机未能得到快速发展。直到20世纪末，随着太阳能电池片效率、二次电源能量密度的提高，以及微電子技术、新材料技术等发展，太阳能飞机终于驶上了飞速发展的快车道[3]。

由于太阳能飞机具有广阔的应用前景，所以很多国家都开展了对太阳能无人机的研究，相继出现了各种类型的无人机，表1列举了目前世界上著名的几种太阳能无人机。

表1 世界上著名的几种太阳能飞机

在著名太阳能飞机中，由美国航境公司研发的Heilos太阳神飞机在2001年8月13日创造了29.52km的固定翼飞行最大飞行高度记录[4]。而SOLAR IMPULSE飞机在今年已经在不借助燃料的情况下，完成了全球航行。如图1所示为SOLAR IMPULSE太阳能飞机。

常规布局无人机设计技术目前已经比较成熟，但常规布局太阳能无人机相对于三翼面布局太阳能无人机仍有些不足之处。

2 三翼面太阳能无人机的模型设计

根据任务要求计算所设计飞机的空机重量及任务载荷，推算飞机的起飞重量。根据相似机型的推重比，计算出飞机所需推力。根据推力，选配合适的无刷电机。根据无刷电机最佳功率点以及附加电子设备功率计算得到机体平台总功率。选配太阳能电池，选择最佳铺板方式情况下，得出机翼面积、弦长和机翼翼展。并通过机翼已知参数，确定机身、鸭翼、平尾，垂尾等尺寸参数。由此可建立三翼面太阳能无人机整体布局模型，最后验证无人机是否满足任务要求，优化无人机总体模型设计，如图2所示。

图2 三翼面太阳能飞机设计流程图

由于太阳能无人机由太阳能电池吸收太阳能以提供电量，能量有限，且太阳能无人机相比其他类无人机其飞行速度较慢，所以选择高升阻比翼型，而已知的高升阻比翼型有clark y系列、EPPLER系列、NACA44系列[5]。这种高升阻比翼型可提高飞机的滑翔能力。利用Profili软件绘制在不同仰角下其升力、阻力、升阻比，俯仰力矩系数图，如图3、图4所示。NACA4415bis更符合本设计要求，表2为太阳能飞机的基本参数。

3 总结

通过试飞验证可以发现，此三翼面太阳能无人机可在阳光充足的情况下，能够只依靠太阳能电池组吸收的太阳能为动力，完成滑跑、起飞、滑翔，降落的任务。并且验证并总结了三翼面太阳能无人机相对于常规布局太阳能飞机具有很大的优势。

1）三翼面布局太阳能无人机能提供更大的升力；

2）三翼面布局飞机能更有效地实现直接力控制；

3）三翼面布局可使飞机的安全性增加；

4）三翼面布局可减轻机翼上的载荷， 全机载荷分配更为合理。

【参考文献】

[1]马东立，包文卓，乔宇航.利于冬季飞行的太阳能飞机构型研究[J].航空学报，2013（6）：1581-1591.

[2]邓海强，余雄庆.太阳能飞机的现状和发展趋势[J]航空科学技术，2006（1）：28-30.

[3]高广林，李占科，宋笔锋，等.太阳能无人机关键技术分析[J].飞行力学，2010，28（1）：1-4.

[4]Noll T E，Brown J M，Perez-Davis M E，et al.Investigation of the Helios prototype aircraft mishap，Volume I Mishap Report[R].Washington，D.C.：NASA Langley Research Center，2004.

[5]侯成义，龚志斌，刘城斌，等.高空长航时无人机高升阻比两段翼型设计研究[J].应用力学学报，2011（2）：273-281.

[责任编辑：田吉捷]