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摘 要：本文设计了一种以电能为主、太阳能为辅助动力的飞行器，通过理论计算与实验分析，选择了合适的太阳能电池板，并尝试增加太阳能动力部分的比例，以提高飞行器的续航时间。太阳能飞机设计与制作过程中，飞行器的重心控制、太阳能电池板的选择以及电池板的设计布局是设计的关键环节。试飞结果显示，覆盖太阳能电池板之后，能够使飞行时间有一定程度的延长。
关键词：太阳能；飞行器设计；试飞
0 引言
太阳能飞机作为一种新能源飞机，对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景。在民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区监控等；在军事上可用于边境巡逻、侦察等。全球首架靠太阳能动力发电的载人飞机“阳光动力号”由瑞士探险家花费12年完成，已于 2015年3月成功首飞。以太阳能为能源的新能源飞机，将改变人们对传统飞机设计理念的认知，使飞机的发展进入飞行器一个新阶段。
1 太阳能飞行器的机体设计
1.1 设计目标及设计流程
本文拟设计一种以电能为主、太阳能为辅助动力的飞行器，通过理论计算与实验分析，选择合适的太阳能电池板，并尝试增加太阳能动力部分的比例，以提高飞行器的续航时间。该太阳能飞行器的设计目标为：起飞方式为滑跑起飞，飞行速度约为20—30公里每小时，巡航时间55分钟-70分钟。
进行初步的飞行器气动布局设计以及相关材料的选取，飞行器设计与制作程序框图为：
图1 飞行器设计与制作程序框图
1.2 设计方案
1.2.1 飞行器的气动布局
图2飞行器布局示意图
飞行器的布局如图2所示，为了简化结构，并增大太阳光辐射面积，取消了机身，采用飞翼的设计，其几何参数见表1。在机翼后缘设计有兼具副翼和机翼功能的可动翼面。大飞翼作为载机具有较大的翼展面积，飞行载重为1kg-3kg。起落装置选择前三点式设计。
表1 飞翼几何参数
动力装置包括三个螺旋桨，其形式为12寸折叠桨。机翼前缘两个螺旋桨采用太阳能驱动电机，后缘一个为电驱动。太阳能驱动电机采用550高速电机工作电压6-9V，工作电流为0.76A-1.30 A。电机则选择低KV值的朗宇2218 kv870电机。
2 材料的选择与实验测试
2.1机翼材料选择
对于机翼的材料，本次试验从玻璃钢、碳纤维、铝合金和高分子eps合成泡沫中进行选择。考虑到材料价格、飞行器质量和结构强度等因素，本次试验选择了采用高分子eps合成泡沫。
2.2 太阳能电池板的选择
目前，市面上可供选择的太阳能电池主要有四种类型：1）单晶硅太阳能电池；2）多晶硅太阳能电；3）非晶硅柔性太阳能电池；4）半柔性太阳能电池。
这四种太阳能电池的性能比较见表2。
表2 太阳能电池性能比较
2.3 太阳能电池的实验
根据上述内容，本次试验选择非晶硅柔性太阳能电池和半柔性太阳能电池进行样品的实验，具体参数如表3。
表3 太阳能电池在不同放置条件下产生的电流与电压
由上述数据可知，半柔性太阳能电池板的电流电压和功率都优于柔性太阳能电池板，是目前能找到的功率最好的材料。但其弯曲程度太小，重量太重，不适合飞行器气动布局的设计。相比较而言，柔性非晶硅电池的质地比较柔软，重量较轻，因而最终选择了柔性非晶硅电池。接下来，将通过一组户外实验对比不同情况下的柔性太阳能电池发电效果。
本次实验地点在上海，分别测出不同种类太阳能电池组件在典型户外天气条件下的总发电量。假设光照情况不变，为了比较它们的比功率发电量，采用固定工作电压，测量一段时间的安时数，其中∫t2t1I（t）dt为安时数。测量固定工作电压，由此算出这段时间的发电量，其相关参数的计算结果见表4。
表4 柔性太阳能电池相关数据
3 飞行器的制作与试飞
3.1 重心调试
在组装完成后试飞时，一般需要考虑有两种情况发生，1）飞行器重心靠后，机体才能保持平飞。2）飞行器重心靠前，副翼必须微调成升舵，机体才保持平飞，并且伴随机头难以拉起和起飞距离加大、降落速度过大的现象。而对于刚设计组装完的飞行器模型，往往在试飞的时候容易失速，不能及时修正翼面而导致坠机。
经过最后的试验、计算以及数据分析后，本次试验将重心位置定在了距离前缘290mm，即在加强杆后10mm处，从而确保飞行器的平衡、稳定性和操纵性。
3.2 试飞与改进
试飞过程中，选择相同的飞行速度进行比较，结果显示，覆盖太阳能电池板之后飞行时间可延长10-20分钟。另外，试飞过程中应注意如下问题：
1）在滑跑起飞过程中，起飞速度过大，会引起机头突然上仰，导致失速；滑跑速度过小，则会使滑跑距离增长。因此，应掌握好滑跑的加速度。
2）在飞行过程中，由于飞行器的副翼比较大，在飞行过程中大角度的变化会使飞行器失速从而导致摔机，在飞行器控制上使用小角度控制，但会增大转弯半径。
3）太阳能驱动的电机转速不稳定，受阳光强弱的影响显著，从而导致螺旋桨产生的拉力不稳定，飞行器的飞行速度不稳定，需要及时调整。
4 结论
太阳能飞机设计与制作过程中，飞行器的重心控制、太阳能电池板的选择以及电池板的设计布局是设计的关键环节。试飞结果显示，覆盖太阳能电池板之后，能够使飞行器的续航時间有所延长。
参考文献
[1] 樊迎春，沈海军，李军，高玉魁. 某太阳能无人飞机的初步设计与性能分析.同济大学航空航天与力学学院，上海，200093） 2014，20（1）
[2] 陈浪，贾建峰，袁吉安，孟佳男，刘雷，杨伟新 太阳能飞机的设计与制作 （西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730124） 甘肃科技 2014，30（9）
[3] 赵凯，祝小平，周洲 太阳能飞机方案设计阶段建模与仿真飞行 2011， 29（1） V272
[4] 昌敏，周洲，郑志成，太阳能飞机原理及总体参数敏度分析 西北工业大学学报，Journal of Northwestern Polytechnical University， 2010年05期
[5] 姜光泰，祝明，梁浩全，武哲 基于可靠性的太阳能飞机多学科设计优化 南京航空航天大学学报，Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2012年04期.
关键词：太阳能；飞行器设计；试飞
0 引言
太阳能飞机作为一种新能源飞机，对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景。在民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区监控等；在军事上可用于边境巡逻、侦察等。全球首架靠太阳能动力发电的载人飞机“阳光动力号”由瑞士探险家花费12年完成，已于 2015年3月成功首飞。以太阳能为能源的新能源飞机，将改变人们对传统飞机设计理念的认知，使飞机的发展进入飞行器一个新阶段。
1 太阳能飞行器的机体设计
1.1 设计目标及设计流程
本文拟设计一种以电能为主、太阳能为辅助动力的飞行器，通过理论计算与实验分析，选择合适的太阳能电池板，并尝试增加太阳能动力部分的比例，以提高飞行器的续航时间。该太阳能飞行器的设计目标为：起飞方式为滑跑起飞，飞行速度约为20—30公里每小时，巡航时间55分钟-70分钟。
进行初步的飞行器气动布局设计以及相关材料的选取，飞行器设计与制作程序框图为：
图1 飞行器设计与制作程序框图
1.2 设计方案
1.2.1 飞行器的气动布局
图2飞行器布局示意图
飞行器的布局如图2所示，为了简化结构，并增大太阳光辐射面积，取消了机身，采用飞翼的设计，其几何参数见表1。在机翼后缘设计有兼具副翼和机翼功能的可动翼面。大飞翼作为载机具有较大的翼展面积，飞行载重为1kg-3kg。起落装置选择前三点式设计。
表1 飞翼几何参数
动力装置包括三个螺旋桨，其形式为12寸折叠桨。机翼前缘两个螺旋桨采用太阳能驱动电机，后缘一个为电驱动。太阳能驱动电机采用550高速电机工作电压6-9V，工作电流为0.76A-1.30 A。电机则选择低KV值的朗宇2218 kv870电机。
2 材料的选择与实验测试
2.1机翼材料选择
对于机翼的材料，本次试验从玻璃钢、碳纤维、铝合金和高分子eps合成泡沫中进行选择。考虑到材料价格、飞行器质量和结构强度等因素，本次试验选择了采用高分子eps合成泡沫。
2.2 太阳能电池板的选择
目前，市面上可供选择的太阳能电池主要有四种类型：1）单晶硅太阳能电池；2）多晶硅太阳能电；3）非晶硅柔性太阳能电池；4）半柔性太阳能电池。
这四种太阳能电池的性能比较见表2。
表2 太阳能电池性能比较
2.3 太阳能电池的实验
根据上述内容，本次试验选择非晶硅柔性太阳能电池和半柔性太阳能电池进行样品的实验，具体参数如表3。
表3 太阳能电池在不同放置条件下产生的电流与电压
由上述数据可知，半柔性太阳能电池板的电流电压和功率都优于柔性太阳能电池板，是目前能找到的功率最好的材料。但其弯曲程度太小，重量太重，不适合飞行器气动布局的设计。相比较而言，柔性非晶硅电池的质地比较柔软，重量较轻，因而最终选择了柔性非晶硅电池。接下来，将通过一组户外实验对比不同情况下的柔性太阳能电池发电效果。
本次实验地点在上海，分别测出不同种类太阳能电池组件在典型户外天气条件下的总发电量。假设光照情况不变，为了比较它们的比功率发电量，采用固定工作电压，测量一段时间的安时数，其中∫t2t1I（t）dt为安时数。测量固定工作电压，由此算出这段时间的发电量，其相关参数的计算结果见表4。
表4 柔性太阳能电池相关数据
3 飞行器的制作与试飞
3.1 重心调试
在组装完成后试飞时，一般需要考虑有两种情况发生，1）飞行器重心靠后，机体才能保持平飞。2）飞行器重心靠前，副翼必须微调成升舵，机体才保持平飞，并且伴随机头难以拉起和起飞距离加大、降落速度过大的现象。而对于刚设计组装完的飞行器模型，往往在试飞的时候容易失速，不能及时修正翼面而导致坠机。
经过最后的试验、计算以及数据分析后，本次试验将重心位置定在了距离前缘290mm，即在加强杆后10mm处，从而确保飞行器的平衡、稳定性和操纵性。
3.2 试飞与改进
试飞过程中，选择相同的飞行速度进行比较，结果显示，覆盖太阳能电池板之后飞行时间可延长10-20分钟。另外，试飞过程中应注意如下问题：
1）在滑跑起飞过程中，起飞速度过大，会引起机头突然上仰，导致失速；滑跑速度过小，则会使滑跑距离增长。因此，应掌握好滑跑的加速度。
2）在飞行过程中，由于飞行器的副翼比较大，在飞行过程中大角度的变化会使飞行器失速从而导致摔机，在飞行器控制上使用小角度控制，但会增大转弯半径。
3）太阳能驱动的电机转速不稳定，受阳光强弱的影响显著，从而导致螺旋桨产生的拉力不稳定，飞行器的飞行速度不稳定，需要及时调整。
4 结论
太阳能飞机设计与制作过程中，飞行器的重心控制、太阳能电池板的选择以及电池板的设计布局是设计的关键环节。试飞结果显示，覆盖太阳能电池板之后，能够使飞行器的续航時间有所延长。
参考文献
[1] 樊迎春，沈海军，李军，高玉魁. 某太阳能无人飞机的初步设计与性能分析.同济大学航空航天与力学学院，上海，200093） 2014，20（1）
[2] 陈浪，贾建峰，袁吉安，孟佳男，刘雷，杨伟新 太阳能飞机的设计与制作 （西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州730124） 甘肃科技 2014，30（9）
[3] 赵凯，祝小平，周洲 太阳能飞机方案设计阶段建模与仿真飞行 2011， 29（1） V272
[4] 昌敏，周洲，郑志成，太阳能飞机原理及总体参数敏度分析 西北工业大学学报，Journal of Northwestern Polytechnical University， 2010年05期
[5] 姜光泰，祝明，梁浩全，武哲 基于可靠性的太阳能飞机多学科设计优化 南京航空航天大学学报，Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2012年04期.