太阳能无人机平台 - 图文

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品 7

电压电流的作用，避免因为阳光因素导致供电不稳。

电压方面：单节锂聚合物电池的电压范围为3.7V~4.2V，若想实现太阳能电池对其充电，太阳能电池电压应与锂电池电压基本持平或略高，考虑到受日照条件影响，单节锂电池大约需要10片太阳能电池串联为其充电。如此算来，比较合理的布置是选用3节串联的锂电池（电压为11.1V~12.6V，如图9），太阳能电池片则30片为一组串联（电压约15V，受日照条件影响电流会存在一定的波动）。

图9 本项目选用的锂电池（3S 3000mAh 25C）

电流方面：一组30片串联的太阳能电池电流约4A，使用3组并联则共需要90片太阳能电池，考虑电池片的尺寸及翼面积大小，这是一个可以接受的数量，同时功率大约达到180w，也基本达到飞机平飞所用功率（起飞爬升则不够）。

因此，最终太阳能电池片的连接方式定为：30片串联为一组，再将这样的3组并联，形成一个电压15V，电流12A的电池组。

2.1.3动力系统

动力系统由电池（包括太阳能电池和锂电池，电池同时也属于能源系统）、电子调速器、电机、螺旋桨组成。

电池部分是电机的能量来源，也是本项目的核心部分。除了提供足够的电压与电流外，如何协调太阳能电池与锂电池的工作状态也是这部分的重要问题。有关能源管理的解决办法请参看后边的章节。

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品 8

电子调速器是将电池组输出的直流电转化成交流电的一个部件，它同时也有控制电流即控制动力大小的作用。电子调速器轻便小巧，转化效率很高，在小型无人机有很广泛的应用。其性能指标主要为允许通过的最大电流，最终，本项目组选用了40A的好赢牌“飞腾”系列电子调速器（如图10）。

图10 电子调速器

电机和螺旋桨共同构成电路的负载，也是飞机拉力的提供者。目前各大厂商生产的电机都会提供实测的拉力数据，这是我们选择电机的一大依据。当然由于本项目的特殊性，并非拉力越大越好，因为我们还要兼顾太阳能电池的功率。以下为本项目所选电机的参数。

图11 电机参数

螺旋桨我们选用了德国进口的CAM折叠桨，规格为电机推荐的12*6（如图11）。

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品 9

图12 折叠桨

以上为本飞机选用的动力系统，预计可以产生1.55kg的拉力。在项目的初期，我们从成本考虑，暂时没有加装减速组。在进一步的研究中拟通过计算与实验，找到一个高效的减速比，以此为基础选择减速组。

2.2气动外形设计 2.2.1气动布局简述

当前太阳能无人机的气动布局形式主要有常规布局和飞翼布局两种。常规布局是早已有之的布局形式，设计方法比较成熟，技术风险低，适合于太阳能无人机的初期设计。而在对太阳电池、储能系统、控制系统等方面研究成熟的情况下，可以考虑飞翼、联翼等先进布局形式，进一步提高无人机性能。

本项目采用了常规布局，为铺设更多的太阳能电池片以及获得更好的滑翔性能，机翼为大展弦比的矩形翼，水平尾翼上同样布置有太阳能电池片。而为了减小遮挡面积，垂直尾翼采用了H型安装方式，左右两垂尾均未布置太阳能电池片。起落架采用前三点式。

2.2.2飞机外形参数

展长（mm） 展弦比 翼面积（m2） 根稍比 尾容量 机翼 4940 12.35 1.976 1.00 平尾 1100 2.75 0.44 1.00 0.63 垂尾（上） 300 1.33 67500 1.65 0.01 垂尾（下） 100 0.42 24000 1.40 0.003 在飞机的俯视图中，浅绿色和深绿色代表铺设的太阳能电池，而从侧视图中可以清楚地看出尾翼的H型布局。

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品 10

=

图13 俯视图

图14 侧视图

飞机的气动外形设计过程中，要时刻考虑太阳能电池片的布置，这是与常规飞机设计的重大区别。可以看出，在机翼的弦向布置了2片太阳能电池，前缘与副翼部分由于工艺复杂没有布置任何太阳能电池片。左右机翼共布置了38*2=76片电池，尾翼布置了14片，共计有90片电池布置在翼面上。关于具体封装方式，后面章节有进一步说明。

2.2.3翼型

机翼的翼型选取，主要考虑在低雷诺数条件下有较大的升阻比。最终确定翼型为MH115（相对厚度11%，弯度5.5%），以下为其特性曲线。