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。     

太阳能无人机高效螺旋桨气动设计

太阳能无人机“超高空、超长航时”的设计方向给螺旋桨的气动设计带来了极大挑战。本文根据某太阳能无人机总体方案,使用多点多目标优化方法改进设计了桨叶翼型,合理布置叶宽分布与桨距,设计出低雷诺数工作环境下的高效螺旋桨,并且在全包线范围内保持较高的气动效率。利用叶素理论对该设计方案进行了性能评估,结果显示在巡航状态下,该螺旋桨的工作效率达到85%以上,各项指标满足设计要求。     

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。     

充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报

充气太阳能帆板是一种通过气体驱动支撑管展开的新型太阳能帆板。首先简要介绍其研究进展，然后针对充气展开支撑管，提出了分段式充气体积控制模型，基于LS—DYNA模拟了空间环境下Z型折叠充气太阳能帆板在支撑管无约束与有轴向约束控制时的展开过程，分析了支撑管每折叠段的气压变化，上横板的动力学特性以及基板的平面外振动，预报了展开过程中支撑管与基板的接触碰撞，并通过悬吊式展开试验验证了计算结果。结果表明，本文计算能够预报充气太阳能帆板在空间展开的动力学特性。     

基于一致性理论的卫星太阳能帆板分布式振动控制

针对卫星太阳能帆板的振动抑制问题,本文提出一种基于一致性理论的分布式振动控制方法。首先,依据智能组件的定义建立面向分布式控制的太阳能帆板整体结构动力学模型;然后,根据图论和一致性理论设计抑制帆板振动的分布式控制器,控制器由反馈镇定项和一致性协同项两部分构成;基于Lyapunov理论分析闭环系统的稳定性和鲁棒容错能力;最后,设计不同情况的数值算例,验证所提分布式控制方法的有效性。仿真结果显示,基于一致性理论的分布式振动控制方法不但能够有效地抑制卫星太阳能帆板的振动,提高系统的动态性能,还具有良好的鲁棒容错能力。     

光伏阵列风荷载干扰效应风洞试验研究

风荷载是光伏板设计的主要荷载,对于大面积光伏阵列,其风致干扰效应明显,风荷载取值需要进一步研究明确.本文采用刚性模型测压风洞试验研究了光伏板体型系数干扰效应.通过改变倾角、风向角和光伏板的组数,研究了阵列中干扰效应对光伏板风荷载取值的影响.结果表明:当光伏板面迎风或者背风时,出现最大正压或负压;上游光伏板对下游光伏板存...     

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。     

高阶重力和力矩对空间太阳能电站运动的影响

相比于传统卫星,空间太阳能电站具有超大的尺寸,高阶重力和重力梯度对其轨道和姿态运动的影响将不能再忽略.文中以地球同步拉普拉斯轨道上的太阳塔式空间太阳能电站为例,研究了在考虑地球扁率的引力场中,高阶重力和力矩对空间太阳能电站姿轨运动的影响.首先将空间太阳能电站的重力势函数进行泰勒展开,并保留至四阶项;然后求出电站所受到的重力和重力梯度力矩,并给出其轨道和姿态运动方程;最后通过数值仿真来分析不同阶次的力和力矩对轨道运动的影响.结果表明:高阶力对卫星轨道的影响较大,可达到百米量级;高阶力矩对卫星姿态运动影响则较小,可忽略不计.     

高空太阳能无人机三维航迹优化

为提升高空太阳能无人机的飞行性能和载荷能力,综合考虑无人机运动状态和能量获取、存储、消耗之间的耦合关系,建立了三维航迹优化模型。采用高斯伪谱法在离散点上近似状态变量和控制变量,且在一系列配点上满足动力学方程的约束,将最优控制问题转化为非线性规划问题。针对典型的点到点飞行任务开展了航迹优化,并与常规定高定速航迹进行了对比。结果表明:通过调整飞行姿态,可以使高空太阳能无人机的净吸收能量提高9.2%;综合调整飞行姿态和改变飞行高度两种措施可以获得更大的能量优势,使储能电池剩余电量提高18.8%。      

先进太阳能热动力系统单元热管吸热器仿真分析

研究的目的是验证热管吸热器有良好的热性能。通过对先进太阳能热动力系统单元热管吸热器进行数值仿真,建立了相应的数学模型,给出了数值解法,并把仿真结果同NASA计算结果进行了对比。分析结果表明,热管吸热器由于热管良好的导热性和理想的等温性,热管在轴向的温差很小,这就使得热管在不同位置上的容器内的PCM都能同步、均匀的熔化;另外热管吸液芯的正常工作使得热管周向温度分布均匀,从而避免热斑现象;热管吸热器由于热管在轴向和周向上良好的等温性,在阴影期末,各蓄热容器内的PCM能够同时凝固,并最终达到完全凝固,从而避免热松脱现象。因此,热管吸热器提高了系统的效率,能避免热斑和热松脱现象。