长航时太阳能无人机的设计优化ETHZ讲座会议飞机和航天器系统设计，建模与控制一．引言若干年前，能够依靠太阳能动力实现连续飞行一直是个梦想，但是现在这个梦想已经成真。

事实上，在在柔性太阳能电池板、高能量密度的电池、小型化MEMS与CMOS传感器以及强大的处理器等领域已经取得显著进展。

其实太阳能飞机的原理很简单，装有太阳能电池板的机翼在太阳光的照射下获得电能，将能量用于螺旋桨推进系统，控制电路，并将剩余的电能用蓄电池储存起来。

当夜晚来临的时候，将白天储存在电池里的电能慢慢释放用于驱动飞机各系统直到第二天太阳升起。

尽管如此，对于飞机的优化和整合以及技术方面的努力是必要的。

主要的工作是将不同功能的部件尽量能以相同的标准考量。

例如飞机的续航时间，就是一个需要综合考量的因素。

在2004年，洛桑联邦理工学院/苏黎世联邦理工学院的自主实验室与欧洲航天局共同提出了“Sky-Sailor”这个项目。

这个项目是通过学习和研究自主导航控制的太阳能无人机在地球表面的飞行来验证火星专用版本的可行性。

本次讲座介绍的方法，用于全球范围内设计，旨在实现在地球上能够连续飞行的太阳能飞机。

这种方法最早用于Sky-Sailor 项目，但是对于从几百克到翼展几十米的高空长航时无人机仍然具有通用性。

1.太阳能飞机的历史1.1太阳能航空模型飞机概述世界上首架太阳能飞机于1974年11月4日，在美国加利福尼亚州试飞，飞机名叫“Sunrise I”，由来自于Astro Flight 公司的R.J. Boucher设计。

飞机在100m左右的高度飞行了大约20分钟。

它的另一个改进版本“Sunrise II”很快被设计制造出来并且在1975年9月12号首飞，第二架飞机使用了新的太阳能电池板，比第一架飞机上的电池板效率高出14个百分点，总功率高达600W。

Helmut Bruss 和Fred Militky是在欧洲范围内第一个吃螃蟹的，在1976年8月16日，他们的模型“Solaris”在150秒内连续三次爬升到50m的高度[3].很久以来,许多设计制作飞机的人都尝试让飞机依靠太阳能飞行，这些想法变得越来越可行。

最初，飞行时间只有短短的几秒，后来迅速的增长到几分钟以至于几小时[3]。

这其中最具代表性的有1996年的Dave Beck和他的飞机Solar Solitude以及90年代创造了很多记录的Wolfgang Schaeper和他的飞机Solar Excel还有98年的Sieghard Dienlin以及他的微型飞机PicoSol。

2.2有人操纵的太阳能飞机在许多太阳能模型飞机通过飞行证明了只要有足够的照度连续的飞行是可行的之后，那些70年代的太阳能飞机的先驱者便将有人驾驶的飞机作为新的挑战。

最初的模型飞机，像Fred To的Solar One和Larry Mauro的Solar Riser就是利用电池板在地面上给飞机的电池充电，然后实现短时间的持续飞行。

而美国的Dr. Paul B. MacCready 和他的AeroVironment公司实现的仅仅利用太阳能而不用任何储能装置实现连续飞行是具有革命意义的。

1980年5月18日，被认为是世界上第一个有人操纵的太阳能飞机Gossamer Penguin 实现了首飞。

1981年7月7号，它的改进版的名叫Solar Challenger的飞机实现了仅仅利用太阳能动力穿越了英吉利海峡。

在德国，Günter Rochelt 所制造具有16m翼展和一个电池的Solair I 太阳能飞机在1983年8月21日主要利用太阳能动力和上升气流实现了5小时41分钟的飞行。

1986年美国的Eric Raymond开始设计它的名叫Sunseeker的飞机在1989年这架飞机先进行了无电池板的滑翔飞行，在1990年的8月，这架飞机通过21次的起飞降落和120小时的空中飞行穿越了整个美国。

在1996年Berblinger比赛在Ulm举行，比赛的所提出的项目是设计一个真正意义上的能够在照度相当于夏天晴好天气一半的情况下持续飞行的飞机。

最终来自Stuttgart 大学Rudolf 教授的Voit- Nitschmann队所设计的Icaré 2赢得了冠军。

1.3通往高空长航时无人机（HALE）平台的路在Solar Challenger成功以后，美国政府对AeroVironment公司进行投资用于研究可行的长航时太阳能发电驱动的高空飞机。

在1993年，一架名叫Pathfinder的245公斤30平方米机翼面积的飞机在高空进行了测试，并在1994年成为了NASA的环境研究飞机传感器技术(ERAST)项目的一部分。

从1994年到2003年，这个项目取得了一系列的成功包括三架名叫Pathfinder Plus, Centurion 和Helios的飞机。

后者确定将作为最终的包含为夜间飞行所准备的电池的“永不降落的飞机”。

在2001年Helios创造了一个的世界纪录达到了29524米的高空。

但是不幸的是在2003年6月26日由于结构失效它最终坠毁到了太平洋里，因而无法证明其“永不降落”。

在欧洲，也有许多研究HALE平台的项目，在飞机系统的DLR学会上，在1994年到1998年期间发展了Solitair飞机项目[23]，在2000年1月到2003年5月许多欧洲组织给Solitair飞机项目投资，以用来学习研究可想的高空长航时太阳能无人机平台的研究，用来实现宽带通信和地球观测。

一个名叫QinetiQ的英国公司在HALE平台领域也异常活跃，他们制造的名叫Zephyr的飞机在2006年7月连续飞行了18个小时，其中包括7个小时的夜间飞行。

它最近被选为Flemish HALE基础平台的无人机用于Mercator遥感系统的框架在Pegasus 项目。

该平台应该满足像森林火灾监测、城市地图,沿海监视等任务。

但是客观地来说，在2005年4月22日Helios太阳能飞机证明了不间断的无人飞行器是可以实现的。

AcPropulsion的总裁和创始人Alan Cocconi的Solong飞机只依靠太阳能动力和沙漠里的上升气流飞行了24小时11分钟。

飞机4.75米的翼展和11,。

5公斤的重量确保其能在两个月后的6月3日实现持续48小时16分钟的不间断飞行。

未来证明连续飞行的梦想将会在通过载人飞行的Solar-Impulse实现,这是一个在瑞士的80米的翼展的轻量级太阳能飞机项目。

在2007-2008年生产了一个60m翼展的试验机和2009-2010年最终版本的飞机之后，在每一个大陆停留的环球飞行应该会在2011年5月实现。

2原理简述太阳能电池板由许多太阳能电池片通过特定的连接组成，它覆盖在飞机的机翼或者飞机的其他表面上（如平尾，机身）。

白天，通过阳光和倾斜射线的照射和，电池板将光能转化成电能。

一个名叫最大功率追踪器的装置保证任何时候从电池板获得最高的功率。

获得的电能首先保证动力装置和电子系统的工作，其次将剩余的电能给电池充电。

在夜间，飞机仅仅依靠电池的能量来控制飞机，而没有任何来自太阳能电池板的能量。

如图所示：二.概念设计理论飞机设计是一中通过纸上运算来创造一个新的飞行器的工作。

设计过程通常分为三个步骤或者平行的设计步骤：概念设计、初步设计以及详细设计这种方法将重点放在概念设计,就是一般的外形和尺寸的确定。

一些通过空气动力学理论得到的初步设计参数和重量参数交汇，得到一个最佳的外形。

可行的设计是达到一个给定的目标，但是详细的外形是没有限制的。

我们也将只考虑水平飞行。

无论是为了实现低海拔检测还是高空通信平台，一个太阳能飞机必须有能够达到在一定高度连续飞行的能力。

事实上，高海拔检测作用将会极其有限，而低海拔检测没有能力覆盖足够的区域。

在这种情况下,能量和质量平衡就是设计的起点。

事实上,白天收集的来自太阳能电池板的能量必须足以驱动电动机,机载电子设备并且能够给电池充电,而电池要提供足够从黄昏到第二天早上飞行的能量,直到第二天一个新周期开始。

同样,升力要平衡飞机重量,以便维持高度。

这最后导致一个“母鸡和鸡蛋”的问题：所需的功耗来自不同的部分,如电机、太阳能电池板、电池等。

但同时，这些零件确定了飞机的总重。

而总重又决定了飞机的所需功率。

这些关系将在本节说明。

1. 辐照度模型一个好的辐照度模型取决于变量如地理位置、时间、太阳能电池板方向和反照率等我们所需要的因素[7]。

该模型简化为平面通过一个正弦曲线，如图所示：Fig. 2 Approximation of irradiance with a sinusoid (Lausanne, June 21)最大光照度I max和持续光照时间T day是由不同的地点和日期决定的，这些是计算每天每平方米能量的因子，就像公式1所显示的一样。

为了考虑多云天，一个介于0和1之间的常数添加到公式中。

solmargindaymax -2/T I k E density day *=π （1）2. 平飞时的功率平衡水平飞行时作用到飞机上的力为升力L 和阻力D 定义为2L SV 2C L ρ= 2D SV 2C D ρ= （2） CL 和CD 分别升力和阻力系数，ρ是空气密度，S 是机翼面积V 是飞机相对于没有风时的相对于地面的相对速度。

CD 和CL 是由翼型，攻角α雷诺数Re 和马赫数Mach 决定的。

阻力系数是由翼型的阻力系数C Da 跟升力无关的寄生阻力（这里我们忽略）和诱导阻力C Di 组成。

C Di 定义为：AR e C C 2Di L π= （3）e 是奥斯瓦尔德因子，AR 是机翼的展弦比。

根据公式2得到平飞所需功率：ρ2)(C P 32/3D level S m g C L = 4）将S 用b 和AR 代替得到公式：b C L 23m ARg 2C P 32/3D level ρ= （5） 接着，为了推算出平飞所需总功率，电机、电子控制器、减速组、螺旋桨的效率都应该被考虑到，还有控制系统的功率，负载的功率也应该考虑到。

为了方便阅读，这些因素在这里将不再赘述，而将会在后面的图7中显示出来。

3. 质量估计模型对于飞机的每个部件，对于计算总质量来说一个好的质量模型是必须的，并且总质量也将用于公式5中的计算。

简单的质量模型将不会以公式表达出来，而将会在在后文的图7中显示。

控制和导航系统的质量是确定的，这是一开始就定义好的。

电池的质量和其储存的能量成正比。

和平飞总功率、夜晚续航时间以及电池的能量密度成反比。

对于太阳能飞机来说，我们可以发现电池板铺设的区域每天所吸收的太阳光的能量与飞机一天所消耗的能量是相等的。

mppt cells solar in solm day dischrg chrg nightday A k T I T T ηηηηarg max tot -elet 2/)(P π=+* （6）得到的区域A solar 将会在后面用来推导电池板的质量，包括封装它的无反射片聚合物的己量也将被考虑进来。