基于廣義能量的太陽(yáng)能飛行器總體設(shè)計(jì)研究.pdf

1、長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器是航空飛行器和新能源技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其采用取之不盡的太陽(yáng)能作為能源，通過(guò)能量綜合獲取、存儲(chǔ)和釋放實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)和持久飛行，可形成晝夜不間斷飛行甚至年量級(jí)駐空飛行的能力，且符合零排放、零污染的環(huán)保主義精神。它可以作為對(duì)流層和平流層的空中應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)攜帶不同功能及分布式結(jié)構(gòu)一體化載荷，可以高時(shí)間分辨率的執(zhí)行情報(bào)/監(jiān)視/偵察，中繼通信等信息支援任務(wù)，是人類新型信息獲取和信息對(duì)抗的有力拓展。特別是針對(duì)臨近空間氣象穩(wěn)定、輻照強(qiáng)烈

2、等特殊環(huán)境，可作為高空、高高空持久駐空平臺(tái)，提供區(qū)域級(jí)信息綜合能力。長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器填補(bǔ)了臨近空間飛行器的空白，具有廣闊的應(yīng)用前景，正日益成為國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。
　　長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器是當(dāng)前科學(xué)和工程研究的前沿領(lǐng)域，涉及創(chuàng)新的總體技術(shù)、低雷諾數(shù)氣動(dòng)布局技術(shù)、可再生循環(huán)能源技術(shù)、大尺度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)、低密度環(huán)境下高效推進(jìn)技術(shù)，其發(fā)展有賴于多學(xué)科科學(xué)技術(shù)的支撐。由于技術(shù)難度大，當(dāng)前沒(méi)有在飛行高度、飛行航時(shí)、載荷能力等方面同時(shí)滿足應(yīng)

3、用需求的型號(hào)樣機(jī)；且在給定技術(shù)條件下，并沒(méi)有給出其性能的準(zhǔn)確定論。由于技術(shù)基礎(chǔ)的限制，其可行設(shè)計(jì)域較小，同時(shí)傳統(tǒng)航空器設(shè)計(jì)方法不能滿足以長(zhǎng)航時(shí)為核心的設(shè)計(jì)要求，因此需要探索新的總體設(shè)計(jì)方法?？紤]到在現(xiàn)有技術(shù)條件下，化石燃料的能量密度是儲(chǔ)能電池能量密度的數(shù)十甚至數(shù)百倍，而功率密度是太陽(yáng)電池的數(shù)十倍，因此能量緊缺貫穿了長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，能量平衡是其最核心和最本質(zhì)的約束。需要以能量為中心，考慮各學(xué)科之間的耦合和敏感度，進(jìn)行綜合總

4、體優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　為此論文主要進(jìn)行了如下研究：
　　以能量為中心的太陽(yáng)能飛行器總體設(shè)計(jì)模型研究。提出了廣義能量概念，通過(guò)能量的耦合關(guān)聯(lián)，統(tǒng)一了推阻平衡、升重平衡、能量平衡等表達(dá)關(guān)系，深刻揭示了太陽(yáng)能飛行器總體設(shè)計(jì)的核心是實(shí)現(xiàn)能量的獲取、存儲(chǔ)和釋放過(guò)程；建立了以能量為中心的總體設(shè)計(jì)模型，得到了長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器設(shè)計(jì)域的解析表達(dá)式，將飛行高度和翼載荷表示為氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、光伏、儲(chǔ)能四個(gè)學(xué)科參數(shù)的代數(shù)表達(dá)式形式；分析了各學(xué)科的單參數(shù)敏

5、感度，得到了影響長(zhǎng)航時(shí)飛行的關(guān)鍵學(xué)科；分析了參數(shù)間的耦合影響，得到了學(xué)科之間的等價(jià)性規(guī)律。
　　以能量為中心的太陽(yáng)能飛行器總體設(shè)計(jì)方法研究。針對(duì)長(zhǎng)航時(shí)可行設(shè)計(jì)域較小，難以探索到較優(yōu)可行解的問(wèn)題，提出了基于最優(yōu)化的總體設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法以實(shí)現(xiàn)能量閉環(huán)為核心，以設(shè)計(jì)飛行高度和翼載荷為約束，以各子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以技術(shù)實(shí)現(xiàn)代價(jià)最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。針對(duì)工程實(shí)踐中的冗余設(shè)計(jì)要求，提出了基于保守設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法

6、通過(guò)在翼載荷可行設(shè)計(jì)域中人為選擇較為保守的參數(shù)，使設(shè)計(jì)方案在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)情況下，太陽(yáng)電池輸出功率和儲(chǔ)能電池容量均有一定程度的冗余。針對(duì)從環(huán)境中獲取能量和向環(huán)境存儲(chǔ)能量的需求，提出了基于動(dòng)態(tài)過(guò)程的總體設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法通過(guò)設(shè)計(jì)合適的飛行航跡如梯度風(fēng)滑翔、重力滑翔等，可減少儲(chǔ)能電池?cái)y帶總量或降低對(duì)儲(chǔ)能電池能量密度的需求。
　　能量不閉環(huán)條件下太陽(yáng)能飛行器長(zhǎng)航時(shí)設(shè)計(jì)研究。針對(duì)某些飛行條件下能量不閉環(huán)，通常為儲(chǔ)能電池?cái)y帶能量不能支持飛行

7、器越夜飛行，考慮在現(xiàn)有技術(shù)條件下如何增長(zhǎng)航時(shí)。提出了能量不閉環(huán)條件下太陽(yáng)能飛行器長(zhǎng)航時(shí)飛行設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法將儲(chǔ)能電池用于補(bǔ)償早晚太陽(yáng)輻照不足的情況，以實(shí)現(xiàn)最大化飛行航時(shí)。同時(shí)分析了儲(chǔ)能電池、太陽(yáng)電池、飛行條件等參數(shù)對(duì)飛行航時(shí)的影響，得出了影響飛行航時(shí)的關(guān)鍵學(xué)科。
　　典型應(yīng)用環(huán)境下的創(chuàng)新解決方案研究。當(dāng)前技術(shù)條件下，儲(chǔ)能電池是長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器的瓶頸，為此提出了逐日飛行太陽(yáng)能飛行器，其飛行方向與行星自轉(zhuǎn)方向相反，飛行速度與行星自轉(zhuǎn)

8、速度大小相同，因此可始終置于當(dāng)?shù)靥?yáng)輻照條件下，且可以不用攜帶儲(chǔ)能電池，分析表明在地球中高緯度和金星表面是可以實(shí)現(xiàn)逐日飛行的。針對(duì)將白天剩余太陽(yáng)能存儲(chǔ)到重力勢(shì)能中，提出了繞地滑翔太陽(yáng)能飛行器，其飛行航跡為某緯圈，白天利用剩余太陽(yáng)輻照爬升高度，飛行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反以獲得較高的飛行高度；夜間采用重力滑翔，飛行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同以盡快度過(guò)夜晚，當(dāng)滑翔至最低點(diǎn)并接受到第二天太陽(yáng)輻照時(shí)即可實(shí)現(xiàn)越夜飛行，且無(wú)需攜帶儲(chǔ)能電池。
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