利于减少配平损失的太阳能飞机构型设计

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1、2016年7月第42卷第7期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJuly2016V01．42No．7http：∥bhxb．buaa．edu．CBjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0464利于减少配平损失的太阳能飞机构型设计阙建锋，王维军+，吴宇(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：针对具有静稳定性的太阳能飞机一般采用尾翼配平造成气动配平损失的问题，提出了一

2、种“T”构型太阳能飞机。概述该太阳能飞机的总体构型，分析该构型飞机巡航状态下降低重心的自配平原理，建立能量平衡和质量分析模型，给出适合于该构型太阳能飞机的概念设计方法，并优化构型设计参数。结果表明，“T”构型太阳能飞机不仅具有静稳定性，还降低了配平损失。在巡航状态下，“T”构型太阳能飞机单位面积平飞需用功率比常规构型太阳能飞机减少了6．2％，具有明显的应用效果。关键词：太阳能飞机；气动配平损失；概念设计；构型设计参数；平飞需用功率中图分类号：V221+．2文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)07．1479m7太阳能飞

3、机通过太阳能电池接受太阳能辐射，将太阳能转化为电能。白天将一部分能量提供给飞行所需的能耗并将剩余的能量储存在蓄电池中，提供飞机夜间飞行。太阳能飞机的能量来源优势，让它可以巡航飞行几个月甚至更久¨剖。因此太阳能飞机在中继通信，情报、监视和侦察(ISR)，野火警告系统，农业协助，边境巡逻，污染和核能的观测等领域具有广阔的应用前景，成为未来军事和民用发展的热点¨‘71。但是光伏电池的能源密度比汽油等能源低许多，限制了太阳能飞机的设计空间。于是考虑到能源短缺问题，太阳能飞机的设计和传统飞机不同，太阳能飞机的翼载荷和飞行功率较小。因此太阳能飞机

4、的结构密度，能量采集和传递效率，能源的储存和管理¨1，推进系统以及飞机构型需要进行详细设计进而达到能源循环的要求，以期实现长航时飞行¨1。现有的太阳能飞机构型中，常规构型太阳能飞机占多数。对于非常规构型的太阳能飞机研究较少，例如鸭式构型的SolairI号¨⋯、飞翼构型的太阳神号¨“，以及“z”型构型。其中“Z”型构型可以是美国秃鹰计划候选机型的构型，采用多机身尾翼配平一1，也可以是飞翼构型¨2

5、。上述太阳能飞机都采用舵面偏转配平。考虑到太阳能飞机翼载荷较轻，结合新构型结构设计的可行性，提出“T”构型太阳能飞机。其原理是在巡航状态下采用

6、降低重心的自配平方法，减少了气动配平损失。然后建立太阳能飞机数学模型，研究适合该构型的优化设计方法，分析其巡航状态的配平原理和静稳定性，并与常规构型太阳能飞机进行对比，分析该构型的应用效果，以及定量分析不同配平迎角下对应的操纵量。结果表明，“T”构型太阳能飞机具有较好的纵向静稳定性，降低了单位面积平飞需用功率，减少了舵面偏转配平带来的配平损失。1“T”构型的提出1．1现有太阳能飞机构型为了实现长航时，获取更多的太阳能和减少收稿日期：2015-07-13；录用日期：2015-08-20；网络出版时问：2015—10-0915：46网络出

7、版地址：ww．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151009．1546．005．html}通讯作者：Tel．：010．-82317519E-mail：wangwj@buaa．edu．cn弓f用格式：阅建肇，王维军，关字．利于减少配平掼失的太阳能飞机构型设计fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(7)：1479—1485．QUEJF，WANGWJ，WUY．Designofsolar-poweredaircraftconfigurationforreducingtrimloss口J．Journalof

8、BeOingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42f7，：1479—1485(inChinese)．—————————————————一一．⋯^t"nAk1，+n欣幽I虿栋巾古甄求兰譬冀磐l挈絮黧跫篡篡．篙纂鬻嘉掌嚣笳霉磊罢霍富芝磊?磊罴磊蒜恐箩霎巍冀蔫鬻第麓票衰銎篓聂茎茎銎军嚣姜磊薯羔，：盖萎茹蓦葬芫写茹“。翟苎’叠要鬈善毳黧竺：纛麓嘉荔兰薹算凳姜篙雾星；嚣窭薪翥美笃豢考耄篓矍麦莩耋竺曩篓!凳萋奁呈辐鬈量墨署萼磊蓄{纂?黑篙嚣淼≤言葚低凝銎尝苎登慧銎煮毳篡詈喜黧嚣品鼍量篱篓言架量

9、亲誓磊荔罂焉嚣≥麓茹、晶，：。；釜主妻毒詈之窆辈笔譬惹警凳舞勰喜嚣霎嚣笔蓑添l蒜磊毳主罩：芏戮：≈鬻1飞2然篇器蠢徽冀磊军套霎鬻翁霾．赫高套些薏竺圭裂碧嬲怒≯蒿蓑鼍鬻}茬磊喜高筹署菇蓁荔瓮署得更多的太阳能。但是舵面配平时