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。     

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。     

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。     

太阳能飞机机翼翼型对光伏组件性能的影响

结合5种太阳能飞机翼型(BC3111、BC3X92、BCS127、BC2125和SD7080)的气动性特点,建模并研究 了机翼上安装的光伏组件太阳高度角及其产生功率。研究证明:飞机向北飞行的时候,所有翼型上光伏组件太阳高度角随着弦上位置的增加而振荡上升,且有趋于饱和值的趋势;而向南飞行的时候,却呈现相反的趋势。当飞机向北飞行时,机翼弦向后端曲度小,机翼表面更接近1个斜平面,光伏组件的表面更倾向太阳,导致太阳高度角大;而当飞机向南飞行时,情况正好相反;当飞机东西方向飞行时,机翼翼型对组件太阳高度角无影响。发现所有翼型上光伏组件产生功率在向北飞行时比向南飞行时多,而东西向飞行时组件产生功率为固定值。原因在于,向北飞行时,组件接受到的太阳光更大。当飞机向北飞行时,应选择BC3X92翼型,不仅气动性最佳,而且组件产生功率也最大;而向南飞时,可选择SD7080型和BCS127型实现组件最大功率输出。     

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。     

农林飞机近地作业飞行的横航向稳定特性

 分析了地面效应对飞机产生附加滚转和偏航力矩的气动新机理,研究了农林飞机近地作业飞行时横航向气动特性随高度的变化规律,推导了考虑地面效应影响时的飞机横航向静稳定性新准则,并分析了不同飞行高度时这些静稳定性的变化趋势。采用地效区内飞机的运动方程,计算并分析了农林飞机不同作业高度下的横航向模态特性及变化规律,并进行了模态特性的简化和验证分析。     

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。     

飞翼飞机稳定性与操纵性研究

以某飞翼飞机为例,讨论了典型飞翼飞机的基本操稳特性和动态特性。并对飞翼布局飞机和常规布局飞机的主要气动导数作了对比研究,简要说明了二者在操稳特性上的不同之处及其产生的原因,为控制增稳系统的设计提供了依据。     

常规布局小型飞行器设计参数优化研究

对以螺旋桨为动力的长航时小型飞行器，在概念设计阶段的设计参数进行了敏感性分析。主要包含三个方面：一是飞机飞行状态，包括巡航高度；巡航速度及巡航升力系数。二是飞机机翼几何参数，包括尖梢比、展弦比和翼型。三是发动机的布局形式。飞机概念设计是在明确了设计要求的前提下开展的。在满足设计约束的基础上，通过对升力面气动特性及相互干扰分析，机翼剖面的设计选择以及升阻力特性的分析，典型部件重量构成的统计分析，计算出不同构型状态下的飞机重量和重心，保持纵向静安定度在合理范围内，通过对飞机有无配平情况下的阻力特性比较，寻求特定高度满足长航时设计要求的设计点。     

考虑局部遮挡的太阳能无人机能源控制

针对太阳能无人机在飞行状态下可能出现的太阳能电池局部遮挡情况,开展相应的太阳能电池最大功率点追踪算法和能源控制研究。通过将发光亮度引入相对吸引力计算过程对萤火虫算法进行改进,实现了局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的高效追踪。以此为基础,设计了考虑局部遮挡情况下太阳能无人机的太阳能电池/蓄电池混合能源状态机控制规则。以"蒲公英I"无人机为例,建立了太阳能电池阵列模型,开展了考虑局部遮挡情况下太阳能电池最大功率点追踪仿真实验;基于"蒲公英I"飞行剖面,开展了考虑局部遮挡情况的混合能源控制仿真试验。研究结果表明：改进的萤火虫算法可以实现在局部阴影情况下太阳能电池最大功率点的有效跟踪,与萤火虫算法相比收敛时间更短、且功率波动幅度更小;采用改进萤火虫算法和状态机能源管理策略,在考虑局部遮挡的飞行状态下可以实现太阳能电池/蓄电池之间的合理功率分配与控制。     

Y12F飞机噪声局方并行试飞适航审定技术

民用飞机为获得型号合格证,应按照有关噪声适航规章条款进行噪声适航合格审定,噪声测试飞行试验是表明符合性的最佳途径。以CAAC和FAA发布的相关噪声适航文件为基础,研究了Y12F飞机噪声测试并行飞行试验所涉及的测试设备、试验场地、气象条件、飞行试验程序、数据测量和处理等方面的适航审定技术。所构建的噪声测试飞行试验适航审定方法,有效地指导完成了Y12F飞机噪声测试的适航验证工作,并完成CAAC和FAA同步审查,为获得CAAC型号合格证和FAA型号合格证奠定了基础。该研究成果可为螺旋桨小飞机和螺旋桨通勤类飞机等新机型的噪声适航合格审定提供借鉴和指导,同时也可为意愿获取FAA型号合格证的申请人提供参考。     

中低空太阳能无人机高效螺旋桨设计方法

目前对于常规螺旋桨和高空螺旋桨的设计较多,而对中低空太阳能无人机螺旋桨的研究很少,因此提出一种针对中低空太阳能无人机的高效率螺旋桨设计方法。根据太阳能无人机的飞行跨度曲线,选取爬升和主要巡航高度为设计点,首先基于Betz 最小能量损失的设计准则和片条理论及其逆向推导,计算各设计点下的弦长与桨距角分布;然后根据飞行跨度曲线对各设计点的计算结果进行权值分配,得到最终的设计弦长与桨距角分布;最后基于CFD 数值模拟技术,在验证算法的基础上对设计的螺旋桨进行仿真计算。结果表明：与使用常规螺旋桨相比较,在允许功率范围下,本文设计的螺旋桨效率在整个任务周期的飞行包线内均有明显提升,满足设计要求。     

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。     

基于预测电流控制的光伏并网系统最大功率点跟踪算法

针对光伏发电的突变性及昼发夜停特性提出一种新型的基于预测电流控制的光伏并网系统最大功率点跟踪(MPPT)算法。根据实际情况考虑光伏阵列的非线性特性,最大功率点周围光伏电压的振荡及逆变器、滤波器的设计等。为了确保系统采用控制算法的稳定性,MPPT的设计应运而生,在此基础上通过改进算法从光伏系统的电压与电流预测基准电流进而控制光伏并网系统。通过与传统的波动相关控制方法对比给出了仿真结果。仿真结果表明:在光照发生突变时,与传统的波动相关控制法相比,提出的改进算法的跟踪速度较之提升9.3%,并能够准确跟踪光伏并网系统最大功率点,且性能稳定可靠。     

制导飞行含人工跟踪的飞行力学分析

以工程应用为背景，研究了含人工跟踪的制导飞行动力学问题，首先，给出了经过技术培训的行为物理模型。接着详细分析了人工跟踪回路的稳定性和跟随性，同时提供了一种改善人工回路特性的方法。最后，对含人跟踪回路的飞行器闭环回路的人工跟踪误差特性进行分分析和仿真计算。仿真结果证明该研究方案是可行的，研究结果已被国内有关部门在工程上采用。     

Y7—200A飞机模拟冰型飞行试验

以Ｙ７－２００Ａ型飞机为例,按照中国民用航空条例第２５部·运输类飞机适航标准（ＣＣＡＲ－２５）有关结冰条款进行了模拟冰型试飞,介绍了模拟冰型的几何形状,尺寸及确定方法,对模拟冰型试飞中有关的试飞内容,试飞方法及安全措施等进行了讨论,并对试验机带有与不带冰型的试验结果进行了分析比较,可供运输类飞机除冰系统的设计,验证试飞参考。