【技术实现步骤摘要】
本申请涉及飞机设计，具体涉及一种太阳能无人机设计方法。
技术介绍
1、太阳能无人机是以太阳能为唯一能量来源，通过太阳能电池将太阳能转化为电能，为机载设备与推进系统供电的新型航空器。太阳能无人机飞行高度高、续航时间长，是高空执行侦察任务的理想平台；
2、与传统的燃油动力无人机相比，太阳能无人机设计目标追求跨昼夜的能量平衡，其总体参数的确定与全机重量等因素密不可分，同时太阳能无人机的能量来源为太阳能电池的发电，其不存在因燃油不断消耗而出现的重量快速变化的问题；因此现有技术中基于飞机起飞推重比关于翼载荷的函数曲线设计无人机的方法并不适合太阳能无人机的设计。
技术实现思路
1、本申请的主要目的在于提供一种太阳能无人机设计方法，旨在解决现有技术中存在的不适用于太阳能无人机设计的缺陷。
2、本申请通过以下技术方案实现上述目的：
3、一种太阳能无人机设计方法，包括以下步骤：
4、根据太阳能无人机的重量和翼面积构建能量平衡设计可行域；
5、根据太阳能无人机的重量和翼面积构建重量平衡可行域；
6、根据太阳能无人机的重量和翼面积构建太阳能无人机在爬升率约束、稳盘过载约束、最大飞行高度约束和最大飞行速度约束下的全功率表达式；
7、根据所述太阳能无人机在爬升率约束、稳盘过载约束、最大飞行高度约束和最大飞行速度约束下的全功率表达式，在所述能量平衡设计可行域和重量平衡可行域内绘制边界曲线簇，获取太阳能无人机的设计可行域。>
8、可选的，根据太阳能无人机的重量和翼面积构建能量平衡设计可行域，包括以下步骤：
9、计算单位面积全天太阳辐照能量esc；
10、根据所述太阳辐照能量esc和翼面积计算太阳能电池板的发电量eavi,day；
11、根据太阳能无人机的重量计算太阳能无人机的白昼能耗ereq,day；
12、根据太阳能无人机的重量计算太阳能无人机的夜间能耗ereq,night；
13、根据公式eavi,day≥ereq,day+ereq,night构建太阳能无人机能量平衡设计可行域。
14、可选的，计算单位面积全天太阳辐照能量esc，包括以下步骤：
15、计算大气层外太阳辐射强度si；
16、计算太阳高度角；
17、根据所述大气层外太阳辐射强度si与所述太阳高度角计算太阳光在地球上单位面积辐射功率；
18、根据所述单位面积辐射功率计算单位面积全天太阳辐照能量esc；
19、可选的，单位面积全天太阳辐照能量esc满足其中psc表示太阳光在地球上单位面积辐射功率。
20、可选的，太阳能电池板的发电量eavi,day满足eavi,day＝escsηcoηscηmppt，其中ηco为太阳能电池铺设比例，ηsc为太阳能电池阵转化效率，ηmppt为mppt效率。
21、可选的，白昼能耗ereq,day满足其中preq,v为太阳能无人机平飞功率，cd、cl为太阳能无人机阻力系数和升力系数；
22、所述夜间能耗ereq,night满足其中ηb-m、ηb-e为储能电池至电机、储能电池至机载设备线缆传输效率，ηs-b为太阳能电池板至储能电池线缆传输效率。ηbat,out、ηbat,in为储能电池放电、充电效率。
23、可选的，重量平衡可行域的表达式为：
24、m≥mbat+msc+mmppt+mstru+mmotor+ml+mdc+mpay+mele，其中m表示无人机总重，mbat为储能电池重量、msc为太阳能电池板重量、mmppt为mppt重量、mstru为结构重量、mmotor为电机重量、ml为线缆重量、mdc为dc-dc重量、mpay为任务载荷重量与mele为机载设备重量。
25、可选的，储能电池重量ρbat为储能电池能量密度；太阳能电池板重量msc＝sηcoρsc，ρsc为太阳能电池阵面密度；mppt重量的表达式为ps,max为太阳一日内最大辐照度，ρmppt为mppt功重比；结构重量mstru＝ρws，ρw为太阳能无人机全机结构面密度；电机重量kmotor为电机过载系数，ρmotor为电机功重比；线缆重量kl为线缆重量系数，ar为机翼展弦比；dc-dc重量ρdc为dc-dc降压器功重比。
26、可选的，构建太阳能无人机在爬升率约束、稳盘过载约束、最大飞行高度约束和最大飞行速度约束下的全功率表达式，包括以下步骤：
27、根据太阳能无人机的重量和翼面积建立太阳能无人机的全机功率表达式；
28、设定太阳能无人机爬升率约束初值，根据所述全机功率表达式获取爬升率约束的全功率表达式；
29、设定太阳能无人机稳盘过载约束初值，根据所述全机功率表达式获取稳盘过载约束下全功率表达式；
30、设定太阳能无人机最大飞行高度约束初值，根据所述全机功率表达式获取最大飞行高度约束下全功率表达式；
31、设定太阳能无人机最大飞行速度约束初值，根据所述全机功率表达式获取最大飞行速度约束下全功率表达式。
32、可选的，太阳能无人机的全机功率表达式为：
33、其中ps,av为白昼太阳平均辐射强度，满足为太阳能电池铺设比例，ηsc为太阳能电池阵转化效率，ηmppt为mppt效率，ηmotor为电机效率，ηprop为螺旋桨效率，ηs-m为太阳能电池阵至电机线缆传输效率，q为飞行动压，s为机翼面积，k1、k2、cd0为阻力极曲线方程中的二次项系数与一次项系数以及零升阻力系数，为飞机爬升率，n为飞机过载系数，preq,pay、preq,ele分别为任务载荷功耗与机载电子设备功耗，ηdc为dc-dc效率，ηs-e为太阳能电池阵至机载设备线缆传输效率。
34、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
35、本申请首先根据太阳能无人机的重量和翼面积构建太阳能无人机的能量平衡设计可行域和重量平衡可行域，随后根据太阳能无人机的重量和翼面积构建太阳能无人机在爬升率约束、稳盘过载约束、最大飞行高度约束和最大飞行速度约束下的全功率表达式，最后将上述关系式构成的公共区域作为太阳能无人机的设计可行域；
36、在本申请所述技术方案中，设计可行域是基于太阳能无人机的重量与翼面积构建，同时各个约束条件也是根据太阳能无人机的重量和翼面积构建，因此整个设计可行域也是基于太阳能无人机的重量和翼面积构建，即与现有技术相比，本申请不再基于推重比与翼载荷关联的传统设计思路，通过关联太阳能无人机的重量和翼面积进行设计能够快速得到满足设计要求的太阳能无人机全机重量、翼面积、分系统重量等总体参数，进而指导工程师高效便捷的开展该类型无人机方案设计工作；
37、其次，基于能量平衡与重量平衡开展多重设计约束分析，模型涵盖的设计约束更加全面、细致，设计可行域寻解范围更小，能够使设计人员可以在更优区域内选取满足本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述根据太阳能无人机的重量和翼面积构建能量平衡设计可行域，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述计算单位面积全天太阳辐照能量Esc，包括以下步骤：
4.根据权利要求2或3所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述单位面积全天太阳辐照能量Esc满足其中Psc表示太阳光在地球上单位面积辐射功率。
5.根据权利要求2所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述太阳能电池板的发电量Eavi,day满足Eavi,day＝EscSηcoηscηMPPT，其中ηco为太阳能电池铺设比例，ηsc为太阳能电池阵转化效率，ηMPPT为MPPT效率。
6.根据权利要求2所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述白昼能耗Ereq,day满足其中Preq,V为太阳能无人机平飞功率，CD、CL为太阳能无人机阻力系数和升力系数；
7.根据权利要求1所述的一种太阳
8.根据权利要求7所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述储能电池重量ρbat为储能电池能量密度；太阳能电池板重量msc＝Sηcoρsc，ρsc为太阳能电池阵面密度；MPPT重量的表达式为Ps,max为太阳一日内最大辐照度，ρMPPT为MPPT功重比；结构重量mstru＝ρwS，ρw为太阳能无人机全机结构面密度；电机重量kmotor为电机过载系数，ρmotor为电机功重比；线缆重量kl为线缆重量系数，AR为机翼展弦比；DC-DC重量ρDC为DC-DC降压器功重比。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述构建太阳能无人机在爬升率约束、稳盘过载约束、最大飞行高度约束和最大飞行速度约束下的全功率表达式，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述太阳能无人机的全机功率表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述根据太阳能无人机的重量和翼面积构建能量平衡设计可行域，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述计算单位面积全天太阳辐照能量esc，包括以下步骤：
4.根据权利要求2或3所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述单位面积全天太阳辐照能量esc满足其中psc表示太阳光在地球上单位面积辐射功率。
5.根据权利要求2所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述太阳能电池板的发电量eavi,day满足eavi,day＝escsηcoηscηmppt，其中ηco为太阳能电池铺设比例，ηsc为太阳能电池阵转化效率，ηmppt为mppt效率。
6.根据权利要求2所述的一种太阳能无人机设计方法，其特征在于，所述白昼能耗ereq,day满足其中preq,v为太阳能无人机平飞功率，cd、cl为太阳能无...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宁，杨焱涵，肖良华，李冠雄，张斌，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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