本書基于作者多年來(lái)在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究理論和研究成果，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)撰寫而成。書中系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外典型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研發(fā)歷程和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，全面闡述了高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，包括其總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、能量管理、柔性機(jī)翼動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)完整，有助于讀者增進(jìn)對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的認(rèn)識(shí)和了解，并形成一定的總體設(shè)計(jì)能力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。
本書可供從事太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的科研人員、工程技術(shù)人員使用，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。
系統(tǒng)闡述高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)、能源管理與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。
前言
實(shí)現(xiàn)不間斷飛行是航空人永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)之一。隨著航空科學(xué)技術(shù)和新能源技術(shù)的發(fā)展及兩者的有機(jī)結(jié)合，由太陽(yáng)能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的飛行器孕育而生，而且呈現(xiàn)出很好的發(fā)展勢(shì)頭。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)以太陽(yáng)輻射為主要驅(qū)動(dòng)能源，能夠長(zhǎng)時(shí)間飛行，便于執(zhí)行偵察監(jiān)視等任務(wù)。高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)通常飛行在20km高的臨近空間中，能夠充分利用太陽(yáng)能，并減小大氣流動(dòng)的不利影響，其續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行高度高、使用靈活且不產(chǎn)生環(huán)境污染，在民用和軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)存在多設(shè)計(jì)要素高度耦合的特征，低速低密度飛行條件使其具有明顯的低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性，柔性超大展弦比機(jī)翼帶來(lái)了復(fù)雜的氣動(dòng)彈性問(wèn)題，低翼載荷特性與較大的風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)增加了控制難度，這給其設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。因此本書對(duì)高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了研究，系統(tǒng)全面地論述了高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)面臨的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及柔性機(jī)翼動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題，可作為從事太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的研究人員重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向的參考，以及研究創(chuàng)新總體設(shè)計(jì)技術(shù)的支撐。
本書主體是作者基于高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究成果創(chuàng)作而成的。
本書主要分為6章：第1章緒論，指明了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)存在的廣闊應(yīng)用前景，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展歷程的梳理歸納，提出了高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，為后面5章的研究提供了背景和問(wèn)題來(lái)源。第2章光伏組件面功率特性與太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源管理，本章基于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)所處的能源環(huán)境，分析了其中關(guān)鍵的光伏組件隨時(shí)間、季節(jié)、緯度變化的面功率特性，提出了一種主動(dòng)式的光伏組件概念；基于熱特性分析方法，分析了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的熱特性，并提出了針對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的熱管理部件設(shè)計(jì)方法和綜合熱管理策略。第3章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行原理與總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法，本章基于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的質(zhì)量平衡和能量平衡飛行原理，采用靈敏度分析方法分析了各總體參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可持續(xù)高度的影響及約束程度；在布局與能源綜合設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，建立了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法，給出了低緯度地區(qū)和中緯度地區(qū)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例，并通過(guò)能量性能分析驗(yàn)證了方法的有效性。第4章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本章首先梳理總結(jié)了典型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，而后針對(duì)典型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)常采用的圓管梁、箱形梁、桁架梁，采用理論分析和有限元仿真方法對(duì)典型結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)主梁方案的快速設(shè)計(jì)流程，后針對(duì)某太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)復(fù)合材料圓管梁的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究。第5章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)與風(fēng)場(chǎng)建模方法，本章從幾種簡(jiǎn)單的氣動(dòng)力模型和結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，通過(guò)耦合剛體動(dòng)力學(xué)，建立了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的剛彈耦合動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)具有顯著影響的低高空飛行環(huán)境問(wèn)題開(kāi)展了風(fēng)場(chǎng)建模研究。第6章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性問(wèn)題研究，首先基于機(jī)翼帆尾布局形式，研究了點(diǎn)質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)柔度等結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能的影響；之后針對(duì)大展弦比柔性機(jī)翼模型開(kāi)展了顫振穩(wěn)定性問(wèn)題的研究；隨后基于飛翼式布局的柔性無(wú)人機(jī)模型開(kāi)展了顫振穩(wěn)定性與陣風(fēng)響應(yīng)特性的研究。后以附錄形式介紹了太陽(yáng)神原理驗(yàn)證機(jī)事故調(diào)查報(bào)告概述，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。該調(diào)查報(bào)告回顧了太陽(yáng)神太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)研發(fā)試飛中的構(gòu)型發(fā)展歷程和事故發(fā)生前后的事件記錄，通過(guò)一些獨(dú)立性的分析測(cè)試調(diào)查了導(dǎo)致事故的直接原因和根本原因等，并總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可供相關(guān)人員學(xué)習(xí)借鑒。
本書每一章既自成體系，又統(tǒng)一于高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)的主題，
旨在幫助讀者了解高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并形成一定的高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)能力。
本書可供飛行器設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)研究人員使用，也可作為高等院校航空專業(yè)的本科生、研究生和航空愛(ài)好者的學(xué)習(xí)參考書。
昌敏完成了本書的策劃與統(tǒng)稿，并與汪輝、金朋完成了本書的主要撰寫工作。各章的分工：第1章：昌敏、白俊強(qiáng)，第2章：汪輝、周洲、毛昭勇，第3章：昌敏、周洲，第4章：金朋，第5章：唐矗、白俊強(qiáng)，第6章：昌敏、張忻，附錄：昌敏。在大家的共同努力下，本書才能順利出版，在此致以誠(chéng)摯的感謝！
由于作者水平有限，書中難免存在不足之處，請(qǐng)廣大讀者及時(shí)予以指正。
目錄
序
前言
第1章緒論
1.1高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)應(yīng)用背景與研究意義
1.2太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)國(guó)內(nèi)外研究
1.2.1美國(guó)Solong小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.2瑞士Atlantik Solar小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.3美國(guó)Pathfinder系列高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.4美國(guó)HAWK30高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.5瑞士Solar Impulse太陽(yáng)能載人飛機(jī)與Skydweller高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.6英國(guó)Zephyr高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.7美國(guó)Vulture計(jì)劃高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.2.8中國(guó)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
1.3高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
1.3.1以能量為中心的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法
1.3.2高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)高效氣動(dòng)與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.3.3太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源管理與熱管理研究
1.3.4太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性建模方法及動(dòng)力學(xué)分析
參考文獻(xiàn)
第2章光伏組件面功率特性與太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源管理
2.1太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源環(huán)境分析
2.1.1太陽(yáng)輻射特性
2.1.2太陽(yáng)與地平面相對(duì)位置的變化規(guī)律
2.1.3太陽(yáng)總輻照度的變化規(guī)律
2.2高空環(huán)境下的光伏組件面功率模型
2.2.1太陽(yáng)光線在光伏組件表面的入射角余弦值
2.2.2光伏組件的表面溫度特性
2.2.3面功率模型
2.3光伏組件的面功率特性分析
2.3.1機(jī)翼上表面的光伏組件面功率特性
2.3.2僅水平翼面鋪設(shè)光伏組件的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的可持續(xù)高度、緯度特性
2.3.3主動(dòng)式光伏組件面功率特性
2.4太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的熱特性及能源管理問(wèn)題
2.4.1熱特性分析方法
2.4.2三維熱環(huán)境仿真模型及分析結(jié)果
2.4.3熱管理部件設(shè)計(jì)
2.4.4綜合熱管理策略
參考文獻(xiàn)
第3章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行原理與總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法
3.1太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的能量平衡飛行原理
3.2基于能量平衡的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可持續(xù)高度分析
3.2.1翼載荷及各部件面密度特性
3.2.2各總體參數(shù)對(duì)可持續(xù)高度的影響
3.3太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法
3.3.1機(jī)翼帆尾布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)構(gòu)型描述
3.3.2高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)各部件質(zhì)量組成
3.3.3質(zhì)量平衡與能量平衡下的總體參數(shù)關(guān)聯(lián)
3.3.4總體參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程
3.4高空駐留太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體布局參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例
3.4.1低緯度地區(qū)
3.4.2中緯度地區(qū)
參考文獻(xiàn)
第4章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1典型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)概述
4.1.1美國(guó)航境公司系列
4.1.2英國(guó)Zephyr太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
4.1.3瑞士陽(yáng)光動(dòng)力太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
4.1.4美國(guó)奧德修斯太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)
4.1.5結(jié)構(gòu)形式總結(jié)
4.2太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)典型結(jié)構(gòu)方案分析
4.2.1工字梁、圓管梁和箱形梁剛強(qiáng)度理論分析
4.2.2工字梁、圓管梁和箱形梁剛強(qiáng)度對(duì)比分析
4.2.3太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)機(jī)翼主梁方案快速設(shè)計(jì)流程
4.2.4復(fù)合材料桁架梁結(jié)構(gòu)分析方法
4.3考慮纖維連續(xù)性的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)復(fù)合材料圓管梁鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
4.3.1復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)及纖維連續(xù)性模型
4.3.2主從式并行遺傳算法
4.3.3優(yōu)化程序與Nastran信息交互
4.3.4太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
4.3.5機(jī)翼有限元模型
4.3.6圓管梁優(yōu)化模型
4.3.7圓管梁優(yōu)化結(jié)果及分析
4.3.8小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)與風(fēng)場(chǎng)建模方法
5.1非定常氣動(dòng)力模型
5.1.1Theodorsen理論
5.1.2有限狀態(tài)理論
5.1.3ONEAR失速氣動(dòng)力模型
5.1.4偶極子網(wǎng)格法
5.1.5非定常渦格法
5.1.6氣動(dòng)模型對(duì)比算例
5.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型
5.2.1線性等效梁模型
5.2.2幾何非線性梁模型
5.2.3結(jié)構(gòu)模型對(duì)比算例
5.3剛彈耦合建模方法
5.3.1平均軸系法
5.3.2準(zhǔn)坐標(biāo)系法
5.4復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)建模方法
5.4.1低空飛行環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬
5.4.2高空飛行氣象條件模擬
5.4.3風(fēng)切變對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響
參考文獻(xiàn)
第6章太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性問(wèn)題研究
6.1結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能影響研究
6.1.1機(jī)翼帆尾太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體參數(shù)
6.1.2結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)靜力學(xué)特性影響研究
6.1.3結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)特性影響研究
6.2大展弦比柔性機(jī)翼的顫振穩(wěn)定性問(wèn)題研究
6.2.1柔性機(jī)翼模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
6.2.2經(jīng)典顫振特性分析
6.2.3失速顫振特性分析
6.3飛翼無(wú)人機(jī)顫振穩(wěn)定性與陣風(fēng)響應(yīng)特性研究
6.3.1飛翼無(wú)人機(jī)模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
6.3.2體自由度顫振特性分析
6.3.3陣風(fēng)響應(yīng)時(shí)域特性分析
6.3.4陣風(fēng)響應(yīng)頻域特性分析
參考文獻(xiàn)
附錄太陽(yáng)神太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行事故調(diào)查報(bào)告概述
1.墜機(jī)事件始末
1.1起飛前
1.2起飛
1.3墜機(jī)
1.4小結(jié)
2.分系統(tǒng)分析和測(cè)試
2.1結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)
2.2動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)
2.3結(jié)構(gòu)完整性分析
2.4氣象分析
3.直接原因、根本原因、促成因素和建議
參考文獻(xiàn)
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