太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

單澤眾　游雙矯

【摘 要】根據(jù)當(dāng)前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展難點(diǎn)，提出優(yōu)化方案，建立優(yōu)化模型。通過(guò)試飛驗(yàn)證，驗(yàn)證其是否可在陽(yáng)光充足的情況下，能夠只依靠太陽(yáng)能電池組吸收的太陽(yáng)能為動(dòng)力，完成滑跑、起飛、滑翔，降落的任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)；優(yōu)化方案；太陽(yáng)能電池組；試飛驗(yàn)證

1 發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是一款利用太陽(yáng)輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。因其能源形式的特殊性，太陽(yáng)能飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間不受燃料攜帶量的限制，可促使無(wú)人機(jī)在高空連續(xù)飛行達(dá)數(shù)周以上[1]，1974年11月4日，世界上第一架太陽(yáng)能飛機(jī)Sunrise I在4096塊太陽(yáng)電池的驅(qū)動(dòng)下緩緩地離開(kāi)了地面，這次成功的飛行標(biāo)志著太陽(yáng)能飛行時(shí)代的來(lái)臨[2]。但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)依然十分落后，以至于在之后的二十年中，太陽(yáng)能飛機(jī)未能得到快速發(fā)展。直到20世紀(jì)末，隨著太陽(yáng)能電池片效率、二次電源能量密度的提高，以及微電子技術(shù)、新材料技術(shù)等發(fā)展，太陽(yáng)能飛機(jī)終于駛上了飛速發(fā)展的快車(chē)道[3]。

由于太陽(yáng)能飛機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景，所以很多國(guó)家都開(kāi)展了對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研究，相繼出現(xiàn)了各種類(lèi)型的無(wú)人機(jī)，表1列舉了目前世界上著名的幾種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。

表1 世界上著名的幾種太陽(yáng)能飛機(jī)

在著名太陽(yáng)能飛機(jī)中，由美國(guó)航境公司研發(fā)的Heilos太陽(yáng)神飛機(jī)在2001年8月13日創(chuàng)造了29.52km的固定翼飛行最大飛行高度記錄[4]。而SOLAR IMPULSE飛機(jī)在今年已經(jīng)在不借助燃料的情況下，完成了全球航行。如圖1所示為SOLAR IMPULSE太陽(yáng)能飛機(jī)。

常規(guī)布局無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，但常規(guī)布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)相對(duì)于三翼面布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)仍有些不足之處。

2 三翼面太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的模型設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求計(jì)算所設(shè)計(jì)飛機(jī)的空機(jī)重量及任務(wù)載荷，推算飛機(jī)的起飛重量。根據(jù)相似機(jī)型的推重比，計(jì)算出飛機(jī)所需推力。根據(jù)推力，選配合適的無(wú)刷電機(jī)。根據(jù)無(wú)刷電機(jī)最佳功率點(diǎn)以及附加電子設(shè)備功率計(jì)算得到機(jī)體平臺(tái)總功率。選配太陽(yáng)能電池，選擇最佳鋪板方式情況下，得出機(jī)翼面積、弦長(zhǎng)和機(jī)翼翼展。并通過(guò)機(jī)翼已知參數(shù)，確定機(jī)身、鴨翼、平尾，垂尾等尺寸參數(shù)。由此可建立三翼面太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)整體布局模型，最后驗(yàn)證無(wú)人機(jī)是否滿足任務(wù)要求，優(yōu)化無(wú)人機(jī)總體模型設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 三翼面太陽(yáng)能飛機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

由于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)由太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)能以提供電量，能量有限，且太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)相比其他類(lèi)無(wú)人機(jī)其飛行速度較慢，所以選擇高升阻比翼型，而已知的高升阻比翼型有clark y系列、EPPLER系列、NACA44系列[5]。這種高升阻比翼型可提高飛機(jī)的滑翔能力。利用Profili軟件繪制在不同仰角下其升力、阻力、升阻比，俯仰力矩系數(shù)圖，如圖3、圖4所示。NACA4415bis更符合本設(shè)計(jì)要求，表2為太陽(yáng)能飛機(jī)的基本參數(shù)。

3 總結(jié)

通過(guò)試飛驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，此三翼面太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可在陽(yáng)光充足的情況下，能夠只依靠太陽(yáng)能電池組吸收的太陽(yáng)能為動(dòng)力，完成滑跑、起飛、滑翔，降落的任務(wù)。并且驗(yàn)證并總結(jié)了三翼面太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)相對(duì)于常規(guī)布局太陽(yáng)能飛機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1）三翼面布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能提供更大的升力；

2）三翼面布局飛機(jī)能更有效地實(shí)現(xiàn)直接力控制；

3）三翼面布局可使飛機(jī)的安全性增加；

4）三翼面布局可減輕機(jī)翼上的載荷， 全機(jī)載荷分配更為合理。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬東立，包文卓，喬宇航.利于冬季飛行的太陽(yáng)能飛機(jī)構(gòu)型研究[J].航空學(xué)報(bào)，2013（6）：1581-1591.

[2]鄧海強(qiáng)，余雄慶.太陽(yáng)能飛機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]航空科學(xué)技術(shù)，2006（1）：28-30.

[3]高廣林，李占科，宋筆鋒，等.太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛行力學(xué)，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]侯成義，龔志斌，劉城斌，等.高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)高升阻比兩段翼型設(shè)計(jì)研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：273-281.

[責(zé)任編輯：田吉捷]