利于冬季飞行的太阳能飞机构型研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252014Vol35No61581—1591lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn利于冬季飞行的太阳能飞机构型研究马东立+，包文卓，乔宇航北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：针对冬季太阳辐射强度较弱的问题，提出并研究了一种新型太阳能飞机构型。概述了太阳能飞机的总体构型，建立了太阳辐射和能源动力系统模型，对飞机的气动、能量、质量及机翼最优偏转角等特性进行了分析，给出了适用于

2、该构型太阳能飞机的总体参数设计方法，并对构型设计参数进行了研究。结果表明：机翼偏转角的存在可有效提高太阳能飞机所接收的太阳辐射能量。综合考虑太阳辐射能量和推进系统质量，机翼最优偏转角在7．4。～9．5。之间，其随时刻变化；端板最优展弦比为5左右，端板与机翼的最优面积比为0．09，端板最大许用升力系数的最优值为1．1。新构型太阳能飞机总面积比常规构型减小44．2％，其优势明显。关键词：太阳能飞机；飞机构型；太阳辐射；超长航时；机翼面积中图分类号：V221．2；V279文献标识码：A文章编号：10006893(2014)06158111太阳能飞机是以太阳辐射

3、作为能量来源的飞机。因其能源形式的特殊性，太阳能飞机的续航时问不受燃料携带量的限制，与现有飞行器相比具有明显优势，是超长航时飞行器的重要发展方向。太阳能飞机在持久监视、预警侦察、数据中继、边界巡逻等领域拥有广阔的应用前景，是各军事科技强国研究的重点口。4J。在保证系统可靠性的前提下，太阳能飞机理论上可做到全年不问断飞行。但冬季太阳辐射强度较弱，给太阳能飞机的正常飞行带来挑战。目前各国在研的几种太阳能飞机大多将设计日期选取在春季至秋季之问，避开严酷的冬季。例如意大利“HELIPLAT”太阳能无人机项目设计飞行日期是2月1日至10月30日，巡航时问9个月‘5

4、1；而英国的“Zephyr7”[61和美国的“Helios”[7]太阳能无人机均将设计和试飞日期定在6月至9月之问的夏季。为了充分发挥太阳能飞机的续航能力优势，各国正努力扩展其飞行日期包线，使其能够跨冬季飞行，具有全年不问断飞行能力，其中最具代表性的就是美国国防部先进研究项目局(DARPA)提出的“秃鹰(Vulture)”计划口]。该计划旨在研制一种具有5年不问断续航时问的太阳能飞机，将太阳能飞机的优势发挥至极致。如何使太阳能飞机在冬天获得足够的太阳能量并维持正常飞行是“秃鹰”计划需要重点考虑的问题，波音公司和极光公司的竞标方案均着重解决此项问题。波音公

5、司的“太阳鹰(SolarEagle)”无人机(见图1)采用多机身布局，每个机身上安装主动光伏组件，光伏组件可绕机身轴旋转，使其法线方向尽量与太阳辐射方向接近，以使接收的太阳辐射最大化。昌敏等。90研究了主动光伏组件收稿日期：2013—09—09；退修日期：2013—10—16；录用日期：2014-01—22；网络出版时间：2014—02—2614：09网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detaii／s1000—689320130529html基金项目：国家“863”计划(2012AA7052002)*通讯作者Tel：010-82338635E

6、-mail：madongli@buaaeducn黾属格式MaDL，BaoWZ，QiaoYHStudyofsolar-poweredaircraftconfigurationbeneficialtowinter珀ghtLJJActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica，2014，35(67：1581．1591马东立，包文卓，乔宇航瓤f冬季飞行的太阳能飞祝构型研究!芘航空学报，2014，85(6)：1581—159{航空学报面功率特性，结果表明主动光伏组件可获得较高的太阳辐射面功率，对于提高太阳能飞机的能量获取能力有较大益处。但这

7、种构型会带来额外的阻力和质量代价，尤其是在夜问，为克服光伏组件的阻力，需增加储能装置质量以提供更多电能，进而导致全机尺寸和质量进一步增加，甚至可能恶化到无法实现。因此主动光伏组件的应用效果还需结合太阳能飞机总体参数设计进行进一步研究。图1“太阳鹰”太阳能飞机构型示意图Fig．1Configurationschematicdiagramof“SolarEagle”solarpoweredaircraft极光公司提出的“奥德修斯(Odysseus)”无人机(见图2)采用模块化设计，由3个完全一样的模块飞行器铰接成一体。十字形尾翼可绕着尾撑轴旋转，从而独立控制

8、模块飞行器的姿态变化，根据飞行和能量获取的需要改变总体构型：白天飞行时，随着阳光