临近空间超长航时太阳能无人机发展及关键技术

临近空间超长航时太阳能无人机是目前国际上研究的前沿方向,简述了目前国外临近空间太阳能无人机发展概况,梳理并分析了发展临近空间太阳能无人机亟待解决的关键技术,并对临近空间太阳能无人机的发展趋势进行了展望.     

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。     

倾转矢量长航时无人机设计

根据海洋岛礁环境,设计了一款无人机。为满足设计要求,采用大展弦比、上单翼与V型尾翼的气动布局和倾转矢量动力方案,采用非结构网络和SST κ-ω湍流模型对设计无人机进行计算分析,并利用实时仿真系统对该设计进行了全自动飞行验证。计算和仿真结果表明所设计的无人机气动性能优良,满足岛礁的使用需求。     

太阳能无人机关键技术分析

介绍了当前太阳能无人机的发展现状,主要分析了太阳能无人机在设计、制造过程中所涉及到的各种关键技术,指出了需要突破的技术难点,包括轻质、高效太阳能电池的研制与应用技术、能量储存与能量控制系统、太阳能无人机机体平台设计技术。认为太阳能无人机作为航空科学技术与新能源技术相结合的产物,其研制过程需将气动、结构、推进、优化等多学科技术紧密结合。     

超长航时太阳能无人机带来的改变

美国正在试验具有超长续航能力的无人机,在一年或者更长的时间里这类无人机将无需返回基地维修或进行空中加油,这一概念有可能使传统航空体系变得毫无用武之地。     

大展弦比无人机平台的阵风减缓飞行试验

阵风减缓主动控制技术是飞机应对阵风影响的有力手段,为了对设计的阵风减缓系统进行评估,飞行试验是不可或缺的。由于阵风的精确测量较为困难,如何验证减缓系统是否有效是一个难题,提出一种“开-闭”式统计学试验方法以解决该问题。以一架大展弦比无人机作为试验对象,将基于PID控制原理设计的阵风减缓系统叠加在原飞机的增稳系统上进行了飞行试验。通过统计学方法对试验结果进行分析,结果表明搭载了阵风减缓系统的飞机质心过载降低20.5%,翼根弯矩降低12.9%,验证所提的试验方法可行、有效。     

高空太阳能无人机飞行动力学建模与分析

高空长航时太阳能无人机的机翼是超柔性结构,在飞行中气动弹性变形体现了几何非线性特征,并与飞行动力学响应耦合,从而改变无人机的飞行特性。基于哈密顿原理,对柔性无人机进行了动力学建模,计算了不同装载时无人机的配平状态,并对飞行动力学特性进行了分析。结果表明,由于弹性变形和集中载荷的影响,无人机的短周期频率减小且阻尼增大,长周期运动与结构变形运动发生耦合,导致长周期的阻尼减小。     

飞机阵风响应减缓技术综述

为降低阵风对飞机飞行性能与安全的影响,早期往往通过加强飞机结构来抵抗阵风干扰。从20世纪50年代开始,人们逐步发展了基于主动控制的阵风响应减缓技术,并成功应用于多个实际飞机型号,有效降低了阵风响应,提高了飞机的疲劳寿命和飞行品质。国内的相关研究起步较晚,在国产大飞机等项目的需求牵引下,阵风减缓的工程应用已提上日程。本文提出了飞机阵风减缓研究的总体技术路线,并按此路线梳理了以下技术的历史发展和研究现状：首先介绍了阵风减缓的基础数学模型,涉及飞机动力学模型、阵风模型、非定常气动力模型及阵风响应分析方法;其次从减缓控制机理和控制律设计两个方面分析了阵风减缓的设计方法;回顾了阵风减缓风洞试验和飞行试验及实际应用的具体案例;最后概述了阵风减缓研究的前沿进展并总结了亟需解决的关键技术问题,以期为该领域的科研和工程技术人员提供借鉴与帮助。     

太阳能无人机发展综述

太阳能无人机以其长航时、能源清洁被世界各国重视,已经成为国家战略不可或缺的一环.简述了现如今太阳能无人机发展现状及成就;整理了太阳能无人机总体设计的发展脉络,介绍1种较成熟的能源管理方案;基于现有太阳能无人机采取的布局方式,引出并介绍了双机身串列翼构型太阳能无人机的可行性及优缺点.优点是采用串列翼布局的无人机升力较大,...     

轻小型太阳能/氢能无人机发展综述

轻小型无人机（UAV）在军民领域都有着广泛的用途,电动无人机由于其振动低、无污染、无排放等优势,已经成为无人机领域的发展热点。为了提高轻小型电动无人机的航时,清洁、高能量密度的太阳能和氢能成为非常可行的技术途径之一。本文总结了轻小型太阳能、氢能无人机的发展历程;梳理了相关的关键技术,并对太阳能、氢能无人机的总体设计方法和能源动力系统的发展进行了较为深入的探讨;最后,展望了该类无人机的发展趋势,并对所面临的挑战进行了预测。     

NOx emissions of turbofan powered unmanned aerial vehicle for complete flight cycle

Unmanned Aerial Vehicles(UAVs) have been getting more and more popular in both civil and military arena. Similar to manned aircraft, their propulsion systems or engines emit harmful gases such as nitrogen oxides. Since UAVs have different mission profiles and operational parameters than manned aircraft, it is worthy to investigate their NO_x emissions. Therefore, in this study, NO_x emissions of a turbofan powered UAV for complete flight cycle was calculated and optimized wit...     

基于改进一致性算法的无人机编队控制

编队飞行是指多架无人机保持以一定队形进行飞行的状态,相比于单架飞机执行任务,无人机编队能够增加搜索面积,提高飞机飞行性能,增大完成任务成功率。编队控制是实现编队安全高效完成指定任务的前提。本文以一致性理论为基础,针对无人机运动模型的特点与实际飞行要求,对基本的一致性算法进行改进,提出了改进一致性无人机编队控制算法。首先利用纵向和横侧向解耦的自动驾驶仪模型给出了无人机的三自由度运动方程,根据机动性与飞行性能要求定义了各方向上的加速度、速度与角速度约束。基于一致性理论,将编队控制分为平面与纵向2个方向进行,在状态控制的基础上,利用各状态变量间的几何关系对无人机运动自由度进行转换,加入编队队形信息,设计了编队控制算法。为了使算法生成的指令信号满足约束条件,提出了"最小调整"约束条件处理策略。依据粒子群算法对各无人机的爬升加速度进行优化,以避免机间碰撞。仿真结果表明：提出的编队控制算法具备编队成形与变换功能,能够使无人机编队状态快速收敛到指定值,且保持指定队形,无人机飞行状态满足所有约束条件。     

太阳能无人机能源系统的关键技术与发展趋势

作为探索临近空间领域的新兴飞行器,太阳能无人机（SUAV）在性能、技术及任务航时均呈现出不同于传统飞行器的新特点。其中,太阳能无人机能源系统的比能量、比功率是影响飞机整体性能的核心因素。因此,本文首先对太阳能无人机的太阳电池、储能电池的发展现状进行了阐述,然后针对能量获取多元化、能源系统管理高效化、能源载荷一体化方向对太阳能无人机能源系统的未来发展趋势进行了展望。     

State of art on energy management strategy for hybrid-powered unmanned aerial vehicle

New energy sources such as solar energy and hydrogen energy have been applied to the Unmanned Aerial Vehicle(UAV), which could be formed as the hybrid power sources due to the requirement of miniaturization, lightweight, and environmental protection issue for UAV. Hybrid electrical propulsion technology has been used in UAV and it further enforces this trend for the evolution to the Hybrid-Powered System(HPS). In order to realize long endurance flight mission and improve the energy efficiency of UAV, many researching works are focused on the Energy Management Strategy(EMS) of the HPS with digital simulation, ground demonstration platforms and a few flight tests for the UAV in recent years. energy management strategy, in which off-line or on-line control algorithms acted as the core part, could optimize dynamic electrical power distribution further and directly affect the efficiency and fuel economy of hybrid-powered system onboard.In order to give the guideline for this emerging technology for UAV, this paper presents a review of the topic highlighting energy optimal management strategies of UAV. The characteristics of typical new energy sources applied in UAV are summarized firstly, and then the classification and analysis of the architecture for hybrid power systems in UAV are presented. In the context of new energy sources and configuration of energy system, a comprehensive comparison and analysis for the state of art of EMS are presented, and the various levels of complexity and accuracy of EMS are considered in terms of real time, computational burden and optimization performance based on the optimal control and operational modes of UAV. Finally, the tendency and challenges of energy management strategy applied to the UAV have been forecasted.     

Trajectory tracking control of a VTOL unmanned aerial vehicle using offset-free tracking MPC

Designing a stable and robust flight control system for an Unmanned Aerial Vehicle(UAV) is an arduous task. This paper addresses the trajectory tracking control problem of a Ducted Fan UAV(DFUAV) using offset-free Model Predictive Control(MPC) technique in the presence of various uncertainties and external disturbances. The designed strategy aims to ensure adequate flight robustness and stability while overcoming the effects of time delays, parametric uncertainties,and disturbances. The six degr...     

基于能量获取的小型无人机飞行控制研究

探讨了小型无人机如何通过从大气扰动中获取能量来达到提高航程航时的目的.基于纵向质点模型建立了纵向运动学模型以及动力学模型,在此基础上得到飞行单位距离的能量改变量的函数,构造优化模型把能量获取问题转化为轨迹优化问题,并引入稳定平衡条件进行求解,同时进行控制律的设计,并在Matlab/Simulink中对模型以及控制律的有效性进行了仿真验证.     

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。     

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。