飞行参数对太阳能飞机中光伏组件性能影响的研究

太阳能飞机的动力来自光伏组件的发电,飞机飞行参数(飞行高度、飞行速度等)会影响光伏组件的性能。因此,本文从飞行参数出发,分析并总结出其影响单晶硅光伏组件性能的规律。结论为:当飞行高度在0～12km范围内,光伏组件的性能随着高度的增加而增加,但有饱和的趋势;当超过22km时,组件性能下降。飞行速度的增加有提升光伏组件性能的趋势,原因在于组件表面温度会随着速度的增加而下降。一天之中,光伏组件性能基本以太阳12点为轴近似对称,中午最强,上午略高于下午;一年中组件性能夏季最强,冬季最弱。当飞行区域处于低纬度时,一年之中光伏组件性能变化较小,总输出功率相对较大;而在高纬度区域,组件性能波动较大,总输出功率相对较小。本文为长时间驻空飞行的太阳能飞机的研制提供一定的帮助。     

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。     

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。     

太阳能无人机能源系统的多维耦合建模

针对太阳能无人机能源系统建模的耦合性考虑不足、能量流动过程描述不全面等问题,将外部大气环境、无人机的姿态角度等不同维度下影响能源系统运行的多个因素纳入到建模过程中,先后给出了非均质大气环境模型、无人机运动模型、电机模型、减速器模型、螺旋桨模型、光伏电池模型和蓄电池模型的建立过程,并建立了各模型间的耦合关系,得到反映非均质大气环境下、动态飞行行为的太阳能无人机中能量流动的耦合模型。仿真结果表明：该模型可以完整的描述外部大气环境和无人机飞行姿态对无人机发电功率以及动力负荷功率的影响等耦合作用,适合用于仿真分析和地面半实物仿真平台的搭建。     

地效飞机的发展和展望

地效飞机是一种主要利用地面效应提供支承力而飞行的运载工具，在地铲的作用耳，它的升阻比比一般的飞机大，因而飞行时所消耗的推进功率小，具有更大的载重量或航程，在地效作用区域内，地效飞机的气动力不仅与迎角有关，而且与飞行高度有关，因而其飞行稳定性问题更为复杂，作为一类非线性、多变量且很难辨识的受控对象，地效飞机应采用更加复杂的控制律和信息－－控制综合系统，以最大限度地保证低高度的飞行安全和操控效率。首先介绍了地效飞机的一般特点和发展现状，然后分析和描述了该类飞行器特有的稳定性问题以及控制特点，最后展望了它的应用前景。     

突风对着陆飞机下滑飞行的安全性影响

突风会引起飞机过载和飞行状态的改变,威胁飞机飞行安全。在飞机六自由度运动学方程的基础上,根据下滑飞行中驾驶员操纵行为的特点建立了飞机驾驶员的数学模型,并考虑突风的影响,建立了“驾驶员-飞机-突风”闭环飞机的数学仿真模型。通过引入飞机飞行安全性的量化评估理论以及表征方法,并根据飞机的飞行状态对飞机的安全性进行量化分析。选取某型飞机着陆下滑过程中进入突风风场的飞行状态进行仿真研究,结果表明风会改变飞机的气动角和空速,导致飞机的过载及飞行轨迹发生变化,尤其在飞机飞行高度较低时,风扰引起的大 但目前的研究主要集中在以阵风减缓设计为目的的 迎角姿态和飞机飞行轨迹变化将威胁飞机的飞行安全。     

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。     

舰载飞机着舰下滑轨迹控制和分析

主要研究舰载飞机在进场下滑着舰过程中的飞行动力学问题。着重讨论了舰载飞机在进场下滑过程中的轨迹保持及其纵向控制,同时给出了此时飞机的飞行自动控制系统和进场功率补偿器系统反馈控制参数的计算方法。     

机动飞行时航空发动机转子系统的振动特性

 利用Lagrange方程建立飞机在任意机动飞行条件下具有多盘、多质量和多轴承的不平衡柔性转子系统运动微分方程的一般表达式,然后以一个双盘悬臂柔性转子系统为例用数值方法研究飞机的典型机动飞行对转子系统动力特性的影响。结果表明:机动飞行将使转子运动轨迹的中心偏离原来的轴线,转子系统的振动明显增大,从而可能使转子与定子之间发生局部的碰磨。因此,飞机作机动飞行时,必须考虑机动飞行因素对转子动力特性的影响。     

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。     

Flight strategy optimization for high-altitude long-endurance solar-powered aircraft based on Gauss pseudo-spectral method

Solar-powered aircraft have attracted great attention owing to their potential for longendurance flight and wide application prospects.Due to the particularity of energy system, flight strategy optimization is a significant way to enhance the flight performance for solar-powered aircraft.In this study, a flight strategy optimization model for high-altitude long-endurance solar-powered aircraft was proposed.This model consists of three-dimensional kinematic model,aerodynamic model, energy collection model, energy store model and energy loss model.To solve the nonlinear optimal control problem with process constraints and terminal constraints, Gauss pseudo-spectral method was employed to discretize the state equations and constraint equations.Then a typical mission flying from given initial point to given final point within a time interval was considered.Results indicate that proper changes of the attitude angle contribute to increasing the energy gained by photovoltaic cells.Utilization of gravitational potential energy can partly take the role of battery pack.Integrating these two measures, the optimized flight strategy can improve the final state of charge compared with current constant-altitude constant-velocity strategy.The optimized strategy brings more profits on condition of lower sunlight intensity and shorter daytime.     

High energy density regenerative fuel cell systems for terrestrialapplications

Regenerative Fuel Cell System (RFCS) technology for energy storage has been a NASA power system concept for many years. Compared to battery-based energy storage systems, RFCS has received relatively little attention or resources for development because the energy density and electrical efficiency were not sufficiently attractive relative to advanced battery systems. Even today, RFCS remains at a very low technology readiness level (TRL of about 2 indicating feasibility has been demonstrated). Commercial development of the Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells for automobiles and other terrestrial applications and improvements in lightweight pressure vessel design to reduce weight and improve performance make possible a high energy density RFCS energy storage system. The results from this study of a lightweight RFCS energy storage system for a remotely piloted, solar-powered, high altitude aircraft indicate an energy density up to 790 wh/kg with electrical efficiency of 53.4% is attainable. Such an energy storage system would allow a solar-powered aircraft to carry hundreds of kilograms of payload and remain in flight indefinitely for use in atmospheric research, Earth observation, resource mapping, and telecommunications. Future developments in the areas of hydrogen and oxygen storage, pressure vessel design, higher temperature and higher pressure fuel cell operation, unitized regenerative fuel cells, and commercial development of fuel cell technology will improve both the energy density and electrical efficiency of the RFCS     

Energy-optimal trajectory planning for solar-powered aircraft using soft actor-critic

High-Altitude Long-Endurance (HALE) solar-powered Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) can utilize solar energy as power source and maintain extremely long cruise endurance, which has attracted extensive attentions from researchers. Trajectory optimization is a promising way to achieve superior flight time because of the finite solar energy absorbed in a day. In this work, a method of trajectory optimization and guidance for HALE solar-powered aircraft based on a Reinforcement Learning (RL) framework is introduced. According to flight and environment information, a neural network controller outputs commands of thrust, attack angle, and bank angle to realize an autonomous flight based on energy maximization. The validity of the proposed method was evaluated in a 5-km radius area in simulation, and results have shown that after one day-night cycle, the battery energy of the RL-controller was improved by 31% and 17% compared with those of a Steady-State (SS) strategy with a constant speed and a constant altitude and a kind of state-machine strategy, respectively. In addition, results of an uninterrupted flight test have shown that the endurance of the RL controller was longer than those of the control cases.     

基于重力储能的太阳能飞机飞行轨迹研究

基于重力储能原理,研究了太阳能飞机变高度飞行轨迹及其应用效果。描述了变高度轨迹的具体组成部分及各部分的运动方式,建立了各部分轨迹和时间节点的物理数学模型,提出了适用于变高度轨迹的太阳能飞机总体参数设计方法。得到了给定设计指标下的飞行轨迹和需用功率曲线,并与定高度轨迹对比,研究了相关技术参数对变高度轨迹应用效果的影响。研究结果表明：变高度轨迹可以有效减小储能电池放电时间和机翼面积;对于不同设计高度均存在最优的爬升高度,使得机翼面积最小;设计高度越高,设计日期越偏离夏至日,储能电池能量密度越小,推进系统功重比越大,变高度轨迹的应用效果越明显。     

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。     

Flight trajectory optimization of sun-tracking solar aircraft under the constraint of mission region

The optimal yawing angle of sun-tracking solar aircraft is tightly related to the solar azimuth angle, which results in a large arc flight path to dynamically track the sun position. However, the limited detection range of payload usually requires solar aircraft to loiter over areas of interest for persistent surveillance missions. The large arc sun-tracking flight may cause the target area on the ground to be outside the maximum coverage area of payload. The present study therefore develops an optimal flight control approach for planning the flight path of sun-tracking solar aircraft within a mission region. The proposed method enables sun-tracking solar aircraft to maintain the optimal yawing angle most of the time during daylight flight, except when the aircraft reverses its direction by turning flight. For a circular region with a mission radius of 50 km, the optimal flight trajectory and controls of an example Λ-shaped sun-tracking solar aircraft are investigated theoretically. Results demonstrate the effectiveness of the proposed approach to optimize the flight path of the sun-tracking aircraft under the given circular region while maximizing the battery input power. Furthermore, the effects of varying the mission radius on energy performance are explored numerically. It has been proved that both net energy and energy balance remain nearly constant as the radius constraint varies, which enables the solar aircraft to achieve perpetual flight at almost the same latitude as the large arc flight. The method and results presented in this paper can provide reference for the persistent operation of sun-tracking solar aircraft within specific mission areas.     

燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理，以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程，建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程，以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量，建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题，研究不同爬升高度对最优控制过程的影响，并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点，建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量，以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态，分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时，能够很好地兼顾飞行状态控制；对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾，在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时，降低整个任务过程的燃料消耗。     

应用于APU电起动的分段式控制策略

民用飞机辅助动力装置（APU）是保证飞机安全和舒适性的重要系统。大电流长时放电对蓄电池的使用寿命有不利影响．同时起动时间过长对APU也有不利影响。在使用蓄电池作为起动APU的功率来源时,为了减小对蓄电池和APU的损害,需要使用较小的蓄电池输出电流在较短的时间内将APU起动。采用功率-电流分段式控制的起动方式可以在较短的时间内,以对蓄电池和APU损伤最小的方式实现APU的起动。对延长蓄电池和APU使用寿命具有重要意义。