小型太陽能無人機方案設(shè)計研究

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摘要：太陽能電動飛機是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的新型航空器，前景廣闊。太陽能電動飛機技術(shù)難度極大，但相關(guān)技術(shù)的帶動效應(yīng)很大，能夠有力推動航空技術(shù)發(fā)展。本文進行一種小型太陽能無人機的初步方案設(shè)計研究，內(nèi)容包括布局設(shè)計、氣動力設(shè)計和分析（翼型和機翼）、重量估算等。聯(lián)翼布局能夠與小型太陽能無人機很好匹配，但氣動力和結(jié)構(gòu)分析復(fù)雜，方法上還有待完善。

關(guān)鍵詞：太陽能無人機；電動飛機；方案設(shè)計；聯(lián)翼布局

0前言

太陽能電動飛機（簡稱太陽能飛機）采用太陽能—電能作為推進能源，具有很多優(yōu)點，包括：高效節(jié)能、環(huán)境友好，可以實現(xiàn)零排放；噪聲和振動水平極低；理論上可實現(xiàn)無限航時飛行。太陽能電動飛機的氣動力設(shè)計要求比常規(guī)動力飛機苛刻，要達到極低能耗和極高效率，CD很低，而CL3/2/CD很高。同時，電動飛機巡航速度較低，特征尺寸（弦長）小，飛行雷諾數(shù)低，因此氣動力設(shè)計難度大。高空長航時（HALE）飛機飛行環(huán)境復(fù)雜（密度、溫度、高空風(fēng)等），大翼展機翼的氣動彈性問題難解決，氣動力設(shè)計難度更大。太陽能電動飛機機體結(jié)構(gòu)技術(shù)難度極大。設(shè)計上要求重量極輕，而超大尺寸/大撓度機體、大展弦比/大面積機翼、電動力系統(tǒng)部件（如太陽電池）集成安裝等都不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計。需要創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)?？傊?，太陽能電動飛機技術(shù)難度極大。發(fā)展太陽能電動飛機技術(shù)能夠有力推動航空技術(shù)發(fā)展，有鑒于此，同時看到太陽能電動無人機的發(fā)展?jié)摿Γ虼碎_展了小型太陽能電動無人機的初步方案設(shè)計研究工作。

1布局設(shè)計

結(jié)合考慮，我們在方案設(shè)計中決定采用另一種布局形式——連翼布局。使用兩副機翼前后布置，前翼后掠，后翼前掠，兩翼翼尖處相連接。

2翼型選擇

這里選擇專為高空長航時無人機設(shè)計的高升力翼型FX63-137，翼型厚度13.7%。FX63-137的低阻區(qū)較大，且很平緩?？捎蒙ο禂?shù)很高。

3機翼設(shè)計

（1）前翼：翼展8m。弦長400mm，從翼根到翼尖等弦長。后掠角14°。（2）后翼：與前翼參數(shù)相同，翼展8m。弦長400mm，從翼根到翼尖等弦長。后翼前掠角14°。（3）太陽能電池單元布置選用太陽能電池單元尺寸為125*125mm，在前后翼面上方兩排布置，按現(xiàn)有機翼面積可以布置240片。本方案前翼后掠、后翼前掠，會在一定程度上降低升力線斜率，因此有必要對氣動特性作進一步分析。方案分別對前掠翼、后掠翼進行氣動特性計算，并與等弦長和展弦比的平直翼作對比.計算結(jié)果表明，平直翼的升力線斜率最大，為0.0936。后掠翼和前掠翼的升力線斜率稍小，分別為0.0909和0.0911，但差別很小。但在阻力方面，卻是前掠翼阻力較小，平直翼次之，后掠翼較大。從升阻比曲線也可以看到這個趨勢。由于后掠角和前掠角比較小，實際的影響并不大，幾種參數(shù)的三條曲線都比較接近。因此，從計算結(jié)果來看采用連翼布局的氣動效率與單純的直機翼相比差別不大，在氣動方面不會有明顯影響。另外，由于在前后翼翼尖處有端板連接，可以減小翼尖渦的影響，實際上可以起到增大升力和降低阻力的作用，也就是說，氣動方面還有潛力。

4全機氣動特性

全機構(gòu)型基本等于前后翼相加，但由于前后翼的干擾，因此全機的氣動阻力有所升高，升力降低，全機升阻比下降。計算結(jié)果為：全機最小阻力系數(shù)：CDmin=0.027；最大升力系數(shù)：CLmax=1.6；最大升阻比：Kmax=27；最大功率因子：（CL1.5/CD）max=23；設(shè)計升力系數(shù)：CLdesign=0.9。

5重量分析

結(jié)構(gòu)重量：根據(jù)前期的經(jīng)驗，翼展8米的類似結(jié)構(gòu)的無人機全機結(jié)構(gòu)重量為4~5kg，因此，本方案取結(jié)構(gòu)重量等于5kg。太陽能電池重量：目前能買到的太陽能電池單元重約10g（裸板，面積125×125mm），加上封裝和連線，約為18g。本機安裝240片電池單元，總重4.4kg。動力系統(tǒng)重量：初步選用DUALSKY公司的XM5050EA-10無刷外轉(zhuǎn)子電機，單個重281g，加上螺旋槳、連接件、電線和電調(diào)，單個重量約為350g。本方案配置4臺電動機，總重1.4kg。二次電池：本方案的二次電池僅作應(yīng)急用，重量2kg，可以提供500Wh的能量。其他：包括飛行控制、機載設(shè)備、航電系統(tǒng)等，總重600g。綜上，總重為13.4kg。重心位置：全機重量基本均勻分布，前后翼的中心位于幾何中心位置。通過機內(nèi)設(shè)備調(diào)節(jié)使重心位于距離前翼跟弦前緣1.0m的位置（全機焦點位于1.04m處），具備并不過分的靜穩(wěn)定性.

6方案總結(jié)

總體參數(shù)前翼：翼展8m；跟弦弦長400mm；跟梢比1；后掠角14°；上反角2°；面積3.2m2。后翼：翼展8m；跟弦弦長400mm；跟梢比1；前掠角14°；上反角0°面積3.2m2。全機長度2.4m全機高度0.5m重量13.4kg重心位置距離前翼跟弦前緣1.0m全機焦點距離前翼跟弦前緣1.04m巡航速度10m/s飛行高度3000m

作者：李文麗 單位：中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司