小型太陽(yáng)能無人機(jī)初步方案設(shè)計(jì)研究

李文麗++趙長(zhǎng)輝

摘 要：太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的新型航空器，前景廣闊。太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)難度極大，但相關(guān)技術(shù)的帶動(dòng)效應(yīng)很大，能夠有力推動(dòng)航空技術(shù)發(fā)展。本文進(jìn)行一種小型太陽(yáng)能無人機(jī)的初步方案設(shè)計(jì)研究，內(nèi)容包括布局設(shè)計(jì)、氣動(dòng)力設(shè)計(jì)和分析（翼型和機(jī)翼）、重量估算等。聯(lián)翼布局能夠與小型太陽(yáng)能無人機(jī)很好匹配，但氣動(dòng)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(yáng)能無人機(jī)；電動(dòng)飛機(jī)；方案設(shè)計(jì)；聯(lián)翼布局

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.071

0 前言

太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)（簡(jiǎn)稱太陽(yáng)能飛機(jī)）采用太陽(yáng)能—電能作為推進(jìn)能源，具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括：高效節(jié)能、環(huán)境友好，可以實(shí)現(xiàn)零排放；噪聲和振動(dòng)水平極低；理論上可實(shí)現(xiàn)無限航時(shí)飛行。

太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)的氣動(dòng)力設(shè)計(jì)要求比常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)苛刻，要達(dá)到極低能耗和極高效率，CD很低，而CL3/2/CD很高。同時(shí)，電動(dòng)飛機(jī)巡航速度較低，特征尺寸（弦長(zhǎng)）小，飛行雷諾數(shù)低，因此氣動(dòng)力設(shè)計(jì)難度大。高空長(zhǎng)航時(shí)（HALE）飛機(jī)飛行環(huán)境復(fù)雜（密度、溫度、高空風(fēng)等），大翼展機(jī)翼的氣動(dòng)彈性問題難解決，氣動(dòng)力設(shè)計(jì)難度更大。太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)技術(shù)難度極大。設(shè)計(jì)上要求重量極輕，而超大尺寸/大撓度機(jī)體、大展弦比/大面積機(jī)翼、電動(dòng)力系統(tǒng)部件（如太陽(yáng)電池）集成安裝等都不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)。

總之，太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)難度極大。發(fā)展太陽(yáng)能電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)能夠有力推動(dòng)航空技術(shù)發(fā)展，有鑒于此，同時(shí)看到太陽(yáng)能電動(dòng)無人機(jī)的發(fā)展?jié)摿?，因此開展了小型太陽(yáng)能電動(dòng)無人機(jī)的初步方案設(shè)計(jì)研究工作。

1 布局設(shè)計(jì)

結(jié)合考慮，我們?cè)诜桨冈O(shè)計(jì)中決定采用另一種布局形式——連翼布局。使用兩副機(jī)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(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)翼設(shè)計(jì)

（1）前翼：翼展8 m。弦長(zhǎng)400 mm，從翼根到翼尖等弦長(zhǎng)。后掠角14°。

（2）后翼：與前翼參數(shù)相同，翼展8 m。弦長(zhǎng)400 mm，從翼根到翼尖等弦長(zhǎng)。后翼前掠角14°。

（3）太陽(yáng)能電池單元布置

選用太陽(yáng)能電池單元尺寸為125*125 mm，在前后翼面上方兩排布置，按現(xiàn)有機(jī)翼面積可以布置240片。

本方案前翼后掠、后翼前掠，會(huì)在一定程度上降低升力線斜率，因此有必要對(duì)氣動(dòng)特性作進(jìn)一步分析。方案分別對(duì)前掠翼、后掠翼進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算，并與等弦長(zhǎng)和展弦比的平直翼作對(duì)比.

計(jì)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(gè)趨勢(shì)。由于后掠角和前掠角比較小，實(shí)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(jì)算結(jié)果來看采用連翼布局的氣動(dòng)效率與單純的直機(jī)翼相比差別不大，在氣動(dòng)方面不會(huì)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(shí)際上可以起到增大升力和降低阻力的作用，也就是說，氣動(dòng)方面還有潛力。

4 全機(jī)氣動(dòng)特性

全機(jī)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(jī)的氣動(dòng)阻力有所升高，升力降低，全機(jī)升阻比下降。計(jì)算結(jié)果為：全機(jī)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(jì)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(yàn)，翼展8米的類似結(jié)構(gòu)的無人機(jī)全機(jī)結(jié)構(gòu)重量為4～5 kg，因此，本方案取結(jié)構(gòu)重量等于5 kg。

太陽(yáng)能電池重量：目前能買到的太陽(yáng)能電池單元重約10g（裸板，面積125×125 mm），加上封裝和連線，約為18 g。本機(jī)安裝240片電池單元，總重4.4 kg。

動(dòng)力系統(tǒng)重量：初步選用DUALSKY公司的XM5050EA-10無刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)，單個(gè)重281g，加上螺旋槳、連接件、電線和電調(diào)，單個(gè)重量約為350g。本方案配置4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，總重1.4 kg。

二次電池：本方案的二次電池僅作應(yīng)急用，重量2 kg，可以提供500 Wh的能量。

其他：包括飛行控制、機(jī)載設(shè)備、航電系統(tǒng)等，總重600 g。

綜上，總重為13.4 kg。

重心位置：全機(jī)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(jī)內(nèi)設(shè)備調(diào)節(jié)使重心位于距離前翼跟弦前緣1.0 m的位置（全機(jī)焦點(diǎn)位于1.04 m處），具備并不過分的靜穩(wěn)定性。

6 方案總結(jié)

布局三面圖如下：

總體參數(shù)

前翼：翼展8 m；跟弦弦長(zhǎng)400 mm；跟梢比1；后掠角14°；上反角2°；面積3.2 m2。

后翼：翼展8 m；跟弦弦長(zhǎng)400 mm；跟梢比1；前掠角14°；上反角0°面積3.2 m2。

全機(jī)長(zhǎng)度 2.4 m

全機(jī)高度 0.5 m

重量 13.4 kg

重心位置 距離前翼跟弦前緣1.0 m

全機(jī)焦點(diǎn) 距離前翼跟弦前緣1.04 m

巡航速度 10 m/s

飛行高度 3000 m

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