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小型太阳能无人机初步方案设计研究
作者：李文丽 赵长辉
来源：《山东工业技术》2017年第09期
摘 要：太阳能电动飞机是一种环保、节能、高效的新型航空器，前景广阔。太阳能电动飞机技术难度极大，但相关技术的带动效应很大，能够有力推动航空技术发展。本文进行一种小型太阳能无人机的初步方案设计研究，内容包括布局设计、气动力设计和分析（翼型和机翼）、重量估算等。联翼布局能够与小型太阳能无人机很好匹配，但气动力和结构分析复杂，方法上还有待完善。
关键词：太阳能无人机；电动飞机；方案设计；联翼布局 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.071 0 前言
太阳能电动飞机（简称太阳能飞机）采用太阳能—电能作为推进能源，具有很多优点，包括：高效节能、环境友好，可以实现零排放；噪声和振动水平极低；理论上可实现无限航时飞行。
太阳能电动飞机的气动力设计要求比常规动力飞机苛刻，要达到极低能耗和极高效率，CD很低，而CL3/2/CD很高。同时，电动飞机巡航速度较低，特征尺寸（弦长）小，飞行雷诺数低，因此气动力设计难度大。高空长航时（HALE）飞机飞行环境复杂（密度、温度、高空风等），大翼展机翼的气动弹性问题难解决，气动力设计难度更大。太阳能电动飞机机体结构技术难度极大。设计上要求重量极轻，而超大尺寸/大挠度机体、大展弦比/大面积机翼、电动力系统部件（如太阳电池）集成安装等都不利于结构设计。需要创新结构和材料技术。 总之，太阳能电动飞机技术难度极大。发展太阳能电动飞机技术能够有力推动航空技术发展，有鉴于此，同时看到太阳能电动无人机的发展潜力，因此开展了小型太阳能电动无人机的初步方案设计研究工作。 1 布局设计
结合考虑，我们在方案设计中决定采用另一种布局形式——连翼布局。使用两副机翼前后布置，前翼后掠，后翼前掠，两翼翼尖处相连接。 2 翼型选择
这里选择专为高空长航时无人机设计的高升力翼型FX63-137，翼型厚度13.7%。FX63-137的低阻区较大，且很平缓。可用升力系数很高。
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3 机翼设计
（1）前翼：翼展8 m。弦长400 mm，从翼根到翼尖等弦长。后掠角14°。
（2）后翼：与前翼参数相同，翼展8 m。弦长400 mm，从翼根到翼尖等弦长。后翼前掠角14°。
（3）太阳能电池单元布置
选用太阳能电池单元尺寸为125*125 mm，在前后翼面上方两排布置，按现有机翼面积可以布置240片。
本方案前翼后掠、后翼前掠，会在一定程度上降低升力线斜率，因此有必要对气动特性作进一步分析。方案分别对前掠翼、后掠翼进行气动特性计算，并与等弦长和展弦比的平直翼作对比.
计算结果表明，平直翼的升力线斜率最大，为0.0936。后掠翼和前掠翼的升力线斜率稍小，分别为0.0909和0.0911，但差别很小。
但在阻力方面，却是前掠翼阻力较小，平直翼次之，后掠翼较大。从升阻比曲线也可以看到这个趋势。由于后掠角和前掠角比较小，实际的影响并不大，几种参数的三条曲线都比较接近。
因此，从计算结果来看采用连翼布局的气动效率与单纯的直机翼相比差别不大，在气动方面不会有明显影响。
另外，由于在前后翼翼尖处有端板连接，可以减小翼尖涡的影响，实际上可以起到增大升力和降低阻力的作用，也就是说，气动方面还有潜力。 4 全机气动特性
全机构型基本等于前后翼相加，但由于前后翼的干扰，因此全机的气动阻力有所升高，升力降低，全机升阻比下降。计算结果为：全机最小阻力系数：CDmin= 0.027；最大升力系数：CLmax= 1.6；最大升阻比：Kmax= 27；最大功率因子：（CL1.5/CD）max= 23；设计升力系数：CLdesign= 0.9。 5 重量分析
结构重量：根据前期的经验，翼展8米的类似结构的无人机全机结构重量为4～5 kg，因此，本方案取结构重量等于5 kg。
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太阳能电池重量：目前能买到的太阳能电池单元重约10g（裸板，面积125×125 mm），加上封装和连线，约为18 g。本机安装240片电池单元，总重4.4 kg。
动力系统重量：初步选用DUALSKY公司的XM5050EA-10无刷外转子电机，单个重281g，加上螺旋桨、连接件、电线和电调，单个重量约为350g。本方案配置4台电动机，总重1.4 kg。
二次电池：本方案的二次电池仅作应急用，重量2 kg，可以提供500 Wh的能量。 其他：包括飞行控制、机载设备、航电系统等，总重600 g。 综上，总重为13.4 kg。
重心位置：全机重量基本均匀分布，前后翼的中心位于几何中心位置。通过机内设备调节使重心位于距离前翼跟弦前缘1.0 m的位置（全机焦点位于1.04 m处），具备并不过分的静稳定性。 6 方案总结 布局三面图如下： 总体参数
前翼：翼展8 m；跟弦弦长400 mm；跟梢比1；后掠角14°；上反角2°；面积3.2 m2。 后翼：翼展8 m；跟弦弦长400 mm；跟梢比1；前掠角14°；上反角0°面积3.2 m2。 全机长度 2.4 m 全机高度 0.5 m 重量 13.4 kg
重心位置 距离前翼跟弦前缘1.0 m 全机焦点 距离前翼跟弦前缘1.04 m 巡航速度 10 m/s 飞行高度 3000 m 参考文献：