太阳能长航时无人机飞行动力学设计及阵风减缓控制方法研究

20251129

交通运输、仓储和邮政业

本项目面向中低空持久探测与作业的任务需求，以超大展弦比太阳能无人机这一前沿平台为研究对象，系统性地攻克了其气动、结构与控制方面的核心关键技术。目前，成果已超越实验室理论研究阶段，进入了工程样机集成与试验验证阶段，具备了明确的工程化与转化条件。具体现有基础体现在以下四个方面：

1. 气动设计：量化缺陷影响并完成高性能翼型优化。 本研究直面太阳能无人机低雷诺数飞行与表面铺设缺陷的耦合难题。通过精细的数值模拟与风洞实验，定量揭示了前缘翘曲对气动特性的恶化机理：在0°至8°攻角范围内，翘曲翼型升力系数降低2.1%-5.1%，阻力系数激增18.3%-32.4%，最大升阻比暴跌17.5%-28.3%。研究首次发现了由翘曲引发的“二次吸力峰”和边界层转捩点提前等关键流动现象，并据此明确了 “前缘翘曲尺寸需控制在翼型相对厚度3%以内”这一至关重要的工程设计阈值，为太阳能电池铺设工艺提供了直接、量化的核心依据。基于此，我们成功完成了气动外形优化，新翼型的最大升阻比达到34.2，相较原始翼型性能提升14.3%，并通过风洞实验证实其在模拟铺设太阳能板条件下仍能满足预期气动要求。
2. 结构系统：创新一体化设计并验证高精度非线性模型。 为平衡“轻量化”、“高气动效率”与“足够结构刚度”的矛盾，我们创新性地提出了 “太阳能电池-复合材料蒙皮一体化技术” 与 “夹层梁承弯+改良D形盒承扭” 的主承力结构方案。该设计将承扭结构前移以提升颤振速度，并通过蒙皮精细设计维持了高效气动外形。针对机翼高达14-15%相对展长的翼尖大变形，我们建立了精确考虑几何非线性效应的气动弹性分析模型，该模型融合了升力线理论与非线性梁理论，准确描述了气动载荷与结构变形的耦合关系。地面静力试验验证表明，模型对关键部位挠度的预测误差小于5%，充分证明了所设计机翼满足飞行工况的强度与刚度要求，也验证了本非线性分析模型具有极高的工程可靠性。
3. 控制系统：构建耦合模型并实现有效阵风载荷抑制。 为拓展飞行包线，我们建立了融合气动弹性大变形、太阳能板刚度/质量影响与阵风载荷建模的高保真理论模型。在此基础上，应用了非耦合前馈与反馈相结合的复合控制策略，以主动补偿阵风能量，解决传统控制的滞后性问题。风墙试验验证取得了显著效果，在模拟阵风条件下，所设计的控制系统使机翼根部弯矩降低了45.2%，翼尖加速度减少了54.7%。这证明该控制方法能有效缓解动态载荷，大幅提升飞行器在湍流环境中的飞行品质与安全裕度。
4. 系统集成：完成多架样机研制并通过初步飞行验证。 项目已成功完成多架展弦比达30的超大展弦比太阳能无人机验证机的研制、总装与集成。累计开展了五次飞行试验，单次最长无故障续航时间已达2小时50分钟。飞行数据表明，飞机在巡航状态下整机功耗稳定在32-35W的超低水平，初步验证了其能源系统的匹配性与长航时潜力。试飞成功验证了基于本项目核心技术（气动外形、轻量化结构、基础飞控）的全系统协调性与可行性，标志着成果已实现从关键技术突破到系统级集成的跨越。

为推动本项目成果从高性能验证机向稳定、可靠、可执行特定任务的成熟产品乃至商品转化，我们诚挚寻求与产业方深度合作，具体需求如下：

1. 资金需求： 期望获得200-500万元级别的资金支持，主要用于以下三个方向的深度开发： 中试验证与性能提升：用于开展更广泛工况下的长航时（例如24小时以上）飞行测试，全面评估系统可靠性；优化能源管理策略与故障诊断系统，提升全任务链的智能化水平。 工艺标准化与可靠性提升：投入用于建立核心部件（尤其是一体化机翼）的标准化、半自动化生产流程，提升制造效率与产品一致性，严格管控质量，为实现批产奠定基础。 任务载荷集成与场景定制：针对目标应用场景（如遥感、通信），进行专用任务载荷的选型、采购、集成与适应性测试，开发对应的任务规划与数据管理软件。
2. 期望的合作方类型： 工业级无人机整机研发与制造企业，具备强大的工程化、产品化能力和市场渠道。 专注于遥感测绘、通信中继、环境监测等领域的系统集成商或运营服务商，能提供明确的任务需求定义和示范应用场景。 拥有空域资源或大型外场试验条件的测试机构或单位，能协助完成大规模、法规许可下的飞行试验。
3. 所需的非资金资源： 场地与设备：需要符合航空制造标准的装配车间、复合材料固化设备以及可供长航时、大范围飞行试验的空域与合规野外场地。 人员与技术互补：需要合作方配备具有丰富工程经验的结构、航电、软件及测试工程师团队，与我们共同攻坚从原型机到产品的耐久性、环境适应性与用户体验等工程难题。迫切期望合作方提供真实在轨的行业应用任务进行示范运营，以验证其任务效能和商业模式。

仅限国内转让

本项目成果的成功转化，将有望催生具有国际竞争力的高性能中低空持久飞行平台，带来显著且深远的经济与社会效益。

1. 经济效益： 开辟高端无人机市场：该技术平台瞄准了传统无人机和卫星应用之间的市场空白，在广域遥感测绘（农业、林业、测绘）、持久应急通信保障（灾区、偏远地区）、气象观测与气候变化研究、边境及海域巡逻等军民领域具有不可替代的优势。 创造高附加值产品：通过技术授权或合作成立项目公司进行产品开发，预计在3-5年内可形成系列化整机产品。其超长航时（潜在可达数周乃至数月）与近乎零的燃料消耗所带来的极低运营成本，将是其核心市场竞争力，能为用户创造巨大价值，带来可持续的销售收入与利润。 驱动产业链升级：本成果的产业化将直接驱动上游高性能碳纤维复合材料、高效柔性太阳能电池、超低功耗机载设备、高能量密度储能系统等高端制造业的发展，同时拉动下游空基数据获取与信息服务产业，形成良性循环的产业生态。
2. 社会效益： 提升国家治理与公共服务能力：可为防灾减灾（洪涝、森林火险实时监控）、基础设施巡查（电力线、油气管道）、生态环境保护（污染物扩散监测）、公共安全（大型活动安保） 等提供革命性的技术手段，极大提升监测效率与应急响应速度。 保障国家战略安全与科技自立：项目所形成的自主知识产权体系，将打破国外在长航时飞行器领域的技术垄断，实现关键技术的自主可控，为我国在低空经济这一战略新疆域的开发利用提供自主装备支撑，保障国家利益与信息安全。 践行绿色创新发展战略：完全利用太阳能作为动力，实现了飞行作业过程的零碳排放，是绿色航空技术的典范，完全契合国家“双碳”战略目标，为全球应对气候变化提供了创新的技术解决方案。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目面向未来长航时、高效益航空探测需求，以超大展弦比太阳能长航时无人机为研究对象，针对其大展弦比、低翼载荷、低能量冗余等特点，系统性地开展了超大展弦比太阳能无人机关键技术研究。本项目所开展的主要研究内容主要包括四个核心部分： 其一，针对超大展弦比无人机低雷诺数飞行工况和太阳能板铺设缺陷等问题，研究了高升阻比、低雷诺数翼型设计与优化方法，并通过风洞试验验证了优化后翼型的气动性能。定量揭示了太阳能电池板前缘翘曲缺陷对低雷诺数翼型气动特性的恶化机理（升力系数下降最高5.1%，阻力系数激增超30%，升阻比暴跌近30%），并发现了由翘曲引发的“二次吸力峰”和边界层转捩点提前等流动现象。研究明确了“前缘翘曲尺寸需控制在翼型相对厚度3%以内”这一工程设计阈值，为太阳能电池的铺设工艺提供了直接、量化的设计依据，具有重要的工程指导价值。研究实现了高性能翼型优化设计：基于上述发现，成功优化出新一代翼型，使其在兼顾太阳能电池铺设要求的同时，最大升阻比达到34.2，较原始翼型提升14.3%。该性能指标充分验证了本气动优化方法的有效性，为原型机的研制奠定了坚实的气动基础。 其二，针对柔性机翼大变形问题，开展了超大大展弦比机翼结构设计方法研究，建立了表征大柔性机翼结构非线性变形的刚柔耦合气动弹性动力学模型。本研究创新性地提出了面向太阳能无人机的一体化结构设计方法：将“太阳能电池-复合材料蒙皮”一体化技术与“夹层梁承弯+改良D形盒承扭”??的主承力结构相结合。该设计在严格保证结构轻量化的前提下，将承扭结构前移以提升颤振速度，并通过对蒙皮结构的精细设计，实现了高效气动外形的维持，解决了轻量化、高气动效率与足够结构刚度之间的矛盾。本研究还建立了高精度的几何非线性气动弹性分析模型：针对机翼高达14-15%??的相对翼尖挠度这一大变形特征，研究没有采用传统的线性模型，而是建立了变形前后几何关系变化的非线性耦合模型。该模型通过升力线理论与欧拉-伯努利梁理论的结合，精确描述了气动载荷与结构变形之间的反馈机制。通过了严格的地面试验验证，模型精度得到充分确认：通过地面静力试验，将数值计算与实测结果进行对比，关键部位的挠度预测误差小于5%。这一结果验证了所设计机翼满足飞行工况的强度与刚度要求，证明了本非线性分析模型具有极高的工程可靠性，可直接用于指导设计。 其三，研究了面向大柔性机翼的主动阵风减缓控制方法，并开展风墙试验对控制方法进行验证。本部分研究是太阳能长航时无人机动力学设计的核心内容，旨在通过主动控制等方法实现大展弦比无人机抗风性能的提升，拓展无人机的飞行使用包线。本研究建立了高保真的气动-弹性-控制耦合理论模型：构建了一个融合气动弹性大变形、太阳能板质量/刚度影响以及精确阵风载荷建模的综合理论模型。该模型在模态坐标法框架内，解决了此类无人机阵风响应分析中的多个关键难题。应用并验证了复合控制策略：将理论上成熟的非耦合前馈控制方法与反馈控制相结合，设计了高效的复合控制律。该策略的优势在于能够主动、提前地补偿阵风能量，有效解决了传统反馈控制固有的滞后性问题。 其四，完成了太阳能长航时无人机实机设计与制作，并开展飞行试验对以上研究成果进行验证。本部分成果成功实现了从理论设计、仿真分析与地面试验向全系统集成与飞行验证的关键跨越，标志着本项目研究进入了工程实践的阶段。尽管受限于外部工程条件，试飞验证未尽完善，但其仍具有重要意义。原理样机成功完成了包括起飞、自动巡航飞行与降落在内的完整飞行流程，验证了基于本项目所设计的气动外形、轻量化结构以及飞控系统的正确性与协调性，证明了全系统集成的成功。最后的试飞中，飞机表现出良好的横纵向稳定性，这表明本项目所采用的大展弦比气动布局和操稳特性设计是合理且可靠的。