基于重力势/风梯度的太阳能飞行器高空长航时飞行问题研究

One of the ultimate aims for aeronautical science and technology is to achieve the High Altitude Long Endurance (HALE) flight, the authentic HALE flight is the persistent cruise in near-space. Applying solar energy is one of the most promising methods to achieve the aim of HALE flight. However, owing to the development constraints of rechargeable batteries, the solar-powered HALE aircraft must take amount of rechargeable batteries to fulfill the energy requirement in night, which greatly limits the operation altitude of aircraft. Motivated by the.flight of birds, the research object of this project is to make full use of the properties of environment in nearspace to solve the energy problem between supply and demand for the solar-powered aircraft to achieve HALE flight. Based on the analysis of crucial constraints for the HALE flight, the methods of energy stored by gravitational potential and energy extracted from wind shear are proposed, the.probems such as: the properties of the Maximum Endurance Path (MEP) of gravitational gliding, the Energy Management Strategy (EMS) of gravity protential, the motion characteristics of dynamic soaring, the power and efficiencies of different patterns of dynamic soaring for harvesting energy from wind shear and so on are analyzed. The research works in this project can supply some govern priciples for the HALE flight of solar-powered aircraft and extend the applied boundary of aeronautic engineering.

利用临近空间稳定的大气环境和太阳能源实现超长航时升力飞行的太阳能飞行器是当前国际研究的热点和前沿领域之一。如何实现太阳能飞行器跨昼夜长期运行和在平流层高度稳定飞行是该领域目前面临的核心挑战。受制于当前和可预期的技术发展水平，比照传统飞行器设计模式开发临近空间太阳能飞行器仍然是开发和应用的瓶颈和障碍。本项目从制约临近空间太阳能飞行器高空长航时飞行性能的关键约束分析入手，引入利用重力势能储能和风梯度能量获取进行航迹规划的创新思路，并对利用滑翔实现重力势能转换的最优路径、重力势能储能策略与能量规划、风梯度滑翔轨迹运动特征分析、风梯度能量获取功率和效率以及太阳能飞行器综合利用重力势和风梯度的问题进行研究。项目的研究方法可为拓展临近空间太阳能飞行器性能边界提供思路，为建立当前重点技术攻关方向提供参考，为创新总体设计提供技术支撑。

如何实现太阳能飞行器跨昼夜长期飞行是临近空间领域面临的核心挑战。受制于当前技术发展水平，比照传统飞行器设计模式开发临近空间太阳能飞行器仍然是开发和应用的瓶颈和障碍。本项目从制约临近空间太阳能飞行器性能的关键约束分析入手，重点引入基于重力势能储能和基于风梯度能量获取的创新思路，结合临近空间环境特征推动临近空间太阳能飞行器的实现和应用。项目主要研究内容包括：.（1）开展了利用滑翔实现重力势能转换的最优路径研究。提出了一种估计哈密顿方程中协状态变量方法，利用高斯伪谱方法求解该问题。研究了初始高度和速度对转化性能的影响，结果表明采用重力滑翔的方式可减少跨昼夜飞行所需携带的储能电池质量，有利于克服当前储能电池能源密度低的瓶颈问题。.（2）建立了重力储能和势能获取策略。提出一种适用于太阳能飞行器重力势能储能的能量规划方法，并对重力势能储能与储能电池储能的等价性问题进行了分析和讨论。相比目前依靠储能电池的平飞巡航能量规划方法，所提方法在跨昼夜飞行过程中可减少大约 23.5%的能量消耗。 .（3）建立了自主风梯度滑翔飞行简化方法。在建立运动学模型的基础上，采用高斯伪谱方法对最优风梯度滑翔轨迹进行求解。将特征轨迹分为逆风爬升段、高空转弯段、顺风下降段和低空转弯段。按照所规划航迹，可有效从风梯度中获取能量，并简化滑翔轨迹生成过程。 .（4）对临近空间太阳能飞行器综合利用重力势和风梯度进行了研究，分析了爬升和滑翔阶段风梯度对飞行器能量消耗的影响。对飞行器上升阶段所能达到的最大高度问题和飞行器在重力滑翔阶段所能支撑的最长滑翔时间问题分别进行讨论的基础上，分析了梯度风方向和大小对爬升和下降阶段的影响。.项目研究为太阳能飞行器利用重力势能储能和风梯度能量获取技术实现高空长航时飞行提供了基本设计思路和分析方法。可为拓展临近空间太阳能飞行器性能边界提供思路，为建立当前重点技术攻关方向提供参考，为创新总体设计提供了技术支撑。