高空太陽能無人機設計與動力學

《高空太陽能無人機設計與動力學》是2023年機械工業出版社出版的圖書，作者是昌敏、汪輝、金朋等。

基本介紹

• 中文名：高空太陽能無人機設計與動力學
• 作者：昌敏、汪輝、金朋等
• 出版時間：2023年6月
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111727606
• 類別：圖書>工業技術>航空/航天
• 開本：16 開
• 裝幀：平裝-膠訂

內容簡介

本書基於作者多年來在太陽能無人機領域的研究理論和研究成果，結合工程實踐經驗撰寫而成。書中系統梳理了國內外典型太陽能無人機的研發歷程和設計特點，全面闡述了高空駐留太陽能無人機的設計與動力學問題，包括其總體設計、結構設計、能量管理、柔性機翼動力學和氣動彈性等關鍵技術問題，內容豐富、結構完整，有助於讀者增進對太陽能無人機的認識和了解，並形成一定的總體設計能力和結構設計能力。

本書可供從事太陽能無人機設計的科研人員、工程技術人員使用，也可供高等院校相關專業師生參考。

編輯推薦

系統闡述高空太陽能無人機的總體設計、能源管理與結構動力學問題。

圖書目錄

序

前言

第1章緒論

1.1高空太陽能無人機套用背景與研究意義

1.2太陽能無人機國內外研究

1.2.1美國Solong小型太陽能無人機

1.2.2瑞士Atlantik Solar小型太陽能無人機

1.2.3美國Pathfinder系列高空太陽能無人機

1.2.4美國HAWK30高空太陽能無人機

1.2.5瑞士Solar Impulse太陽能載人飛機與Skydweller高空太陽能無人機

1.2.6英國Zephyr高空太陽能無人機

1.2.7美國Vulture計畫高空太陽能無人機

1.2.8中國的太陽能無人機

1.3高空太陽能無人機的技術難點與挑戰

1.3.1以能量為中心的太陽能無人機總體參數設計方法

1.3.2高空太陽能無人機高效氣動與輕質結構設計

1.3.3太陽能無人機能源管理與熱管理研究

1.3.4太陽能無人機氣動彈性建模方法及動力學分析

參考文獻

第2章光伏組件面功率特性與太陽能無人機能源管理

2.1太陽能無人機能源環境分析

2.1.1太陽輻射特性

2.1.2太陽與地平面相對位置的變化規律

2.1.3太陽總輻照度的變化規律

2.2高空環境下的光伏組件面功率模型

2.2.1太陽光線在光伏組件表面的入射角餘弦值

2.2.2光伏組件的表面溫度特性

2.2.3面功率模型

2.3光伏組件的面功率特性分析

2.3.1機翼上表面的光伏組件面功率特性

2.3.2僅水平翼面鋪設光伏組件的太陽能無人機的可持續高度、緯度特性

2.3.3主動式光伏組件面功率特性

2.4太陽能無人機的熱特性及能源管理問題

2.4.1熱特性分析方法

2.4.2三維熱環境仿真模型及分析結果

2.4.3熱管理部件設計

2.4.4綜合熱管理策略

參考文獻

第3章太陽能無人機飛行原理與總體參數設計方法

3.1太陽能無人機的能量平衡飛行原理

3.2基於能量平衡的太陽能無人機可持續高度分析

3.2.1翼載荷及各部件面密度特性

3.2.2各總體參數對可持續高度的影響

3.3太陽能無人機總體參數設計方法

3.3.1“機翼—帆尾”布局太陽能無人機構型描述

3.3.2高空駐留太陽能無人機各部件質量組成

3.3.3質量平衡與能量平衡下的總體參數關聯

3.3.4總體參數設計過程

3.4高空駐留太陽能無人機總體布局參數設計實例

3.4.1低緯度地區

3.4.2中緯度地區

參考文獻

第4章太陽能無人機輕質結構設計

4.1典型太陽能無人機結構概述

4.1.1美國航境公司系列

4.1.2英國Zephyr太陽能無人機

4.1.3瑞士“陽光動力”太陽能無人機

4.1.4美國“奧德修斯”太陽能無人機

4.1.5結構形式總結

4.2太陽能無人機典型結構方案分析

4.2.1工字梁、圓管梁和箱形梁剛強度理論分析

4.2.2工字梁、圓管梁和箱形梁剛強度對比分析

4.2.3太陽能無人機機翼主梁方案快速設計流程

4.2.4複合材料桁架梁結構分析方法

4.3考慮纖維連續性的太陽能無人機複合材料圓管梁鋪層最佳化設計研究

4.3.1複合材料結構鋪層最佳化設計及纖維連續性模型

4.3.2主從式並行遺傳算法

4.3.3最佳化程式與Nastran信息互動

4.3.4太陽能無人機機翼結構簡介

4.3.5機翼有限元模型

4.3.6圓管梁最佳化模型

4.3.7圓管梁最佳化結果及分析

4.3.8小結

參考文獻

第5章太陽能無人機動力學與風場建模方法

5.1非定常氣動力模型

5.1.1Theodorsen理論

5.1.2有限狀態理論

5.1.3ONEAR失速氣動力模型

5.1.4偶極子格線法

5.1.5非定常渦格法

5.1.6氣動模型對比算例

5.2結構動力學模型

5.2.1線性等效梁模型

5.2.2幾何非線性梁模型

5.2.3結構模型對比算例

5.3剛彈耦合建模方法

5.3.1平均軸系法

5.3.2準坐標系法

5.4複雜風場建模方法

5.4.1低空飛行環境風場模擬

5.4.2高空飛行氣象條件模擬

5.4.3風切變對無人機飛行的影響

參考文獻

第6章太陽能無人機氣動彈性問題研究

6.1結構屬性對太陽能無人機性能影響研究

6.1.1“機翼—帆尾”太陽能無人機總體參數

6.1.2結構屬性對太陽能無人機靜力學特性影響研究

6.1.3結構屬性對太陽能無人機動力學特性影響研究

6.2大展弦比柔性機翼的顫振穩定性問題研究

6.2.1柔性機翼模型參數與結構模態分析

6.2.2經典顫振特性分析

6.2.3失速顫振特性分析

6.3飛翼無人機顫振穩定性與陣風回響特性研究

6.3.1飛翼無人機模型參數與結構模態分析

6.3.2體自由度顫振特性分析

6.3.3陣風回響時域特性分析

6.3.4陣風回響頻域特性分析

參考文獻

附錄“太陽神”太陽能無人機飛行事故調查報告概述

1.墜機事件始末

1.1起飛前

1.2起飛

1.3墜機

1.4小結

2.分系統分析和測試

2.1結構和控制系統

2.2動力與推進系統

2.3結構完整性分析

2.4氣象分析

3.直接原因、根本原因、促成因素和建議

參考文獻

前言

實現不間斷飛行是航空人永遠追求的目標之一。隨著航空科學技術和新能源技術的發展及兩者的有機結合，由太陽能動力驅動的飛行器孕育而生，而且呈現出很好的發展勢頭。太陽能無人機以太陽輻射為主要驅動能源，能夠長時間飛行，便於執行偵察監視等任務。高空駐留太陽能無人機通常飛行在20km高的臨近空間中，能夠充分利用太陽能，並減小大氣流動的不利影響，其續航時間長、飛行高度高、使用靈活且不產生環境污染，在民用和軍用領域具有廣闊的套用前景。高空駐留太陽能無人機總體設計存在多設計要素高度耦合的特徵，低速低密度飛行條件使其具有明顯的低雷諾數氣動特性，柔性超大展弦比機翼帶來了複雜的氣動彈性問題，低翼載荷特性與較大的風場擾動增加了控制難度，這給其設計和工程套用帶來了重大挑戰。因此本書對高空駐留太陽能無人機設計與動力學問題開展了研究，系統全面地論述了高空駐留太陽能無人機面臨的總體設計、結構設計，以及柔性機翼動力學等問題，可作為從事太陽能無人機設計的研究人員重點技術攻關方向的參考，以及研究創新總體設計技術的支撐。

本書主體是作者基於高空駐留太陽能無人機總體設計、結構設計和動力學問題的研究成果創作而成的。

本書主要分為6章：第1章緒論，指明了太陽能無人機存在的廣闊套用前景，通過對國內外典型的太陽能無人機發展歷程的梳理歸納，提出了高空駐留太陽能無人機當前的技術難點與挑戰，為後面5章的研究提供了背景和問題來源。第2章光伏組件面功率特性與太陽能無人機能源管理，本章基於太陽能無人機所處的能源環境，分析了其中關鍵的光伏組件隨時間、季節、緯度變化的面功率特性，提出了一種主動式的光伏組件概念；基於熱特性分析方法，分析了太陽能無人機的熱特性，並提出了針對太陽能無人機的熱管理部件設計方法和綜合熱管理策略。第3章太陽能無人機飛行原理與總體參數設計方法，本章基於太陽能無人機的質量平衡和能量平衡飛行原理，採用靈敏度分析方法分析了各總體參數對太陽能無人機可持續高度的影響及約束程度；在布局與能源綜合設計思想指導下，建立了太陽能無人機總體參數設計方法，給出了低緯度地區和中緯度地區的太陽能無人機設計實例，並通過能量性能分析驗證了方法的有效性。第4章太陽能無人機輕質結構設計，本章首先梳理總結了典型太陽能無人機的結構形式，而後針對典型太陽能無人機常採用的圓管梁、箱形梁、桁架梁，採用理論分析和有限元仿真方法對典型結構形式進行了對比分析，提出了太陽能無人機主梁方案的快速設計流程，後針對某太陽能無人機複合材料圓管梁的鋪層最佳化設計問題進行了研究。第5章太陽能無人機動力學與風場建模方法，本章從幾種簡單的氣動力模型和結構模型出發，通過耦合剛體動力學，建立了太陽能無人機的剛彈耦合動力學模型，針對太陽能無人機動力學具有顯著影響的低高空飛行環境問題開展了風場建模研究。第6章太陽能無人機氣動彈性問題研究，首先基於“機翼—帆尾”布局形式，研究了“點質量分布”與“結構柔度”等結構屬性對太陽能無人機性能的影響；之後針對大展弦比柔性機翼模型開展了顫振穩定性問題的研究；隨後基於飛翼式布局的柔性無人機模型開展了顫振穩定性與陣風回響特性的研究。後以附錄形式介紹了“太陽神”原理驗證機事故調查報告概述，供相關設計人員參考。該調查報告回顧了太陽神太陽能無人機研發試飛中的構型發展歷程和事故發生前後的事件記錄，通過一些獨立性的分析測試調查了導致事故的直接原因和根本原因等，並總結了相關的經驗教訓，可供相關人員學習借鑑。

本書每一章既自成體系，又統一於高空駐留太陽能無人機設計與動力學的主題，

旨在幫助讀者了解高空駐留太陽能無人機的發展現狀，並形成一定的高空駐留太陽能無人機的總體設計能力。

本書可供飛行器設計和動力學研究人員使用，也可作為高等院校航空專業的本科生、研究生和航空愛好者的學習參考書。

昌敏完成了本書的策劃與統稿，並與汪輝、金朋完成了本書的主要撰寫工作。各章的分工：第1章：昌敏、白俊強，第2章：汪輝、周洲、毛昭勇，第3章：昌敏、周洲，第4章：金朋，第5章：唐矗、白俊強，第6章：昌敏、張忻，附錄：昌敏。在大家的共同努力下，本書才能順利出版，在此致以誠摯的感謝！

由於作者水平有限，書中難免存在不足之處，請廣大讀者及時予以指正。