一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法与流程

1.本发明涉及无人机总体设计技术领域，尤其涉及一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法。


背景技术：

2.太阳能无人机作为临近空间低动态飞行器的重要组成部分，具有飞行高度高、续航时间长、相比卫星机动性好、使用维护简便和综合效费比高等特点，具备“伪卫星”的应用特征，通过模块化换装载荷，可在通信中继、遥感监视、技术侦察、气象探测等领域发挥重要作用，具有广阔的市场需求。
3.相比传统以活塞发动机、涡扇发动机、涡喷发动机等为动力的无人机来说，高空长航时太阳能无人机为典型的全电推进系统驱动无人机，其在白天通过从外界自主吸收太阳能进行爬升而提高重力势能，到达既定高度后以较小功率进行高空巡航并将富余能量传递给储能电池进行存储，夜晚由于无太阳能进行能量补充而依靠储能电池存储的电量并通过降高释放重力势能的方式来维持飞行而度过整个夜晚。这一过程涉及到典型的能量采集和能量消耗问题，与无人机飞行高度、飞行航时等性能等密切相关。由于传统的无人机不涉及到如此严苛的能量收支平衡问题，所用的成熟化设计方法不完全适用于太阳能无人机，而国内外现有的太阳能无人机大多处于科研试飞阶段，可供参考的资料不多，尚无统一规范的总体参数设计工程计算方法，且部分理论研究常需要较为详细的分系统参数，而这些参数在工程样机研制初期又无法有效提供，降低了设计迭代效率，影响了系统指标闭合性和分系统指标的分解，增加了产品研制周期与成本。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，能够解决现有技术中太阳能无人机研制初期难以计算飞行性能从而无法指导总体参数设计的技术问题。
5.根据本发明的一方面，提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，方法包括：
6.确定太阳能无人机的总体参数，并且根据飞行任务信息确定总体参数的初设值；
7.确定飞行性能仿真分析的时间步长和每个时刻对应的爬升率，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值；
8.判断飞行性能参数的初始值是否满足总体性能设计要求，如果是，则将总体参数的初设值作为总体参数的最终优化结果，如果否，则对总体参数的初设值进行优化调整直到获得满足总体性能设计要求的飞行性能参数的优化值以及对应的总体参数的优化值，并将总体参数的优化值作为总体参数的最终优化结果。
9.进一步地，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性
能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值包括：
10.根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率以及太阳能无人机在每个时刻的全机能耗；
11.根据储能电池的初始电量、全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率以及太阳能无人机在每个时刻的全机能耗获取储能电池在每个时刻的剩余电量；
12.将储能电池在每个时刻的剩余电量与预设最低电量进行比较，并且在剩余电量低于预设最低电量时停止仿真，将此刻得到的飞行性能参数的值作为飞行性能参数的初始值。
13.进一步地，总体参数包括全机重量、全机参考面积、全机航电系统功耗、全机航电系统损失效率、全机高低空升阻比、全机高低空升力系数、全机太阳能电池板有效敷设面积、全机太阳能电池板转换效率和全机动力系统综合效率。
14.进一步地，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率包括：
15.根据飞行任务信息、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳高度角的正弦值；
16.根据初始大气温度、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度；
17.根据全机太阳能电池板的温度系数、每个时刻的环境温度和全机太阳能电池板转换效率的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的转换效率；
18.根据每个时刻的太阳高度角的正弦值、每个时刻的转换效率、飞行任务信息、时间步长、每个时刻对应的爬升率以及全机太阳能电池板有效敷设面积的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率。
19.进一步地，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取太阳能无人机在每个时刻的全机能耗包括：
20.根据飞行任务信息、时间步长和爬升率计算太阳能无人机在每个时刻的大气密度；
21.根据每个时刻的大气密度、时间步长、爬升率、全机重量的初设值、全机参考面积的初设值、全机高低空升力系数的初设值以及全机高低空升阻比的初设值计算每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度；
22.根据每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度计算太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗；
23.根据太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗、全机航电系统功耗的初设值、全机航电系统损失效率的初设值和全机动力系统综合效率的初设值计算太阳能无人机在每个时刻的全机能耗。
24.进一步地，根据初始大气温度、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度包括：
25.根据飞行任务信息、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度；
26.根据初始大气温度和太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度。
27.进一步地，通过下式根据初始大气温度和太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度：
[0028][0029]
上式中，th表示海拔高度h处的环境温度，t0表示初始大气温度，h表示海拔高度。
[0030]
进一步地，通过下式根据全机太阳能电池板的温度系数、每个时刻的环境温度和全机太阳能电池板转换效率的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的转换效率：
[0031]
η
cell_h
＝((25-th)*λ
cell
+1)*η
cell
，
[0032]
上式中，η
cell_h
表示全机太阳能电池板在海拔高度h处的转换效率，η
cell
表示全机太阳能电池板转换效率的初设值，λ
cell
表示全机太阳能电池板的温度系数。
[0033]
进一步地，通过下式根据每个时刻的大气密度、时间步长、爬升率、全机重量的初设值、全机参考面积的初设值、全机高低空升力系数的初设值以及全机高低空升阻比的初设值计算每个时刻的全机需用推力：
[0034][0035]
上式中，f表示当前时刻的全机需用推力，m
uav
表示全机重量的初设值，g为重力常数，ρ表示当前时刻的大气密度，s
uav
表示全机参考面积的初设值，c
l
表示当前时刻的升力系数，k表示当前时刻的升阻比，vc表示爬升率。
[0036]
进一步地，飞行性能参数包括飞行高度和飞行航时。
[0037]
应用本发明的技术方案，提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，该方法通过飞行性能仿真方法获取总体参数对应的飞行性能参数，以飞行性能参数的值满足总体性能设计要求为目标对总体参数进行优化调整，能够得到满足总体设计要求的总体参数的值。该方法不需要分系统的参数，可在样机研制初期快速、方便、灵活、较为准确地根据总体参数的值对太阳能无人机的飞行性能进行分析，在不满足指标闭合的情况下方便对总体参数进行迭代优化，能够从顶层角度保证系统指标的合理可靠，为总体和分系统指标设计的闭合性提供支撑，在满足精度要求的情况下大大减少了计算量，实用性强，可操作性强，可有效用于工程研制的总体设计中。与现有技术相比，本发明的技术方案解决了现有技术中太阳能无人机研制初期难以计算飞行性能从而无法指导总体参数设计的技术问题。
附图说明
[0038]
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于飞行性能的太阳能无人机总体参
数设计方法的流程示意图；
[0040]
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的飞行性能仿真流程示意图；
[0041]
图3示出了本发明的具体实施例提供的基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法中的飞行性能仿真分析结果。
具体实施方式
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0044]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0045]
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，方法包括：
[0046]
s1，确定太阳能无人机的总体参数，并且根据飞行任务信息确定总体参数的初设值；
[0047]
s2，确定飞行性能仿真分析的时间步长和每个时刻对应的爬升率，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值；
[0048]
s3，判断飞行性能参数的初始值是否满足总体性能设计要求，如果是，则将总体参数的初设值作为总体参数的最终优化结果，如果否，则对总体参数的初设值进行优化调整直到获得满足总体性能设计要求的飞行性能参数的优化值以及对应的总体参数的优化值，并将总体参数的优化值作为总体参数的最终优化结果。
[0049]
本发明中，飞行任务信息包括飞行海拔范围、地纬度、飞行航时、载重能力、飞行日期等内容。总体参数包括全机重量、全机参考面积、全机航电系统功耗、全机航电系统损失效率、全机高低空升阻比、全机高低空升力系数、全机太阳能电池板有效敷设面积、全机太阳能电池板转换效率和全机动力系统综合效率。其中，全机太阳能电池板转换效率的初设
值通常为am1.5工况下的值，am1.5工况表示太阳能电池板在标定温度25℃、太阳辐照强度1000w/
㎡
时的工况。全机航电系统功耗和全机航电系统损失效率均是指包含任务载荷在内的全机航电系统功耗和全机航电系统损失效率。
[0050]
应用此种配置方式，提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，该方法通过飞行性能仿真方法获取总体参数对应的飞行性能参数，以飞行性能参数的值满足总体性能设计要求为目标对总体参数进行优化调整，能够得到满足总体设计要求的总体参数的值。该方法不需要分系统的参数，可在样机研制初期快速、方便、灵活、较为准确地根据总体参数的值对太阳能无人机的飞行性能进行分析，在不满足指标闭合的情况下方便对总体参数进行迭代优化，能够从顶层角度保证系统指标的合理可靠，为总体和分系统指标设计的闭合性提供支撑，在满足精度要求的情况下大大减少了计算量，实用性强，可操作性强，可有效用于工程研制的总体设计中。与现有技术相比，本发明的技术方案解决了现有技术中太阳能无人机研制初期难以计算飞行性能从而无法指导总体参数设计的技术问题。
[0051]
进一步地，在本发明一实施例中，从太阳能无人机能量收支平衡的角度设计仿真方法，进行飞行性能仿真，从而获取飞行性能参数的值，具体流程请参考图2。即根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值包括：
[0052]
根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率以及太阳能无人机在每个时刻的全机能耗；
[0053]
根据储能电池的初始电量、全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率以及太阳能无人机在每个时刻的全机能耗获取储能电池在每个时刻的剩余电量；
[0054]
将储能电池在每个时刻的剩余电量与预设最低电量进行比较，并且在剩余电量低于预设最低电量时停止仿真，将此刻得到的飞行性能参数的值作为飞行性能参数的初始值。
[0055]
通过此种配置方式，解决了太阳能无人机工程研制初期难以有效评估其飞行性能的问题，从而能够结合飞行性能对总体参数进行协同设计，有利于总体设计和分系统设计的指标闭合，大大提高设计效率。
[0056]
本发明一实施例中，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率包括：
[0057]
根据飞行任务信息、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳高度角的正弦值；
[0058]
根据初始大气温度、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度；
[0059]
根据全机太阳能电池板的温度系数、每个时刻的环境温度和全机太阳能电池板转换效率的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的转换效率；
[0060]
根据每个时刻的太阳高度角的正弦值、每个时刻的转换效率、飞行任务信息、时间步长、每个时刻对应的爬升率以及全机太阳能电池板有效敷设面积的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率。
[0061]
其中，根据海拔高度范围、时间步长和每个时刻的爬升率能够得到太阳能无人机在每个时刻的海拔高度，进一步根据地纬度，海拔高度，飞行日期、飞行时刻，能够求解得到太阳时角和赤纬角，进而计算得到太阳高度角的正弦值，具体公式如下：
[0062]
ω＝(t-12)*15，
[0063][0064]
sin(h)＝sin(δ)sin(γ)+cos(δ)cos(ω)cos(γ)，
[0065]
上式中，ω表示太阳时角，δ表示赤纬角，γ表示地纬度，h表示海拔高度，nd表示飞行日期，t表示飞行时刻，h表示太阳高度角，sin(h)表示太阳高度角的正弦值。
[0066]
此外，根据初始大气温度、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度包括：根据飞行任务信息、时间步长和每个时刻对应的爬升率计算太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度；根据初始大气温度和太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度。
[0067]
在此温度环境的计算步骤中，计算每个时刻海拔高度的方法请参考前述计算太阳高度角的正弦值中的相关描述，具体地，通过下式根据初始大气温度和太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度：
[0068][0069]
上式中，th表示海拔高度h处的环境温度，t0表示初始大气温度，h表示海拔高度。初始温度t0根据实际情况确定，例如取15℃。
[0070]
另外，可以通过下式根据全机太阳能电池板的温度系数、每个时刻的环境温度和全机太阳能电池板转换效率的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的转换效率：
[0071]
η
cell_h
＝((25-th)*λ
cell
+1)*η
cell
，
[0072]
上式中，η
cell_h
表示全机太阳能电池板在海拔高度h处的转换效率，η
cell
表示全机太阳能电池板转换效率的初设值，λ
cell
表示全机太阳能电池板的温度系数。
[0073]
至此，基于太阳能辐照强度多项式拟合模型能即可根据每个时刻的太阳高度角的正弦值、每个时刻的转换效率、飞行任务信息、时间步长、每个时刻对应的爬升率以及全机太阳能电池板有效敷设面积的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率。当sin(h)＜0时，表示阳光从太阳能电池板的背光面入射，此时对应的太阳能采集功率物理上为0；当sin(h)≥0时，太阳能采集功率的计算公式如下：
[0074][0075]
上式中，p
cell
表示太阳能采集功率，s
cell
表示全机太阳能电池板有效敷设面积的初设值。
[0076]
以上即为图2中的太阳能采集计算工程模型。
[0077]
进一步地，本发明一实施例中，根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取太阳能无人机在每个时刻的全机能耗包括：
[0078]
根据飞行任务信息、时间步长和爬升率计算太阳能无人机在每个时刻的大气密度；
[0079]
根据每个时刻的大气密度、时间步长、爬升率、全机重量的初设值、全机参考面积的初设值、全机高低空升力系数的初设值以及全机高低空升阻比的初设值计算每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度；
[0080]
根据每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度计算太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗；
[0081]
根据太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗、全机航电系统功耗的初设值、全机航电系统损失效率的初设值和全机动力系统综合效率的初设值计算太阳能无人机在每个时刻的全机能耗。
[0082]
具体地，作为一个具体实施例，大气密度ρ的计算公式为：
[0083][0084]
进一步地，据无人机飞行过程中的推阻平衡关系即可通过下式根据每个时刻的大气密度、时间步长、爬升率、全机重量的初设值、全机参考面积的初设值、全机高低空升力系数的初设值以及全机高低空升阻比的初设值计算每个时刻的全机需用推力：
[0085]
f＝m
uav
gsin(θ)+0.5ρv2s
uavcd
，
[0086]
上式中，f表示当前时刻的全机需用推力，m
uav
表示全机重量的初设值，g为重力常数，θ表示爬升角，ρ表示当前时刻的大气密度，v表示无人机飞行速度，s
uav
表示全机参考面积的初设值，cd表示全机阻力系数。
[0087]
作为本发明的具体实施例，通过以下公式分别计算无人机飞行速度、爬升角和全机阻力系数：
[0088][0089][0090][0091]
上式中，c
l
表示当前时刻的升力系数，k表示当前时刻的升阻比，vc表示爬升率。其中，每个时刻的升力系数和升阻比可由全机高低空升力系数初设值和全机高低空升阻比初设值差值得到，爬升率由设计者进行给定配置，当无人机处于爬升状态时vc＞0，当无人机处于平飞状态时vc＝0，当无人机处于下滑状态时，可设计使推进系统螺旋桨处于风车状态而几乎不做功，但为了增加太阳能无人机下滑同样高度的滑翔时间而有利于度过夜晚，设定以最大升阻比对应的最小下滑率进行下滑，因此对应的爬升率为
[0092]
将大气密度、无人机飞行速度、爬升角和全机阻力系数代入全机需用推力的计算公式中，可以得到如下的最终计算公式：
[0093][0094]
进一步地，即可通过下式根据每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度计算太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗，该需用推力下的能耗也即为动力系统用于克服全机阻力的能耗：
[0095][0096]
上式中，p
power
表示全机阻力能耗。
[0097]
进而，考虑到全机航电系统功耗(含任务载荷)、全机航电系统功耗(含任务载荷)损失效率以及线缆损耗系数，可得无人机的全机能耗为动力系统实际能耗与航电系统实际能耗之和，公式如下：
[0098][0099]
上式中，p
uav
表示全机能耗，p
avionic
表示全机航电系统功耗，η
avionic
表示全机航电系统功耗损失效率，η
wire
表示线缆损耗系数，表示动力系统实际能耗，表示航电系统实际能耗。
[0100]
以上即为图2中的能耗计算工程模型。
[0101]
进一步地，飞行性能参数包括飞行高度和飞行航时。这两个参数能够反映出太阳能无人机的载重能力和昼夜循环情况。下面具体说明飞行性能仿真过程。
[0102]
首先根据飞行任务信息能够确定太阳能无人机飞行的纬度γ、飞行日期nd、起飞时间点t0和起飞海拔高度h0，确定飞行性能仿真计算的时间步长t
step_0
和每个时刻对应的爬升率，其中初始时刻爬升率为假定机载储能电池总电量为(单位为kwh)，按照上述建立的太阳能采集计算工程模型和能耗计算工程模型分别计算出t0时刻的太阳能采集功率和全机能耗并且按照下式计算一个步长后对应的时刻t1以及当前时刻的无人机飞行海拔高度
[0103][0104]
t1＝t0+t
step_0
，
[0105]
根据以上方法依次计算后续每个步长对应时刻的太阳能采集功率和全机能耗经过第i个步长后的时刻为ti，ti时刻无人机的飞行高度为太阳能采集功率为全机能耗为储能电池剩余电量为其中储能电池剩余电量为储能电池初始电量与采集到的太阳能之和再减去无人机全机已消耗的能量，公式如下：
[0106][0107]
而如果仿真计算得到的储能电池剩余电量大于预设满电量e
t_max
，则表示储能电池已满电而无法继续充电，储能电池电量保持为e
t_max
。判断储能电池剩余电量是否低于预设最低电量e
t_min
，若不低于该值则表示无人机能量充足可继续进行爬升、巡航等飞行
任务，若储能电池剩余电量低于预设最低电量e
t_min
，则表示无人机能量收支不平衡而能量不够，无法继续维持飞行，则仿真停止，此时无人机的飞行高度和飞行航时即为仿真分析要得到的飞行性能参数的值。判断仿真计算得到的飞行性能参数的值是否满足总体性能设计要求，如果不满足，则优化调整总体参数的值，继续进行仿真计算，直到飞行性能参数的值满足总体性能设计要求，实现系统指标闭合；如果满足，则对应的总体参数的值即为最终优化结果，可以进一步依据这些总体参数的最终优化结果进行分系统指标分解，作为技术要求输入来开展进一步分系统方案设计与工程样件样机研制。
[0108]
为便于更清楚的理解本发明所提供的总体参数设计方法，以下将以实际应用举例，对上述各流程做详细说明，本领域相关技术人员当可知，该实例仅为便于更清楚的理解本发明所提供的总体参数设计方法，并不对其做任何技术限定。
[0109]
拟定太阳能无人机总体参数的初设值，例如，假设根据市场调研结果和用户需求分析后确定所要研制的太阳能无人机需实现海拔5km～海拔20km高度的昼夜循环飞行(即无人机飞行24小时后，储能电池剩余电量不能低于初始时刻的电量)，带载能力为30kg，任务载荷功耗为700w。为此，在对相关技术认识基础上拟定太阳能无人机总体参数的初设值为：无人机全机总重(含任务载荷)290kg，全机参考面积27m2，全机航电系统功耗(含任务载荷)1000w，航电系统能量损失效率0.03，全机太阳能电池板有效敷设面积23.5m2，太阳能电池板在am1.5条件下的转换效率为30％，全机动力系统综合效率为0.62，无人机在海拔20km高空和海拔0km低空处的升阻比分别为40和32，对应处的高低空升力系数分别为0.9和1.0。
[0110]
假设无人机在北纬23.7
°
夏至日(一年中第181天)开展飞行试验，起飞海拔高度为1.4km，起飞时刻为早上7:00，太阳能电池板温度系数为-0.22％，则根据前述的太阳能采集工程模型可计算得到对应高度和时刻下全机太阳能电池板采集到的太阳能功率。
[0111]
假设无人机的爬升率恒为1.0m/s，某一海拔高度处的升阻比和升力系数可由海拔20km高空和海拔0km低空处的升阻比进行线性插值得到，则根据前述能耗计算工程模型可计算得出无人机全机能耗。
[0112]
假设无人机机载储能电池的最低安全电量值为满电量的25％，性能仿真时间步长为1000s，则根据前述的飞行性能计算仿真分析过程可以得到当前时刻无人机的飞行海拔高度、飞行时间以及当前时刻储能电池的剩余电量。剩余电量为储能电池初始电量与采集到的太阳能之和再减去无人机已消耗的全机电量，储能电池剩余电量有可能增加，也有可能减少，取决于全机能耗大小和不同时刻不同太阳能辐照强度下的太阳能采集总量。
[0113]
判断每一时间步长仿真分析得到的储能电池剩余电量是否低于设定的满电量25％的安全值，如果低于，则表示无人机能量充足，可继续进行爬升、平飞等过程，继续进行下一步长的仿真分析，直至储能电池剩余电量低于设计的安全值，即预设最低电量，此时输出的飞行高度、飞行航时即为所设计的太阳能无人机在考虑能量收支平衡下的飞行性能参数。
[0114]
评估得到的太阳能无人机飞行性能参数的值是否满足总体设计要求，若满足，则认为对应的总体参数的值能使指标闭合，可进入到下一阶段分系统设计；若不满足，则认为当前的总体参数的值在系统层面上不够合理，需进行进一步调整优化，进行迭代设计与计算，直至获得指标可闭合的总体参数的值。
[0115]
图3给出了上述实施例反复迭代后满足总体性能要求的仿真计算结果，无人机从
海拔5km开始爬升，当到达海拔16km时，无人机进行3.5h的低功率平飞而依靠采集到的太阳能给储能电池充电，之后继续爬升至海拔20km并平飞约4h，最后在夜晚以最优下滑率滑翔至海拔5km高度进行低空巡航，直至第二天白天到来继续采集太阳能进行补充，实现了海拔5km～20km昼夜循环飞行。
[0116]
本发明对太阳能无人机的能量收支平衡进行了精细化设计，使用太阳能采集计算工程模型、能耗计算工程模型和飞行性能仿真计算方法对飞行性能进行评估，无需详细的分系统参数，能够在研制初期实现总体参数和飞行性能的闭合设计，且相比理论研究该计算方法更为简单。
[0117]
综上所述，本发明提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，该方法通过飞行性能仿真方法获取总体参数对应的飞行性能参数，以飞行性能参数的值满足总体性能设计要求为目标对总体参数进行优化调整，能够得到满足总体设计要求的总体参数的值。该方法不需要分系统的参数，可在样机研制初期快速、方便、灵活、较为准确地根据总体参数的值对太阳能无人机的飞行性能进行分析，在不满足指标闭合的情况下方便对总体参数进行迭代优化，能够从顶层角度保证系统指标的合理可靠，为总体和分系统指标设计的闭合性提供支撑，在满足精度要求的情况下大大减少了计算量，实用性强，可操作性强，可有效用于工程研制的总体设计中。与现有技术相比，本发明的技术方案解决了现有技术中太阳能无人机研制初期难以计算飞行性能从而无法指导总体参数设计的技术问题。
[0118]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0119]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0120]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，其特征在于，所述方法包括：确定太阳能无人机的总体参数，并且根据飞行任务信息确定所述总体参数的初设值；确定飞行性能仿真分析的时间步长和每个时刻对应的爬升率，根据所述飞行任务信息、所述总体参数的初设值、所述时间步长和所述爬升率进行飞行性能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值；判断所述飞行性能参数的初始值是否满足总体性能设计要求，如果是，则将所述总体参数的初设值作为所述总体参数的最终优化结果，如果否，则对所述总体参数的初设值进行优化调整直到获得满足所述总体性能设计要求的飞行性能参数的优化值以及对应的总体参数的优化值，并将所述总体参数的优化值作为所述总体参数的最终优化结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述飞行任务信息、所述总体参数的初设值、所述时间步长和所述爬升率进行飞行性能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值包括：根据所述飞行任务信息、所述总体参数的初设值、所述时间步长和所述爬升率进行飞行性能仿真分析以获取全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率以及所述太阳能无人机在每个时刻的全机能耗；根据储能电池的初始电量、所述全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率以及所述太阳能无人机在每个时刻的全机能耗获取所述储能电池在每个时刻的剩余电量；将所述储能电池在每个时刻的剩余电量与预设最低电量进行比较，并且在所述剩余电量低于所述预设最低电量时停止仿真，将此刻得到的飞行性能参数的值作为所述飞行性能参数的初始值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述总体参数包括全机重量、全机参考面积、全机航电系统功耗、全机航电系统损失效率、全机高低空升阻比、全机高低空升力系数、全机太阳能电池板有效敷设面积、全机太阳能电池板转换效率和全机动力系统综合效率。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述飞行任务信息、所述总体参数的初设值、所述时间步长和所述爬升率进行飞行性能仿真分析以获取全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率包括：根据所述飞行任务信息、所述时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳高度角的正弦值；根据初始大气温度、所述时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度；根据全机太阳能电池板的温度系数、每个时刻的环境温度和所述全机太阳能电池板转换效率的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的转换效率；根据每个时刻的太阳高度角的正弦值、每个时刻的转换效率、所述飞行任务信息、所述时间步长、每个时刻对应的爬升率以及所述全机太阳能电池板有效敷设面积的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的太阳能采集功率。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述飞行任务信息、所述总体参数的初设值、所述时间步长和所述爬升率进行飞行性能仿真分析以获取所述太阳能无人机在每个时刻的全机能耗包括：根据所述飞行任务信息、所述时间步长和所述爬升率计算所述太阳能无人机在每个时
刻的大气密度；根据每个时刻的大气密度、所述时间步长、所述爬升率、所述全机重量的初设值、所述全机参考面积的初设值、所述全机高低空升力系数的初设值以及所述全机高低空升阻比的初设值计算每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度；根据每个时刻的全机需用推力和每个时刻的飞行速度计算所述太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗；根据所述太阳能无人机在每个时刻的全机阻力能耗、所述全机航电系统功耗的初设值、所述全机航电系统损失效率的初设值和所述全机动力系统综合效率的初设值计算所述太阳能无人机在每个时刻的全机能耗。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据初始大气温度、所述时间步长和每个时刻对应的爬升率计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度包括：根据所述飞行任务信息、所述时间步长和每个时刻对应的爬升率计算所述太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度；根据所述初始大气温度和所述太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过下式根据所述初始大气温度和所述太阳能无人机在每个时刻所处的海拔高度计算全机太阳能电池板在每个时刻的环境温度：上式中，t
h
表示海拔高度h处的环境温度，t0表示初始大气温度，h表示海拔高度。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过下式根据全机太阳能电池板的温度系数、每个时刻的环境温度和所述全机太阳能电池板转换效率的初设值计算全机太阳能电池板在每个时刻的转换效率：η
cell_h
＝((25-t
h
)*λ
cell
+1)*η
cell
，上式中，η
cell_h
表示全机太阳能电池板在海拔高度h处的转换效率，η
cell
表示全机太阳能电池板转换效率的初设值，λ
cell
表示全机太阳能电池板的温度系数。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过下式根据每个时刻的大气密度、所述时间步长、所述爬升率、所述全机重量的初设值、所述全机参考面积的初设值、所述全机高低空升力系数的初设值以及所述全机高低空升阻比的初设值计算每个时刻的全机需用推力：上式中，f表示当前时刻的全机需用推力，m
uav
表示全机重量的初设值，g为重力常数，ρ表示当前时刻的大气密度，s
uav
表示全机参考面积的初设值，c
l
表示当前时刻的升力系数，k表示当前时刻的升阻比，v
c
表示爬升率。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述飞行性能参数包括飞行高度和飞行航时。

技术总结
本发明提供了一种基于飞行性能的太阳能无人机总体参数设计方法，该方法包括：确定太阳能无人机的总体参数，并且根据飞行任务信息确定总体参数的初设值；根据飞行任务信息、总体参数的初设值、时间步长和爬升率进行飞行性能仿真分析以获取飞行性能参数的初始值；判断飞行性能参数的初始值是否满足总体性能设计要求，如果是，则将该初设值作为最终优化结果，如果否，则对总体参数进行优化调整直到获得满足总体性能设计要求的飞行性能参数的优化值以及对应的总体参数的优化值，并将该优化值作为总体参数的最终优化结果。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中太阳能无人机研制初期难以计算飞行性能从而无法指导总体参数设计的技术问题。的技术问题。的技术问题。


技术研发人员：李丁 马洪忠 杨发友 曹昕 刘晓春 吕睿佳
受保护的技术使用者：海鹰航空通用装备有限责任公司
技术研发日：2021.10.27
技术公布日：2023/4/28