太阳能氢能混合动力小型无人机设计及关键技术研究

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1、太阳能/氢能混合动力小型无人机设计及关键技术研究杜孟尧2015年12月中图分类号：V221UDC分类号：623太阳能/氢能混合动力小型无人机设计及关键技术研究作者姓名杜孟尧学院名称宇航学院指导教师刘莉教授答辩委员会主席于剑桥教授申请学位工学硕士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月DesignofSolar/HydrogenHybridPoweredSmall-scaleUAVandResearchonKeyTechniquesCandidateName：MengyaoDuSchoolorDepartment:SchoolofAerosp

2、aceEngineeringFacultyMentor:Prof.LiLiuChair,ThesisCommittee：Prof.JianqiaoYuDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：December,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致

3、谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要本文针对小型低空长航时电动无人机需求，给出了使用太阳能/氢能混合能源动力的小型低空长航时无人机构型。针对太阳能/氢能混合动力无人机设计过程中存在的重量、能量之间的耦合问题，提出了一种基于功率匹配、重量平衡和能量平衡的总体参数设计方法，主要从以下几个方面对太阳能/氢能混合动力无人机进行了研究：(1)混合动力无人机总体参数设计方法：针对混合

4、动力无人机设计过程中的特点，提出了一种考虑重量、能量耦合关系的无人机总体参数设计方法。使用所建立的气动、重量、能量相关学科模型，得到了基于功率匹配、重量平衡、能量平衡的平衡方程，最终通过方程的迭代求解，实现了无人机总体参数的设计与计算。(2)混合动力无人机设计参数影响度分析：使用本文所提出的无人机总体参数设计方法，对太阳能无人机、燃料电池无人机与混合动力无人机的性能进行了对比分析，提出了混合动力无人机的适用范围。并就能源系统性能参数对于无人机设计结果及性能的影响情况进行了分析，为无人机设计提供参考。(3)混合动力无人机总体设计：在无人机总体参数设计方法的基础上，依次完成了混合动

5、力无人机的概念设计、初步设计与详细设计。特别针对混合动力无人机动力系统可用功率相对较小的问题，着重考虑整机气动效率的提升，从翼型选择、机翼外形设计与优化等方面对无人机外形进行了详细设计。(4)混合动力无人机气动特性分析：为验证设计结果的可行性，对无人机的静稳定性、盘旋半径等气动特性进行了分析，并在此基础上使用自动驾驶仪完成了仿真实验，测试了无人机的飞行性能。关键词：混合动力；无人机；总体设计；太阳能；氢能IAbstractAccordingtothelong-endurancedemandofsmalllow-altitudeelectricUAVs,aconfiguratio

6、ndesignofsmalllow-altitudeUAVwithhybridsolarandhydrogenenergysystemisintroduced.Consideringthecouplingrelationshipbetweenweightandenergyinthedesignprocess,aconceptualparametersdesignmethodwhichisbasedonpowermatching,weightbalancingandenergybalancingisproposed.Inthisthesis,theresearchonsolar/

7、hydrogenhybridpoweredUAVismadebythefollowingaspects.(1)ConceptualdesignmethodofhybridpoweredUAVsAccordingtotheparticularityinthedesignprocessofhybridpoweredUAVs,apreliminaryparameterdesignmethodwhichconsidersthecouplingrelationshipofweightandenergy