长航肘太阳能无人机的设计优化ETHZ讲座会议飞机和航天器系统设计，建模与控制一引言若干年前，能够依靠太阳能动力实现连续飞行一直是个梦想，但是现在这个梦想已经成真事实上，在在柔性太阳能电池 板、高能量密度的电池、小型化MEMS与CMOS传感器以及强大的处理器等领域已经取得显著进展其实太阳能飞机的原理很简单，装有太阳能电池板的机翼在太阳光的照射下获得电能，将能量用于螺旋桨推进系统，控制 电路，并将剩余的电能用蓄电池储存起来当夜晚来临的时候，将白天储存在电池里的电能慢慢释放用于驱动飞机各系统直到 第二天太阳升起尽管如此，对于飞机的优化和整合以及技术方面的努力是必要的主要的工作是将不同功能的部件尽量能以相同的标准考 量例如飞机的续航时间，就是一个需要综合考量的因素在2004年，洛桑联邦理工学院/苏黎世联邦理工学院的自主实验室与欧洲航天局共同提出了 “Sky-SailOr这个项目这个 项目是通过学习和研究自主导航控制的太阳能无人机在地球表面的飞行来验证火星专用版本的可行性本次讲座介绍的方法，用于全球范围内设计，旨在实现在地球上能够连续飞行的太阳能飞机这种方法最早用于Sky-Sa ilor 项目，但是对于从几百克到翼展几十米的高空长航时无人机仍然具有通用性。
1•太阳能飞机的历史1・1太阳能航空模型飞机概述世界上首架太阳能飞机于1974年11月4日，在美国加利福尼亚州试飞，飞机名叫“Sunrisel”，由来自于AstroFligh讼 司的R.J. Bouche设计飞机在100m左右的高度飞行了大约20分钟它的另一个改进版本“Sunrise ”1很快被设计制造出来 并且在1975年9月12号首飞，第二架飞机使用了新的太阳能电池板，比第一架飞机上的电池板效率高出14个百分点，总功率 高达600WHelmut Bruss和Fred Militk是在欧洲范围内第一个吃螃蟹的，在1976年8月16 日，他们的模型“Solari”在150秒内 连续三次爬升到50m的高度［3］.很久以来，许多设计制作飞机的人都尝试让飞机依靠太阳能飞行，这些想法变得越来越可行最初，飞行时间只有短短的几 秒，后来迅速的增长到几分钟以至于几小时［3］这其中最具代表性的有1996年的Dave Beck和他的飞机Solar Solitu以及90 年代创造了很多记录的Wolfgang Schaepe］和他的飞机Solar Exce还有98年的Sieghard Dienl以及他的微型飞机PicoSol2・2有人操纵的太阳能飞机在许多太阳能模型飞机通过飞行证明了只要有足够的照度连续的飞行是可行的之后，那些70年代的太阳能飞机的先驱者便将有人驾驶的飞机作为新的挑战。
最初的模型飞机，像Fred To的Solar One和Larry Mauro的Solar Rise就是利用电池板在地面上给飞机的电池充电，然 后实现短时间的持续飞行而美国的Dr. Paul B. MacCready和他的AeroVironment公司 实现的仅仅利用太阳能而不用任何储 能装置实现连续飞行是具有革命意义的1980年5月18日，被认为是世界上第一个有人操纵的太阳能飞机Gossamer Penguin 实现了首飞1981年7月7号，它的改进版的名叫Solar Challenges飞机实现了仅仅利用太阳能动力穿越了英吉利海峡在德国，GunterRochelt所制造具有16m翼展和一个电池的Solairl太阳能飞机在1983年8月21日主要利用太阳能动力 和上升气流实现了 5小时41分钟的飞行1986年美国的Eric Raymond开始设计它的名叫Sunseeker的飞机在1989年这架飞机 先进行了无电池板的滑翔飞行，在1990年的8月，这架飞机通过21次的起飞降落和120小时的空中飞行穿越了整个美国在Solar Challenger成功以后，美国政府对AeroVironment公司进行投资用于研究可行的长航时太阳能发电驱动的高空飞 机。
在1993年，一架名叫Pathfinde的245公斤30平方米机翼面积的飞机在高空进行了测试，并在1994年成为了 NASA的环 境研究飞机传感器技术(ERAST)项目的一部分从1994年到2003年，这个项目取得了一系列的成功包括三架名叫Pathfinder Pl,uCenturion和Helios的飞机后者确定 将作为最终的包含为夜间飞行所准备的电池的“永不降落的飞机”在2001年Helios创造了一个的世界纪录达到了 29524米 的高空但是不幸的是在2003年6月26日由于结构失效它最终坠毁到了太平洋里，因而无法证明其“永不降落”在欧洲，也有许多研究HALE平台的项目，在飞机系统的DLR学会上，在1994年到1998年期间发展了 Soli tai飞机项目 [23]在2000年1月到2003年5月许多欧洲组织给Soli tai飞机项目投资，以用来学习研究可想的高空长航时太阳能无人机平 台的研究，用来实现宽带通信和地球观测—个名叫QinetiQ的英国公司在HALE平台领域也异常活跃，他们制造的名叫Zephyr的飞机在2006年7月连续飞行了 18 个小时，其中包括7个小时的夜间飞行。
它最近被选为FlemishHALE基础平台的无人机用于Mercator遥感系统的框架在Pegasus 项目该平台应该满足像森林火灾监测、城市地图，沿海监视等任务但是客观地来说，在2005年4月22 日 Helios太阳能飞机证明了不间断的无人飞行器是可以实现的AcPropulsion的总裁 和创始人Alan Cocconi的Solong飞机只依靠太阳能动力和沙漠里的上升气流飞行了 24小时11分钟飞机4.75米的翼展和11, 5公斤的重量确保其能在两个月后的6月3日实现持续48小时16分钟的不间断飞行未来证明连续飞行的梦想将会在通过载人飞行的Solar-Impuls实现，这是一个在瑞士的80米的翼展的轻量级太阳能飞机项 目在2007-2008年生产了一个60m翼展的试验机和2009-2010年最终版本的飞机之后，在每一个大陆停留的环球飞行应该会 在2011年5月实现2原理简述太阳能电池板由许多太阳能电池片通过特定的连接组成，它覆盖在飞机的机翼或者飞机的其他 表面上(如平尾，机身)白天，通过阳光和倾斜射线的照射和，电池板将光能转化成电能一个 名叫最大功率追踪器的装置保证任何时候从电池板获得最高的功率。
获得的电能首先保证动力装置 和电子系统的工作，其次将剩余的电能给电池充电在夜间，飞机仅仅依靠电池的能量来控制飞机，而没有任何来自太阳能电 池板的能量如图所示:二.概念设计理论飞机设计是一中通过纸上运算来创造一个新的飞行器的工作设计过程通常分为三个步骤或者平行的设计步骤：概念设计、 初步设计以及详细设计这种方法将重点放在概念设计，就是一般的外形和尺寸的确定一些通过空气动力学理论得到的初步设计参数和重量参数交 汇，得到一个最佳的外形可行的设计是达到一个给定的目标，但是详细的外形是没有限制的我们也将只考虑水平飞行无论是为了实现低海拔检测还是高空通信平台，一个太阳能飞机必须有能够达到在一定高度连 续飞行的能力事实上，高海拔检测作用将会极其有限，而低海拔检测没有能力覆盖足够的区域在这种情况下，能量和质量平衡就是设计的起点事实上，白天收集的来自太阳能电池板的能量必须足以驱动电动机,机载电 子设备并且能够给电池充电，而电池要提供足够从黄昏到第二天早上飞行的能量,直到第二天一个新周期开始同样，升力要平衡 飞机重量，以便维持高度这最后导致一个“母鸡和鸡蛋”的问题：所需的功耗来自不同的部分，如电机、太阳能电池板、电池等。
但同时，这些零件 确定了飞机的总重而总重又决定了飞机的所需功率这些关系将在本节说明1.辐照度模型—个好的辐照度模型取决于变量如地理位置、时间、太阳能电池板方向和反照率等我们所需要的因素［7］该模型简化为平 面通过一个正弦曲线，如图所示：乍20匚Fig. Approximation of irradiance with a sinusoid (Lausanne， June 21)最大光照度Imax和持续光照时间Tday是由不同的地点和日期决定的，这些是计算每天每平方米能量的因子，就像公式1所 显示的一样为了考虑多云天，一个介于0和1之间的常数添加到公式中I TE max day kday-density solmargin2.平飞时的功率平衡水平飞行时作用到飞机上的力为升力L和阻力D定义为D cd 2SV2CL和CD分别升力和阻力系数，P是空气密度，S是机翼面积V是飞机相对于没有风时的相对于地面的相对速度CD和CL是由翼型，攻角a雷诺数Re和马赫数Mach决定的阻力系数是由翼型的阻力系数CDa跟升力无关的寄生阻力(这里我们 忽略)和诱导阻力C Di组成C Di定义为：C 2C —Di enARe是奥斯瓦尔德因子，AR是机翼的展弦比。
根据公式2得到平飞所需功率:P J ； level C 3/2 \L4)将S用b和AR代替得到公式:P CD :level C 3/2 1L VARg 3 m 3 i b接着，为了推算出平飞所需总功率，电机、电子控制器、减速组、螺旋桨的效率都应该被考虑到，还有控制系统的功率,负载的功率也应该考虑到为了方便阅读，这些因素在这里将不再赘述，而将会在后面的图7中显示出来3.质量估计模型对于飞机的每个部件，对于计算总质量来说一个好的质量模型是必须的，并且总质量也将用于公式5中的计算简单的质量模型将不会以公式表达出来，而将会在在后文的图7中显示控制和导航系统的质量是确定的，这是一开始就定义好的电池的质量和其储存的能量成正比和平飞总功率、夜晚续航时间以及电池的能量密度成反比对于太阳能飞机来说，我们可以发现电池板铺设的区域每天所吸收的太阳光的能量与飞机一天所消耗的能量是相等的P (Tele-tot daychrg dischrgT I Tnight ) max day .k An/2 solmargin solar cells mppt得到的区域Asolar将会在后面用来推导电池板的质量，包括封装它的无反射片聚合物的己量也将被考虑进来。
—个特殊的电子设备，称为最大功率点跟踪(MPPT)器必须适应太阳能电池板的电压，以便使其能够真正发挥它的作用它的质量与电池板发电总功率成正比，而电池板总功率由电池板的铺设面积所决定，这些将在图7中显示常数kmppt是目前在研究的产品的转换效率如图3:m k P k I Amppt mppt solnax mppt max cells mppt solar55Dfi? r -i O 1 1 =——Qproducts Fitting curveI5000'-450 叶 r ■] * 厂十 1 ； 1 1 Z |4000 + 1 : < ； Msx Power = 2358'Mass35oQ ii300曾 O2500 i2WQr I1500 ii1000[- 5。