太阳能飞机的现状和发展趋势

该文首先介绍几种国外设计成功或者正在研制的太阳能飞机,然后对太阳能飞机的关键技术和发展趋势做了分析.     

利于冬季飞行的太阳能飞机构型研究

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。     

太阳能飞机方案设计阶段建模与仿真

建立了太阳能飞机方案设计阶段的仿真模型,包括能量流动、太阳能采集、蓄电池、飞机运动及能量管理等部分.通过仿真比较了太阳能电池固定安装和可转动安装两种飞机方案的太阳能采集效率和续航性能.仿真结果表明,方案2的设计采集效率优势明显,在光照匮乏时飞机飞行时间较长.该模型可用于太阳能飞机方案设计阶段的验证分析,为方案的选择和改...     

15米翼展太阳能飞机机翼颤振分析和刚度设计

太阳能飞机小刚度和大变形的特点导致其普遍存在颤振问题,因此有必要合理建立太阳能飞机的动力学模型并进行颤振分析。以国内某15米翼展太阳能飞机为研究对象,建立初始的动力学模型,然后根据目标颤振速度调节模型刚度,得到了与目标颤振速度匹配的机翼主梁刚度,从而实现太阳能飞机的动力学反向建模,并在此基础上进行颤振分析,形成完整的太阳能飞机颤振分析设计方法。结果表明:该机翼扭转刚度增大70%,其颤振速度可提高29%。本文方法可用于指导15米太阳能飞机的防颤振设计。     

太阳能飞机能量平衡建模

能量平衡是太阳能飞机设计工作的核心和难点。基于太阳能飞机能量原理,结合太阳辐射模型和太阳能飞机典型飞行剖面开展太阳能飞机能量平衡建模研究。根据太阳能飞机起飞-爬升-巡航阶段和持续跨昼夜飞行阶段的飞行剖面和能量需求,分别建立了各阶段的能量平衡模型,给出了各时段的能量特性计算方法并对傍晚下滑阶段的多种飞行情况进行了分类讨论。最后以某太阳能飞机为例对本文所建立的起飞-爬升-巡航能量平衡模型和持续跨昼夜飞行能量平衡模型进行了验证。     

高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析

高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAV）的基本工作原理与常规动力飞机相比有显著的区别,体现在飞机总体设计方法上有其独到之处,方案设计中还需要对一些关键技术细节进行认真权衡。阐述了高空长航时太阳能无人机总体设计中遵循的重量不变和能量平衡原则的机理,同时从太阳能无人机巡航平飞功率需求、布局形式选取、飞行剖面优化和临近空间使用环境影响等方面出发,研究了太阳能无人机总体设计中的若干注意事项,主要结论可用于高空长航时太阳能无人机总体设计和方案优化。     

临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望

临近空间太阳能飞机是低速临近空间飞行器中一种极具发展潜力的技术途径，有望成为一个理想的区域通信、中继和运输平台。实现N×24小时能源闭环的超长航时飞行，是发展临近空间太阳能飞机的核心问题，也是形成“区域保持+时间持久”特色能力的关键。能量最优航迹规划方法是解决临近空间太阳能飞机跨昼夜能量闭环难题的有效技术方向。当前临近空间太阳能飞机能量最优航迹规划方法可分为2类：不考虑风场变化的能量最优航迹规划方法和不考虑大范围高度变化的能量最优航迹规划方法。分别对这2类问题的研究成果进行了分析与讨论，考虑不同处理框架给实际工程应用带来的困难与挑战，认为未来应统一考虑太阳辐射、空间高度和风场变化，并融合重力势能与梯度风场对太阳能飞机临近空间持久驻留能量变化的影响，开展基于强化学习框架的太阳能飞机能量最优“通用”飞行航迹规划方法研究。为此，有必要开展临近空间风场环境表征与重构、临近空间梯度风场对太阳能飞机滑翔轨迹能量影响分析、最优飞行航迹示教轨迹生成与分类、基于示教轨迹的太阳能飞机强化学习框架构建等关键技术研究。可为设计太阳能飞机能量最优航迹规划方法提供参考，为规划太阳能飞机研究技术路线提供支撑。     

高空驻留太阳能飞机主动式光伏组件面功率特性研究

 光伏组件面功率特性是影响太阳能飞机性能指标的关键因素之一。首先建立了考虑光伏组件表面温度、太阳能飞机飞行高度、纬度及一年四季等因素的光伏组件面功率模型,分析了光伏组件在一年范围内的日均直射、日均水平面功率随飞行高度、纬度和季节等关键设计指标参数的变化规律,对比研究了3种跟踪采能方式下的主动式光伏组件(TPM)的逐时、日均面功率特性。结果表明:在一天的光照时间内和全年范围内,主动式光伏组件能显著提高光伏组件的面功率特性。然后,参考了典型的太阳能飞机"Helios"和"Zephyr",综合考虑能源与气动特性,初步设计了一种采用主动式光伏组件的高空驻留太阳能飞机布局方案,通过分析其日均净面功率特性得出:合理设计主动式光伏组件,可以显著提高太阳能飞机的日均净面功率约32%~66%,甚至可达116%。这些结论均说明,从采能效率和气动特性两方面综合来说,所提出的基于主动式光伏组件的布局设计思想在高空驻留太阳能飞机总体布局设计时具有良好的应用优势。     

某飞机零批试制加工增重分析

本文根据某飞机生产试制中首批3架飞机空机理论重量和实际重量分别按零件分类和所属专业的统计比较,提出了控制飞机加工增重的重点部件(或专业)和主要零件,对造成加工增重的原因进行了探讨。     

Aero-Vironment公司的创新精神代代相传

<正> 以制造人力和太阳能飞机著称的Aero-Vironment公     

双吊舱联翼布局太阳能飞机气动弹性建模研究

太阳能飞机一般都是大展弦比形式,气动弹性问题非常突出。先对飞机进行受力分析,确定在建立结构模型时需要考虑的关键问题,然后通过静力学分析确定吊舱所在位置,之后根据飞机外形参数建立详细的机翼结构模型和气动模型,再将飞机的结构模型和气动模型连接起来。对整个模型进行的气弹算例计算结果表明,这种建模是合理的。     

太阳能模型飞机的设计方法研究

从太阳能模型飞机的发展状况，分析了太阳能电池应用在航模飞机上的技术难点，针对机载平台、太阳能电池应用、推进系统三方面提出了合理的解决优化方案。实践表明了在光照充足的情况下，能达到只依靠太阳能电池作为动力，实现滑跑起飞的要求。     

飞行状态对太阳能飞机中组件性能的影响

基于光伏组件产生功率模型，研究了太阳能飞机中飞行速度、高度、时间及区域等状态参数影响组件性能的规律。以单晶硅组件及Xihe太阳能飞机为研究对象，当飞机飞行速度增加时，组件产生的功率随之增加但趋于饱和。原因在于速度的增加能有效降低组件的表面温度，但提升是有限的。飞机所需的功率随飞行速度呈现指数增加，且组件产生的功率与飞机所需的功率有能量平衡点。组件产生的功率随飞行高度的增加而增加，但有饱和的趋势。原因在于，当飞行高度上升，大气温度随之下降，组件表面温度下降；同时海拔越高，大气密度和大气通透率越大，太阳辐射增加，从而组件产生的功率增加了；饱和的原因在于组件本身性能的限制。一天之中，组件产生的功率基本以太阳时12点为中心左右近似对称，中午最强；一年中组件性能在夏季最强，冬季最弱。原因在于组件性能主要由所受太阳辐射决定。随着纬度的增加，组件产生的功率减小。原因在于，纬度越高，太阳高度角越小，组件所能接受到的太阳辐射也就越小；纬度越低，组件总产生功率越高且平稳。纬度低的地区更适合太阳能飞机的飞行。该文为太阳能飞机的能量分配、长时间驻空提供一定的帮助。     

飞机喷漆涂料的创新

<正>创新型涂料不仅可以使复合材料机身在高温条件下免受损伤、节省运营商的维修成本,而且可以更好地满足环保的要求。近日,美国国家航空研究所先进涂料实验室表示,太阳能反射涂料、底漆/清漆和无铬涂料等3种涂料在航空业中获得了巨大的发展。太阳能反射涂料起源于建筑行业,最初是将其涂覆于屋顶和建筑物表面,用于建筑隔热。现在,随着在波音787、空客A350等飞机的机身制造中越来越多地采用复合材料,太阳能反射涂料在飞机制造业中的应用也变得越来越普及。     

基于机翼-帆尾的高纬度跨年驻留太阳能飞机总体参数设计方法

拓展太阳能飞机在较高纬度地区的跨年驻留性能有助于促成太阳能飞机的广泛实用化。建立了适用于任意高度、任意纬度、任意指向的光伏组件面功率模型,并考虑了光伏组件的温度效应,通过能量仿真得出：在方位角跟踪方式下,滚偏角为90°的主动式光伏组件的日均面功率最优。然后在布局与能源综合设计思想指导下,建立了一套基于机翼-帆尾的太阳能飞机总体参数设计方法,其组成模块包括各部件质量方程、气动效率方程、用于构建气动布局参数与全机光伏组件面功率特性之间映射关系的Kriging代理模型,以及参与总体参数匹配优化设计的量子粒子群优化（QPSO）算法及其多目标评价函数。面向高纬度与跨年驻留的设计指标,开展了机翼-帆尾太阳能飞机的方案实例设计,其中驻留纬度与高度指标分别为45°N和18 km。详细分析了此方案在23.5°N~55°N纬度域内的可持续高度包线。研究结果表明：与传统布局形式相比,机翼-帆尾布局形式大幅提升了高纬度地区冬季附近的光伏组件面功率,有效地减小了翼展尺度、机翼面积并提升了巡航速度,具有良好的应用优势。方案设计实例也验证了基于机翼-帆尾的太阳能飞机总体参数设计方法的可行性。     

从生物燃料到燃料电池，航空能源将多样化

替代能源在2009年始终都是热门的话题．其中一条重头消息是，2009年年中，瑞士的“太阳动力”飞机完成了36小时的“昼夜”飞行。这种用太阳能为动力的飞机，预计在2012年将做世界环球飞行。     

飞机的磁化

近几年来,飞机在飞行中被磁化的事情时有发生。1988年9月14日,通航的 y—7型3473号飞机执行并—京航班任务,在北京走廊上空高度为3800米飞行时,雷达显示前方无雷雨,但飞机进云不久,飞行人员听到在机头左侧一声巨响,并见一火球从飞机左侧掠过,驾驶舱内地板震感强烈,之后被飞机磁化.1994年夏季,南京航空有限公司的 y7型3718飞机在飞行中也被磁化,其情况和 B—3473飞机相似.     

太阳能飞机循环飞行的高度剖面能量策略

为满足设定的太阳能飞机多日连续飞行条件，依据飞行过程中当前时刻的飞行高度、光伏输出功率、动力电池组余量等系统状态参数，研究如何分配动力电池组充放电和电推进系统输入等功率。所用策略立足于实时功率平衡，充分利用正午前后的光伏峰值功率用于飞机爬升及充电，在午后下滑过程中利用全部光伏输出，以最大化利用光伏资源；在光伏有效输出不足时则以一定的维持功率下滑，使能量的综合损失最小。方法能够提高以预定夜间飞行高度连续多日续航的成功率，提升飞行高度、纬度、季节范围或搭载能力，或者拓展这几种飞行条件的组合域，优化太阳能飞机的适用性。     

太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计

太阳能飞机翼肋结构轻薄且数量众多,其结构形式的合理性对于结构减重、机翼刚度设计等具有重要意义。基于现有太阳能飞机翼肋的结构形式,提出一种翼肋拓扑优化设计方法:首先,应用双向渐进结构优化法(BESO),以单元应力为判断指标,对太阳能飞机典型翼肋进行结构拓扑优化;其次,基于拓扑优化结果对翼肋进行结构细节设计;最后,通过有限元计算,验证翼肋的结构强度、刚度和静稳定性。通过本文方法,能够得到太阳能飞机翼肋更为合理的结构布局。     

全球首架昼夜飞行的太阳能飞机“阳光动力”

<正>苏威公司携手"阳光动力"(Solar Impulse)10月12日在世博会比利时/欧盟馆举行太阳能飞机活动日,向公众介绍全球首架昼夜飞行的太阳能飞机。"阳光动力"太阳能飞机不使用任何燃料,而是完全依靠太阳能,不对环境造成任何污染。2010年7月7日,阳光动力太阳能飞机HB-SIA成功实现了首次昼夜飞行。