基于廣義能量的太陽能飛行器總體設計研究.pdf

1、長航時太陽能飛行器是航空飛行器和新能源技術相結合的產(chǎn)物，其采用取之不盡的太陽能作為能源，通過能量綜合獲取、存儲和釋放實現(xiàn)長航時和持久飛行，可形成晝夜不間斷飛行甚至年量級駐空飛行的能力，且符合零排放、零污染的環(huán)保主義精神。它可以作為對流層和平流層的空中應用平臺，通過攜帶不同功能及分布式結構一體化載荷，可以高時間分辨率的執(zhí)行情報/監(jiān)視/偵察，中繼通信等信息支援任務，是人類新型信息獲取和信息對抗的有力拓展。特別是針對臨近空間氣象穩(wěn)定、輻照強烈

2、等特殊環(huán)境，可作為高空、高高空持久駐空平臺，提供區(qū)域級信息綜合能力。長航時太陽能飛行器填補了臨近空間飛行器的空白，具有廣闊的應用前景，正日益成為國際戰(zhàn)略競爭的制高點。
　　長航時太陽能飛行器是當前科學和工程研究的前沿領域，涉及創(chuàng)新的總體技術、低雷諾數(shù)氣動布局技術、可再生循環(huán)能源技術、大尺度輕質(zhì)結構技術、低密度環(huán)境下高效推進技術，其發(fā)展有賴于多學科科學技術的支撐。由于技術難度大，當前沒有在飛行高度、飛行航時、載荷能力等方面同時滿足應

3、用需求的型號樣機；且在給定技術條件下，并沒有給出其性能的準確定論。由于技術基礎的限制，其可行設計域較小，同時傳統(tǒng)航空器設計方法不能滿足以長航時為核心的設計要求，因此需要探索新的總體設計方法。考慮到在現(xiàn)有技術條件下，化石燃料的能量密度是儲能電池能量密度的數(shù)十甚至數(shù)百倍，而功率密度是太陽電池的數(shù)十倍，因此能量緊缺貫穿了長航時太陽能飛行器整個設計過程，能量平衡是其最核心和最本質(zhì)的約束。需要以能量為中心，考慮各學科之間的耦合和敏感度，進行綜合總

4、體優(yōu)化設計。
　　為此論文主要進行了如下研究：
　　以能量為中心的太陽能飛行器總體設計模型研究。提出了廣義能量概念，通過能量的耦合關聯(lián)，統(tǒng)一了推阻平衡、升重平衡、能量平衡等表達關系，深刻揭示了太陽能飛行器總體設計的核心是實現(xiàn)能量的獲取、存儲和釋放過程；建立了以能量為中心的總體設計模型，得到了長航時太陽能飛行器設計域的解析表達式，將飛行高度和翼載荷表示為氣動、結構、光伏、儲能四個學科參數(shù)的代數(shù)表達式形式；分析了各學科的單參數(shù)敏

5、感度，得到了影響長航時飛行的關鍵學科；分析了參數(shù)間的耦合影響，得到了學科之間的等價性規(guī)律。
　　以能量為中心的太陽能飛行器總體設計方法研究。針對長航時可行設計域較小，難以探索到較優(yōu)可行解的問題，提出了基于最優(yōu)化的總體設計方法。該設計方法以實現(xiàn)能量閉環(huán)為核心，以設計飛行高度和翼載荷為約束，以各子系統(tǒng)技術參數(shù)為設計變量，以技術實現(xiàn)代價最小為設計目標進行設計優(yōu)化。針對工程實踐中的冗余設計要求，提出了基于保守設計的總體設計方法，該設計方法

6、通過在翼載荷可行設計域中人為選擇較為保守的參數(shù)，使設計方案在滿足設計目標情況下，太陽電池輸出功率和儲能電池容量均有一定程度的冗余。針對從環(huán)境中獲取能量和向環(huán)境存儲能量的需求，提出了基于動態(tài)過程的總體設計方法，該設計方法通過設計合適的飛行航跡如梯度風滑翔、重力滑翔等，可減少儲能電池攜帶總量或降低對儲能電池能量密度的需求。
　　能量不閉環(huán)條件下太陽能飛行器長航時設計研究。針對某些飛行條件下能量不閉環(huán)，通常為儲能電池攜帶能量不能支持飛行

7、器越夜飛行，考慮在現(xiàn)有技術條件下如何增長航時。提出了能量不閉環(huán)條件下太陽能飛行器長航時飛行設計，該設計方法將儲能電池用于補償早晚太陽輻照不足的情況，以實現(xiàn)最大化飛行航時。同時分析了儲能電池、太陽電池、飛行條件等參數(shù)對飛行航時的影響，得出了影響飛行航時的關鍵學科。
　　典型應用環(huán)境下的創(chuàng)新解決方案研究。當前技術條件下，儲能電池是長航時太陽能飛行器的瓶頸，為此提出了逐日飛行太陽能飛行器，其飛行方向與行星自轉(zhuǎn)方向相反，飛行速度與行星自轉(zhuǎn)

8、速度大小相同，因此可始終置于當?shù)靥栞椪諚l件下，且可以不用攜帶儲能電池，分析表明在地球中高緯度和金星表面是可以實現(xiàn)逐日飛行的。針對將白天剩余太陽能存儲到重力勢能中，提出了繞地滑翔太陽能飛行器，其飛行航跡為某緯圈，白天利用剩余太陽輻照爬升高度，飛行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反以獲得較高的飛行高度；夜間采用重力滑翔，飛行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同以盡快度過夜晚，當滑翔至最低點并接受到第二天太陽輻照時即可實現(xiàn)越夜飛行，且無需攜帶儲能電池。
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