太陽能無人機優化設計

單澤眾　游雙矯

【摘 要】根據當前太陽能無人機的發展現狀，總結太陽能無人機的發展難點，提出優化方案，建立優化模型。通過試飛驗證，驗證其是否可在陽光充足的情況下，能夠只依靠太陽能電池組吸收的太陽能為動力，完成滑跑、起飛、滑翔，降落的任務。

【關鍵詞】太陽能無人機；優化方案；太陽能電池組；試飛驗證

1 發展現狀

太陽能無人機是一款利用太陽輻射作為推進能源的飛機。因其能源形式的特殊性，太陽能飛機的續航時間不受燃料攜帶量的限制，可促使無人機在高空連續飛行達數周以上[1]，1974年11月4日，世界上第一架太陽能飛機Sunrise I在4096塊太陽電池的驅動下緩緩地離開了地面，這次成功的飛行標志著太陽能飛行時代的來臨[2]。但是由于當時技術依然十分落后，以至于在之后的二十年中，太陽能飛機未能得到快速發展。直到20世紀末，隨著太陽能電池片效率、二次電源能量密度的提高，以及微電子技術、新材料技術等發展，太陽能飛機終于駛上了飛速發展的快車道[3]。

由于太陽能飛機具有廣闊的應用前景，所以很多國家都開展了對太陽能無人機的研究，相繼出現了各種類型的無人機，表1列舉了目前世界上著名的幾種太陽能無人機。

表1 世界上著名的幾種太陽能飛機

在著名太陽能飛機中，由美國航境公司研發的Heilos太陽神飛機在2001年8月13日創造了29.52km的固定翼飛行最大飛行高度記錄[4]。而SOLAR IMPULSE飛機在今年已經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太陽能飛機。

常規布局無人機設計技術目前已經比較成熟，但常規布局太陽能無人機相對于三翼面布局太陽能無人機仍有些不足之處。

2 三翼面太陽能無人機的模型設計

根據任務要求計算所設計飛機的空機重量及任務載荷，推算飛機的起飛重量。根據相似機型的推重比，計算出飛機所需推力。根據推力，選配合適的無刷電機。根據無刷電機最佳功率點以及附加電子設備功率計算得到機體平臺總功率。選配太陽能電池，選擇最佳鋪板方式情況下，得出機翼面積、弦長和機翼翼展。并通過機翼已知參數，確定機身、鴨翼、平尾，垂尾等尺寸參數。由此可建立三翼面太陽能無人機整體布局模型，最后驗證無人機是否滿足任務要求，優化無人機總體模型設計，如圖2所示。

圖2 三翼面太陽能飛機設計流程圖

由于太陽能無人機由太陽能電池吸收太陽能以提供電量，能量有限，且太陽能無人機相比其他類無人機其飛行速度較慢，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，俯仰力矩系數圖，如圖3、圖4所示。NACA4415bis更符合本設計要求，表2為太陽能飛機的基本參數。

3 總結

通過試飛驗證可以發現，此三翼面太陽能無人機可在陽光充足的情況下，能夠只依靠太陽能電池組吸收的太陽能為動力，完成滑跑、起飛、滑翔，降落的任務。并且驗證并總結了三翼面太陽能無人機相對于常規布局太陽能飛機具有很大的優勢。

1）三翼面布局太陽能無人機能提供更大的升力；

2）三翼面布局飛機能更有效地實現直接力控制；

3）三翼面布局可使飛機的安全性增加；

4）三翼面布局可減輕機翼上的載荷， 全機載荷分配更為合理。

【參考文獻】

[1]馬東立，包文卓，喬宇航.利于冬季飛行的太陽能飛機構型研究[J].航空學報，2013（6）：1581-1591.

[2]鄧海強，余雄慶.太陽能飛機的現狀和發展趨勢[J]航空科學技術，2006（1）：28-30.

[3]高廣林，李占科，宋筆鋒，等.太陽能無人機關鍵技術分析[J].飛行力學，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.高空長航時無人機高升阻比兩段翼型設計研究[J].應用力學學報，2011（2）：273-281.

[責任編輯：田吉捷]