太阳能飞机设计

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1、太阳能飞机设计一．飞机的总体设计1.1.能源规划与动力系统1.1.1.太阳能电池板参数计算采用的太阳能电池为单晶硅太阳能电池，参数如下：尺寸/mm重量电压/V电流/A155*15550.61.1.2.太阳能电池板的连接方式串联：总电压等于各分电压之和，考虑到电压的损失，26块电池板串联为一组，电压理论上为13V，总共3组。共需要78块电池板。并联：三组13V的电源并联，总电流等于各分电流之和，实际电流大小得根据电力系统的总电阻大小来确定。（待测定）1.1.3.动力系统根据节能减排的理念，飞机的动力只能由太阳能电池板提供，接收机和舵机可单独供电，而且动力和舵机的电力系统要进行物理隔离

2、。也就是要采用两个接收机，一个接收机控制飞机的动力，一个控制各个舵机。控制动力的接收机由太阳能电池板供电；控制舵机的接收机单独接一块电池。1.2.气动外形设计1.2.1.气动布局简述采用常规布局，上单翼矩形机翼（矩形机翼共三段，侧翼有上反角，机翼两侧翼梢处加翼梢小翼），矩形平尾尾翼，矩形垂尾尾翼。1.2.2.飞机外形参数翼展：5080mm翼弦长度：560mm机身全长：3040mm1.2.3.翼型考虑到太阳能电池效率低，动力低，故应尽可能减小飞机平飞时所受的阻力，因此采用平凸翼型，相对厚度应较小（翼肋修长，滑翔机类翼型）的RSG-82翼型。其maxthickness7.58%at30

3、.0%ofthechord（在弦长距前缘30%位置处有最大相对厚度为7.58%）;maxcamber3.79%at30.0%ofthechord（在弦长距前缘30%位置处有最大相对弯度为3.79%）。该翼型的升力系数与阻力系数以及升阻比如下图所示。（1）RSG-82在雷诺数为300000时，其升力系数与阻力系数的极坐标图如下。图1（1）RSG-82在雷诺数为300000时，升力系数，阻力系数随飞行迎角变化的特性曲线。图2（1）RSG-82在雷诺数为300000时升阻比随迎角变化的曲线图。由图可知，升阻比在2º左右时达到最大，且在2º-5º内变化缓慢，在超过5º失速特性良好，因此此翼

4、型具有良好的失速性能。图3（2）下图是在雷诺数为300000时，升力系数，阻力系数及升阻比在迎角变化时的一系列特性值。图41.1.1.焦点计算在任意迎角下，翼型绕某一特定点的俯仰力矩保持不变，该点称为气动中心（焦点），也即是气动力增量的作用点，注意气动力增量和气动力的作用点是不一样的，是迎角发生变化时（如增大1º），气动力的增加量力矩为零的点，是和飞机的操纵性与稳定性紧密相关的一个重要参数，也是测量俯仰力矩的参考点之一，一般是翼型的弦点（从前缘向后缘25%弦长处）。在亚声速情况（基本所有航空模型均在此范围内）下，大多数翼型绕1/4弦点的俯仰力矩几乎与迎角无关，即气动中心位于1/4弦

5、点处。焦点的几何求解此处不具体介绍。二．太阳能飞机整体参数计算及强度校核1.设计任务书（1）空机重量大于（包含）2Kg，小于（包含）3Kg。包括载重固定水袋的配件，设计载重能力为1.5Kg。（2）动力方面：舵机和接收机可单独供电，接收机电池不计入空机质量。但接收机电池必须与太阳能电池在电路上进行物理隔离。（3）飞机采用滑跑方式起飞，可借助其它代步工具。（4）模型载重物只能用水。标准载重物质量（包括容器）为0.1Kg及其整数倍，不足0.1Kg的超过部分质量不计。2.确定飞行雷诺数平飞时，20m高空下，8m/s的飞行速度，机翼沿气流方向的特征长度取为弦长560mm。雷诺数的计算公式为：

6、Re=ρVLμ其中ρ,μ分别为流体的密度，动力粘度，V,L分别为流场的特征速度和特征长度。对外流问题，V,L一般取前方来流速度和物体主要尺寸。对于航空模型飞机，即飞机的平飞速度和机翼弦长。将空气密度及其动力粘度带入上式公式，可得到用于航模飞机雷诺数计算的一个简化公式如下：Re=VL1.46×105将太阳能飞机的飞行速度，弦长带入得雷诺数Re=306880，取Re=300000，3.机翼，平尾尾翼，垂尾尾翼及其舵面的设计计算（1）机翼（1.1）升力的计算飞机总重取为m=3kg时，机翼的升力应至少大于1.2倍的重力。Lmin=1.2mg=1.2×3×9.8N=35.28N由升力公式：C

7、L=LqS可得CLS=Lq≥Lmin12ρV2=35.2812×1.205×82m2=0.9149m2考虑到飞机强度及电池铺设方便，在翼弦上铺三块电池板，弦长取为cG=c=560mm=0.56m，翼展b=4600mm=4.6m。因此机翼投影面积为：S=bcG=4.6×0.56m2=2.576m2=2576000mm2因此升力系数：CL≥0.91492.576=0.3552在Re=300000的条件下，由图4中的表可知，在迎角为1º时，其升力系数为0.3726，满足平飞