一种减小太阳能无人机重量和尺寸的日间爬升飞行方法与流程

本发明属于飞行器设计领域，涉及太阳能无人机的方案设计，具体是一种能够减轻太阳能无人机设计重量、减小其设计尺寸、提高方案可行性的日间爬升飞行策略。

背景技术：

太阳能无人机是一种利用太阳光辐射能作为推进能源的无人驾驶飞行器。在白天，依靠机翼和尾翼表面铺设的光伏电池将太阳能转化为电能，维持动力系统、航电设备及有效载荷的运行，同时利用剩余能量为机载二次电源充电；在夜间，利用二次电源中存储的能量维持整个无人机的正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间的需求，则太阳能无人机理论上可以实现永久空中飞行。太阳能无人机无需携带任何燃料，飞行高度高，巡航时间长，覆盖区域广，可以执行多种任务，拥有常规飞行器不可替代的优点，应用前景非常广阔。

从应用价值角度来看，太阳能无人机的巡航高度越高越有利。军事方面，增加飞行高度能够扩大覆盖范围、提高生存能力；民用方面，对于遥感探测和通讯中继，提高飞行高度可以增加传输作用距离。而从方案可行性角度来看，飞行高度越高，空气密度越小(特别是在临近空间，空气非常稀薄)，克服重力需要的平飞速度越大，无人机飞行需用功率也越大；另一方面，空气密度越小，雷诺数越低，升阻比也越小，进一步增大了需用功率。两方面的作用限制了太阳能无人机的飞行高度。为提供足够的太阳能，太阳能无人机的尺寸一般较大，以提供足够的铺片面积。

高空长航时太阳能无人机目前仍处于飞行演示验证阶段，其中最主要的制约因素是能源动力系统。在现有技术水平下，二次电源系统能量密度较低，满足夜间飞行的需要的二次电源重量较大，占到全机重量的35％以上，严重地限制了太阳能无人机载荷能力的拓展与飞行性能的提高。而二次电源能量密度的提高需要耗费大量的人力、财力及时间，短期内难以取得大的质的突破。

技术实现要素：

本发明的目的是在满足使用要求的前提下，在相同的能源动力系统技术水平下，通过采用正午之后爬升再下降的飞行策略，减小对二次电源的能量需求，代替部分二次电源的重量，从而减小太阳能无人机的设计重量和尺寸，提高方案可行性。

本发明提供了一种减小太阳能无人机设计重量和尺寸的日落前爬升再下降的飞行方法，以24小时为一个周期，采用“低限巡航—充分爬升—缓慢下降—低限巡航”的飞行方式。具体是：在日出时刻t1至二次电源充满电时刻，太阳能无人机在正常巡航高度定高巡航；自二次电源充满电时刻开始，无人机充分利用剩余太阳能爬升飞行，将太阳能以高度的形式存储；在爬升至指定高度后开始带动力下降，此时二次电源不工作；在太阳能不足以维持机载设备和任务载荷的功率需求的时刻，二次电源开始参与供电，此时无人机开始无动力下滑，直至下滑到正常巡航高度。在正常巡航高度利用二次电源提供的能量定高越夜巡航至次日日出时刻，一天的循环周期结束，进入下一个循环。其中，正常巡航高度是飞行任务规定的最低巡航高度。

本发明的优势和特点在于：

1、在保证越夜巡航高度前提下，减小了太阳能无人机的设计重量和尺寸。日落前爬升再下降的飞行策略可有效减小太阳能无人机二次电源的工作时间，在相同储能密度的条件下减小了需要携带二次电源的重量，直接减小了太阳能无人机的总重量；同时每个昼夜循环所需要的总能量减小，在相同太阳能电池转换效率的条件下，减小了需用太阳能电池板的面积，进而减小了太阳能无人机的机翼面积和翼展。太阳能无人机尺寸巨大，一般实用的太阳能无人机的展长达数十米，导致其结构强度低、实现难度大、抗风能力弱、制造难度大、成本高。减小太阳能无人机的设计重量和尺寸对于降低太阳能无人机的生产制造难度和成本，提高其抗风能力与结构强度有重大意义。

2、在保证整个使用周期内任务载荷功率提取的前提下，降低了太阳能无人机对能源系统技术水平的依赖程度。太阳能无人机的重量和尺寸对能源系统技术水平敏感度较高，特别是对二次电源的能量密度敏感度极高。二次电源能量密度较低是目前发展太阳能无人机的短板，较低的能量密度会导致方案尺寸较大，甚至会导致能源方案无法闭环，以致整个无人机系统不可行。日落前爬升再下降的飞行策略可以在相同能源系统技术水平下减小太阳能无人机的设计重量和尺寸，无需付出其他代价。日落前爬升再下降的飞行策略节约的重量与能量还可以用于载荷拓展，提高太阳能无人机的载荷能力。

附图说明

图1是太阳能无人机的功率谱；

图2是太阳能无人机飞行高度与时刻关系曲线；

图3是二次电源中存储的能量与时刻的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施案例对本发明作进一步的详细说明。

结合图1至图3说明本发明的实施方式。如图1所示，t1时刻为日出时刻，随一年中的日子数而不同。t2时刻，太阳能电池阵的输出功率恰好能够维持正常巡航飞行和其他功率提取的需求。t1至t2时间段，太阳能电池不足以维持无人机系统的功率需求，由二次电源和太阳能电池阵联合供电。t2至t4时间段，在保证推进功率、机载设备及任务载荷功率提取的基础上为二次电源充电，直至t4时刻，二次电源充满，如图3所示。t1至t4时间段，太阳能无人机在正常巡航高度H1定高巡航，高度H1是执行任务所允许的最低飞行高度。

如图2所示，从t4时刻开始，太阳能无人机利用剩余太阳能爬升，爬升率逐渐减小，直至t5时刻，无人机爬升到H2高度，剩余爬升率为0。如图3所示，这一过程中二次电源不工作，以高度的形式存储太阳能。所述的剩余太阳能是指在二次电源满电的情况下，太阳能电池阵能够提供的所有能量，除了固定设备和载荷的功率提取，都用来爬升飞行，即以位能形式存储太阳能。

从t5时刻开始，太阳能无人机开始带动力下降，直至t6时刻到达H3高度，如图2所示。这一过程中，太阳能电池在满足机载设备和任务载荷功率提取的基础上为推进系统供电，二次电源不工作，随着太阳能电池阵可用功率的减小，无人机可用于飞行的功率逐渐减小，下降速率逐渐增大。所述t6时刻是太阳能电池阵输出功率恰好可以维持机载设备和任务载荷的功率需求的时刻。

从t6时刻开始，太阳能不足以维持机载设备和任务载荷的功率需求，二次电源开始参与供电，此时太阳能无人机转入无动力下滑，推进系统处于慢车状态。直至t7时刻，无人机下降到正常巡航高度H1。在t5至t7这一时间段内，太阳能无人机利用重力克服阻力，总需求功率较低，实现了位能的利用。

自t7时刻以后，太阳能无人机在正常巡航高度H1定高巡航，利用二次电源中的能量维持夜间飞行和其他功率需求，直至次日日出时刻t1＇，一天的循环周期结束，进入下一个循环。

实施例：

设计要求：飞行时间在春分至秋分之间，飞行纬度北纬35°，最低巡航高度18km，任务载荷功率2kw，载荷重量100kg，巡航升阻比30。

对于在18km定高巡航的太阳能无人机，为满足上述设计要求，需要机翼面积344㎡，展长101.6m，总重2030kg，其中二次电源重量854kg。在相同的设计输入下，定高巡航高度越高，需要的无人机尺寸和重量都更大，以19km定高巡航为例，太阳能无人机需要的机翼面积为474㎡，展长119.2m，总重2711kg，其中二次电源重量1176kg。

而采用本发明所述的日落前爬升再下降的飞行策略：夜间在18km巡航，下午开始爬升至24km，而后开始下降，于日落之后下降至18km，循环往复，太阳能无人机需要的机翼面积为307㎡，展长96.0m，总重1714kg，其中二次电源658kg。相比于18km定高巡航，本发明所述的飞行策略能够使设计机翼面积和翼展分别减小10.7％和5.5％，使设计总重和二次电源重量分别减小15.6％和23.0％。

以上案例说明太阳能无人机采用本发明所述的飞行策略能够有效减小设计重量和尺寸，提高方案可行性。

具体实施过程：

从日出时刻6:00至下午14:15，太阳能无人机在正常巡航高度18km定高巡航。其中6:00至7:06时间段，太阳能电池不足以维持无人机系统的功率需求，由二次电源和太阳能电池联合供电。7:06至14:15时间段，在保证推进功率、机载设备及任务载荷功率提取的基础上为二次电源充电，直至14:15时刻，二次电源充满。

从14:15时刻开始，太阳能无人机利用剩余太阳能爬升，爬升率逐渐减小，直至16:17时刻，无人机爬升到24km高度，剩余爬升率为0m/s，历经2.02h。这一过程中二次电源不工作，以高度的形式存储太阳能。

从16:17时刻开始，太阳能无人机开始带动力下降，下降速率逐渐增大，直至17:50到达20.7km高度，历经1.55h。这一过程中，太阳能电池在满足机载设备和任务载荷功率提取的基础上为推进系统供电，二次电源不工作。

从17:50时刻开始，太阳能不足以维持机载设备和任务载荷的功率需求，二次电源开始参与供电，此时太阳能无人机开始无动力下滑，推进系统处于慢车状态。直至18:33时刻，无人机下降到正常巡航高度18km，历经0.71h。在16:17至18:33这段时间内，太阳能无人机利用重力克服阻力，需用功率较小，实现了位能的利用。

自18:33时刻以后，太阳能无人机在正常巡航高度18km定高巡航，利用二次电源中的能量维持夜间飞行和其他功率需求，直至次日日出时刻，一天的循环周期结束，进入下一个循环。