本书基于作者多年来在太阳能无人机领域的研究理论和研究成果，结合工程实践经验撰写而成。书中系统梳理了国内外典型太阳能无人机的研发历程和设计特点，全面阐述了高空驻留太阳能无人机的设计与动力学问题，包括其总体设计、结构设计、能量管理、柔性机翼动力学和气动弹性等关键技术问题，内容丰富、结构完整，有助于读者增进对太阳能无人机的认识和了解，并形成一定的总体设计能力和结构设计能力。
本书可供从事太阳能无人机设计的科研人员、工程技术人员使用，也可供高等院校相关专业师生参考。
系统阐述高空太阳能无人机的总体设计、能源管理与结构动力学问题。
前言
实现不间断飞行是航空人永远追求的目标之一。随着航空科学技术和新能源技术的发展及两者的有机结合，由太阳能动力驱动的飞行器孕育而生，而且呈现出很好的发展势头。太阳能无人机以太阳辐射为主要驱动能源，能够长时间飞行，便于执行侦察监视等任务。高空驻留太阳能无人机通常飞行在20km高的临近空间中，能够充分利用太阳能，并减小大气流动的不利影响，其续航时间长、飞行高度高、使用灵活且不产生环境污染，在民用和军用领域具有广阔的应用前景。高空驻留太阳能无人机总体设计存在多设计要素高度耦合的特征，低速低密度飞行条件使其具有明显的低雷诺数气动特性，柔性超大展弦比机翼带来了复杂的气动弹性问题，低翼载荷特性与较大的风场扰动增加了控制难度，这给其设计和工程应用带来了重大挑战。因此本书对高空驻留太阳能无人机设计与动力学问题开展了研究，系统全面地论述了高空驻留太阳能无人机面临的总体设计、结构设计，以及柔性机翼动力学等问题，可作为从事太阳能无人机设计的研究人员重点技术攻关方向的参考，以及研究创新总体设计技术的支撑。
本书主体是作者基于高空驻留太阳能无人机总体设计、结构设计和动力学问题的研究成果创作而成的。
本书主要分为6章：第1章绪论，指明了太阳能无人机存在的广阔应用前景，通过对国内外典型的太阳能无人机发展历程的梳理归纳，提出了高空驻留太阳能无人机当前的技术难点与挑战，为后面5章的研究提供了背景和问题来源。第2章光伏组件面功率特性与太阳能无人机能源管理，本章基于太阳能无人机所处的能源环境，分析了其中关键的光伏组件随时间、季节、纬度变化的面功率特性，提出了一种主动式的光伏组件概念；基于热特性分析方法，分析了太阳能无人机的热特性，并提出了针对太阳能无人机的热管理部件设计方法和综合热管理策略。第3章太阳能无人机飞行原理与总体参数设计方法，本章基于太阳能无人机的质量平衡和能量平衡飞行原理，采用灵敏度分析方法分析了各总体参数对太阳能无人机可持续高度的影响及约束程度；在布局与能源综合设计思想指导下，建立了太阳能无人机总体参数设计方法，给出了低纬度地区和中纬度地区的太阳能无人机设计实例，并通过能量性能分析验证了方法的有效性。第4章太阳能无人机轻质结构设计，本章首先梳理总结了典型太阳能无人机的结构形式，而后针对典型太阳能无人机常采用的圆管梁、箱形梁、桁架梁，采用理论分析和有限元仿真方法对典型结构形式进行了对比分析，提出了太阳能无人机主梁方案的快速设计流程，后针对某太阳能无人机复合材料圆管梁的铺层优化设计问题进行了研究。第5章太阳能无人机动力学与风场建模方法，本章从几种简单的气动力模型和结构模型出发，通过耦合刚体动力学，建立了太阳能无人机的刚弹耦合动力学模型，针对太阳能无人机动力学具有显著影响的低高空飞行环境问题开展了风场建模研究。第6章太阳能无人机气动弹性问题研究，首先基于机翼帆尾布局形式，研究了点质量分布与结构柔度等结构属性对太阳能无人机性能的影响；之后针对大展弦比柔性机翼模型开展了颤振稳定性问题的研究；随后基于飞翼式布局的柔性无人机模型开展了颤振稳定性与阵风响应特性的研究。后以附录形式介绍了太阳神原理验证机事故调查报告概述，供相关设计人员参考。该调查报告回顾了太阳神太阳能无人机研发试飞中的构型发展历程和事故发生前后的事件记录，通过一些独立性的分析测试调查了导致事故的直接原因和根本原因等，并总结了相关的经验教训，可供相关人员学习借鉴。
本书每一章既自成体系，又统一于高空驻留太阳能无人机设计与动力学的主题，
旨在帮助读者了解高空驻留太阳能无人机的发展现状，并形成一定的高空驻留太阳能无人机的总体设计能力。
本书可供飞行器设计和动力学研究人员使用，也可作为高等院校航空专业的本科生、研究生和航空爱好者的学习参考书。
昌敏完成了本书的策划与统稿，并与汪辉、金朋完成了本书的主要撰写工作。各章的分工：第1章：昌敏、白俊强，第2章：汪辉、周洲、毛昭勇，第3章：昌敏、周洲，第4章：金朋，第5章：唐矗、白俊强，第6章：昌敏、张忻，附录：昌敏。在大家的共同努力下，本书才能顺利出版，在此致以诚挚的感谢！
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，请广大读者及时予以指正。
目录
序
前言
第1章绪论
1.1高空太阳能无人机应用背景与研究意义
1.2太阳能无人机国内外研究
1.2.1美国Solong小型太阳能无人机
1.2.2瑞士Atlantik Solar小型太阳能无人机
1.2.3美国Pathfinder系列高空太阳能无人机
1.2.4美国HAWK30高空太阳能无人机
1.2.5瑞士Solar Impulse太阳能载人飞机与Skydweller高空太阳能无人机
1.2.6英国Zephyr高空太阳能无人机
1.2.7美国Vulture计划高空太阳能无人机
1.2.8中国的太阳能无人机
1.3高空太阳能无人机的技术难点与挑战
1.3.1以能量为中心的太阳能无人机总体参数设计方法
1.3.2高空太阳能无人机高效气动与轻质结构设计
1.3.3太阳能无人机能源管理与热管理研究
1.3.4太阳能无人机气动弹性建模方法及动力学分析
参考文献
第2章光伏组件面功率特性与太阳能无人机能源管理
2.1太阳能无人机能源环境分析
2.1.1太阳辐射特性
2.1.2太阳与地平面相对位置的变化规律
2.1.3太阳总辐照度的变化规律
2.2高空环境下的光伏组件面功率模型
2.2.1太阳光线在光伏组件表面的入射角余弦值
2.2.2光伏组件的表面温度特性
2.2.3面功率模型
2.3光伏组件的面功率特性分析
2.3.1机翼上表面的光伏组件面功率特性
2.3.2仅水平翼面铺设光伏组件的太阳能无人机的可持续高度、纬度特性
2.3.3主动式光伏组件面功率特性
2.4太阳能无人机的热特性及能源管理问题
2.4.1热特性分析方法
2.4.2三维热环境仿真模型及分析结果
2.4.3热管理部件设计
2.4.4综合热管理策略
参考文献
第3章太阳能无人机飞行原理与总体参数设计方法
3.1太阳能无人机的能量平衡飞行原理
3.2基于能量平衡的太阳能无人机可持续高度分析
3.2.1翼载荷及各部件面密度特性
3.2.2各总体参数对可持续高度的影响
3.3太阳能无人机总体参数设计方法
3.3.1机翼帆尾布局太阳能无人机构型描述
3.3.2高空驻留太阳能无人机各部件质量组成
3.3.3质量平衡与能量平衡下的总体参数关联
3.3.4总体参数设计过程
3.4高空驻留太阳能无人机总体布局参数设计实例
3.4.1低纬度地区
3.4.2中纬度地区
参考文献
第4章太阳能无人机轻质结构设计
4.1典型太阳能无人机结构概述
4.1.1美国航境公司系列
4.1.2英国Zephyr太阳能无人机
4.1.3瑞士阳光动力太阳能无人机
4.1.4美国奥德修斯太阳能无人机
4.1.5结构形式总结
4.2太阳能无人机典型结构方案分析
4.2.1工字梁、圆管梁和箱形梁刚强度理论分析
4.2.2工字梁、圆管梁和箱形梁刚强度对比分析
4.2.3太阳能无人机机翼主梁方案快速设计流程
4.2.4复合材料桁架梁结构分析方法
4.3考虑纤维连续性的太阳能无人机复合材料圆管梁铺层优化设计研究
4.3.1复合材料结构铺层优化设计及纤维连续性模型
4.3.2主从式并行遗传算法
4.3.3优化程序与Nastran信息交互
4.3.4太阳能无人机机翼结构简介
4.3.5机翼有限元模型
4.3.6圆管梁优化模型
4.3.7圆管梁优化结果及分析
4.3.8小结
参考文献
第5章太阳能无人机动力学与风场建模方法
5.1非定常气动力模型
5.1.1Theodorsen理论
5.1.2有限状态理论
5.1.3ONEAR失速气动力模型
5.1.4偶极子网格法
5.1.5非定常涡格法
5.1.6气动模型对比算例
5.2结构动力学模型
5.2.1线性等效梁模型
5.2.2几何非线性梁模型
5.2.3结构模型对比算例
5.3刚弹耦合建模方法
5.3.1平均轴系法
5.3.2准坐标系法
5.4复杂风场建模方法
5.4.1低空飞行环境风场模拟
5.4.2高空飞行气象条件模拟
5.4.3风切变对无人机飞行的影响
参考文献
第6章太阳能无人机气动弹性问题研究
6.1结构属性对太阳能无人机性能影响研究
6.1.1机翼帆尾太阳能无人机总体参数
6.1.2结构属性对太阳能无人机静力学特性影响研究
6.1.3结构属性对太阳能无人机动力学特性影响研究
6.2大展弦比柔性机翼的颤振稳定性问题研究
6.2.1柔性机翼模型参数与结构模态分析
6.2.2经典颤振特性分析
6.2.3失速颤振特性分析
6.3飞翼无人机颤振稳定性与阵风响应特性研究
6.3.1飞翼无人机模型参数与结构模态分析
6.3.2体自由度颤振特性分析
6.3.3阵风响应时域特性分析
6.3.4阵风响应频域特性分析
参考文献
附录太阳神太阳能无人机飞行事故调查报告概述
1.坠机事件始末
1.1起飞前
1.2起飞
1.3坠机
1.4小结
2.分系统分析和测试
2.1结构和控制系统
2.2动力与推进系统
2.3结构完整性分析
2.4气象分析
3.直接原因、根本原因、促成因素和建议
参考文献
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