本書基于作者多年來在太陽能無人機(jī)領(lǐng)域的研究理論和研究成果，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)撰寫而成。書中系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外典型太陽能無人機(jī)的研發(fā)歷程和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，全面闡述了高空駐留太陽能無人機(jī)的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)問題，包括其總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、能量管理、柔性機(jī)翼動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性等關(guān)鍵技術(shù)問題，內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)完整，有助于讀者增進(jìn)對(duì)太陽能無人機(jī)的認(rèn)識(shí)和了解，并形成一定的總體設(shè)計(jì)能力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。
本書可供從事太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)的科研人員、工程技術(shù)人員使用，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。

系統(tǒng)闡述高空太陽能無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)、能源管理與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題。

前言
實(shí)現(xiàn)不間斷飛行是航空人永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)之一。隨著航空科學(xué)技術(shù)和新能源技術(shù)的發(fā)展及兩者的有機(jī)結(jié)合，由太陽能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的飛行器孕育而生，而且呈現(xiàn)出很好的發(fā)展勢(shì)頭。太陽能無人機(jī)以太陽輻射為主要驅(qū)動(dòng)能源，能夠長(zhǎng)時(shí)間飛行，便于執(zhí)行偵察監(jiān)視等任務(wù)。高空駐留太陽能無人機(jī)通常飛行在20km高的臨近空間中，能夠充分利用太陽能，并減小大氣流動(dòng)的不利影響，其續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行高度高、使用靈活且不產(chǎn)生環(huán)境污染，在民用和軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。高空駐留太陽能無人機(jī)總體設(shè)計(jì)存在多設(shè)計(jì)要素高度耦合的特征，低速低密度飛行條件使其具有明顯的低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性，柔性超大展弦比機(jī)翼帶來了復(fù)雜的氣動(dòng)彈性問題，低翼載荷特性與較大的風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)增加了控制難度，這給其設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用帶來了重大挑戰(zhàn)。因此本書對(duì)高空駐留太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)問題開展了研究，系統(tǒng)全面地論述了高空駐留太陽能無人機(jī)面臨的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及柔性機(jī)翼動(dòng)力學(xué)等問題，可作為從事太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)的研究人員重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向的參考，以及研究創(chuàng)新總體設(shè)計(jì)技術(shù)的支撐。
本書主體是作者基于高空駐留太陽能無人機(jī)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)問題的研究成果創(chuàng)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(jī)存在的廣闊應(yīng)用前景，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的太陽能無人機(jī)發(fā)展歷程的梳理歸納，提出了高空駐留太陽能無人機(jī)當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，為后面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(jī)能源管理，本章基于太陽能無人機(jī)所處的能源環(huán)境，分析了其中關(guān)鍵的光伏組件隨時(shí)間、季節(jié)、緯度變化的面功率特性，提出了一種主動(dòng)式的光伏組件概念；基于熱特性分析方法，分析了太陽能無人機(jī)的熱特性，并提出了針對(duì)太陽能無人機(jī)的熱管理部件設(shè)計(jì)方法和綜合熱管理策略。第3章太陽能無人機(jī)飛行原理與總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法，本章基于太陽能無人機(jī)的質(zhì)量平衡和能量平衡飛行原理，采用靈敏度分析方法分析了各總體參數(shù)對(duì)太陽能無人機(jī)可持續(xù)高度的影響及約束程度；在布局與能源綜合設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，建立了太陽能無人機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法，給出了低緯度地區(qū)和中緯度地區(qū)的太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例，并通過能量性能分析驗(yàn)證了方法的有效性。第4章太陽能無人機(jī)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本章首先梳理總結(jié)了典型太陽能無人機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，而后針對(duì)典型太陽能無人機(jī)常采用的圓管梁、箱形梁、桁架梁，采用理論分析和有限元仿真方法對(duì)典型結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了太陽能無人機(jī)主梁方案的快速設(shè)計(jì)流程，后針對(duì)某太陽能無人機(jī)復(fù)合材料圓管梁的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。第5章太陽能無人機(jī)動(dòng)力學(xué)與風(fēng)場(chǎng)建模方法，本章從幾種簡(jiǎn)單的氣動(dòng)力模型和結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，通過耦合剛體動(dòng)力學(xué)，建立了太陽能無人機(jī)的剛彈耦合動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)太陽能無人機(jī)動(dòng)力學(xué)具有顯著影響的低高空飛行環(huán)境問題開展了風(fēng)場(chǎng)建模研究。第6章太陽能無人機(jī)氣動(dòng)彈性問題研究，首先基于機(jī)翼帆尾布局形式，研究了點(diǎn)質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)柔度等結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽能無人機(jī)性能的影響；之后針對(duì)大展弦比柔性機(jī)翼模型開展了顫振穩(wěn)定性問題的研究；隨后基于飛翼式布局的柔性無人機(jī)模型開展了顫振穩(wěn)定性與陣風(fēng)響應(yīng)特性的研究。后以附錄形式介紹了太陽神原理驗(yàn)證機(jī)事故調(diào)查報(bào)告概述，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。該調(diào)查報(bào)告回顧了太陽神太陽能無人機(jī)研發(fā)試飛中的構(gòu)型發(fā)展歷程和事故發(fā)生前后的事件記錄，通過一些獨(dú)立性的分析測(cè)試調(diào)查了導(dǎo)致事故的直接原因和根本原因等，并總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可供相關(guān)人員學(xué)習(xí)借鑒。
本書每一章既自成體系，又統(tǒng)一于高空駐留太陽能無人機(jī)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)的主題，
旨在幫助讀者了解高空駐留太陽能無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并形成一定的高空駐留太陽能無人機(jī)的總體設(shè)計(jì)能力。
本書可供飛行器設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)研究人員使用，也可作為高等院校航空專業(yè)的本科生、研究生和航空愛好者的學(xué)習(xí)參考書。
昌敏完成了本書的策劃與統(tǒng)稿，并與汪輝、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(qiáng)，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(qiáng)，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(chéng)摯的感謝！
由于作者水平有限，書中難免存在不足之處，請(qǐng)廣大讀者及時(shí)予以指正。

目錄
序
前言
第1章緒論
1.1高空太陽能無人機(jī)應(yīng)用背景與研究意義
1.2太陽能無人機(jī)國(guó)內(nèi)外研究
1.2.1美國(guó)Solong小型太陽能無人機(jī)
1.2.2瑞士Atlantik Solar小型太陽能無人機(jī)
1.2.3美國(guó)Pathfinder系列高空太陽能無人機(jī)
1.2.4美國(guó)HAWK30高空太陽能無人機(jī)
1.2.5瑞士Solar Impulse太陽能載人飛機(jī)與Skydweller高空太陽能無人機(jī)
1.2.6英國(guó)Zephyr高空太陽能無人機(jī)
1.2.7美國(guó)Vulture計(jì)劃高空太陽能無人機(jī)
1.2.8中國(guó)的太陽能無人機(jī)
1.3高空太陽能無人機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
1.3.1以能量為中心的太陽能無人機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法
1.3.2高空太陽能無人機(jī)高效氣動(dòng)與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.3.3太陽能無人機(jī)能源管理與熱管理研究
1.3.4太陽能無人機(jī)氣動(dòng)彈性建模方法及動(dòng)力學(xué)分析
參考文獻(xiàn)
第2章光伏組件面功率特性與太陽能無人機(jī)能源管理
2.1太陽能無人機(jī)能源環(huán)境分析
2.1.1太陽輻射特性
2.1.2太陽與地平面相對(duì)位置的變化規(guī)律
2.1.3太陽總輻照度的變化規(guī)律
2.2高空環(huán)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余弦值
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(jī)翼上表面的光伏組件面功率特性
2.3.2僅水平翼面鋪設(shè)光伏組件的太陽能無人機(jī)的可持續(xù)高度、緯度特性
2.3.3主動(dòng)式光伏組件面功率特性
2.4太陽能無人機(jī)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(huán)境仿真模型及分析結(jié)果
2.4.3熱管理部件設(shè)計(jì)
2.4.4綜合熱管理策略
參考文獻(xiàn)
第3章太陽能無人機(jī)飛行原理與總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法
3.1太陽能無人機(jī)的能量平衡飛行原理
3.2基于能量平衡的太陽能無人機(jī)可持續(xù)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(shù)對(duì)可持續(xù)高度的影響
3.3太陽能無人機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法
3.3.1機(jī)翼帆尾布局太陽能無人機(jī)構(gòu)型描述
3.3.2高空駐留太陽能無人機(jī)各部件質(zhì)量組成
3.3.3質(zhì)量平衡與能量平衡下的總體參數(shù)關(guān)聯(lián)
3.3.4總體參數(shù)設(shè)計(jì)過程
3.4高空駐留太陽能無人機(jī)總體布局參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例
3.4.1低緯度地區(qū)
3.4.2中緯度地區(qū)
參考文獻(xiàn)
第4章太陽能無人機(jī)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1典型太陽能無人機(jī)結(jié)構(gòu)概述
4.1.1美國(guó)航境公司系列
4.1.2英國(guó)Zephyr太陽能無人機(jī)
4.1.3瑞士陽光動(dòng)力太陽能無人機(jī)
4.1.4美國(guó)奧德修斯太陽能無人機(jī)
4.1.5結(jié)構(gòu)形式總結(jié)
4.2太陽能無人機(jī)典型結(jié)構(gòu)方案分析
4.2.1工字梁、圓管梁和箱形梁剛強(qiáng)度理論分析
4.2.2工字梁、圓管梁和箱形梁剛強(qiáng)度對(duì)比分析
4.2.3太陽能無人機(jī)機(jī)翼主梁方案快速設(shè)計(jì)流程
4.2.4復(fù)合材料桁架梁結(jié)構(gòu)分析方法
4.3考慮纖維連續(xù)性的太陽能無人機(jī)復(fù)合材料圓管梁鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
4.3.1復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)及纖維連續(xù)性模型
4.3.2主從式并行遺傳算法
4.3.3優(yōu)化程序與Nastran信息交互
4.3.4太陽能無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
4.3.5機(jī)翼有限元模型
4.3.6圓管梁優(yōu)化模型
4.3.7圓管梁優(yōu)化結(jié)果及分析
4.3.8小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章太陽能無人機(jī)動(dòng)力學(xué)與風(fēng)場(chǎng)建模方法
5.1非定常氣動(dòng)力模型
5.1.1Theodorsen理論
5.1.2有限狀態(tài)理論
5.1.3ONEAR失速氣動(dòng)力模型
5.1.4偶極子網(wǎng)格法
5.1.5非定常渦格法
5.1.6氣動(dòng)模型對(duì)比算例
5.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)模型對(duì)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(zhǔn)坐標(biāo)系法
5.4復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)建模方法
5.4.1低空飛行環(huán)境風(fēng)場(chǎng)模擬
5.4.2高空飛行氣象條件模擬
5.4.3風(fēng)切變對(duì)無人機(jī)飛行的影響
參考文獻(xiàn)
第6章太陽能無人機(jī)氣動(dòng)彈性問題研究
6.1結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽能無人機(jī)性能影響研究
6.1.1機(jī)翼帆尾太陽能無人機(jī)總體參數(shù)
6.1.2結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽能無人機(jī)靜力學(xué)特性影響研究
6.1.3結(jié)構(gòu)屬性對(duì)太陽能無人機(jī)動(dòng)力學(xué)特性影響研究
6.2大展弦比柔性機(jī)翼的顫振穩(wěn)定性問題研究
6.2.1柔性機(jī)翼模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
6.2.2經(jīng)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(jī)顫振穩(wěn)定性與陣風(fēng)響應(yīng)特性研究
6.3.1飛翼無人機(jī)模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
6.3.2體自由度顫振特性分析
6.3.3陣風(fēng)響應(yīng)時(shí)域特性分析
6.3.4陣風(fēng)響應(yīng)頻域特性分析
參考文獻(xiàn)
附錄太陽神太陽能無人機(jī)飛行事故調(diào)查報(bào)告概述
1.墜機(jī)事件始末
1.1起飛前
1.2起飛
1.3墜機(jī)
1.4小結(jié)
2.分系統(tǒng)分析和測(cè)試
2.1結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)
2.2動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)
2.3結(jié)構(gòu)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(xiàn)