用于農林偵察的太陽能無人機設計
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摘 要：目前全球能源短缺、環境污染和溫室效應等問題越來越嚴重，大規模的開發新清潔能源將是未來發展趨勢，太陽能的利用轉換對于飛行器供能方式多樣化的研究具有重要意義，無人機偵察與監測無疑對黃河三角洲農林的偵察問題更加簡時省力，操作簡單、速度快、效率高，而太陽能飛機和固定翼飛機擁有其他無人機不可比擬的優點。通過大展弦比的設計，自主設計針對黃河三角洲地區的機型并不斷改進飛機載重、機翼結構及總體布局，以減低誘導阻力，使機翼受到翼尖渦流小;創新性地增大太陽能板鋪設面積;出于配平和提供安放電池板的空間考慮，設計機頭比較長;降低雷諾數，提高螺旋槳的效率;利用太陽能轉換鋰電池供電，增加航時航高，以實現太陽能無人機的應用;基于遙感和圖傳系統，通過航線規劃設計，可以長時間地進行數據傳輸和圖像采集，實時對黃河三角洲農林出現的生態環境污染和土地鹽堿化等問題進行長時間、有針對性的偵察和監測，并且可以靈活執行多種任務，將具有廣闊前景和應用范圍。
關鍵詞：太陽能轉換;大展弦比;農林偵察;黃河三角洲地區;鋪設面積;低雷諾數
中圖分類號：V221 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）07-0008-05
Abstract： At present， the global energy shortage， environmental pollution and greenhouse effect and other problems are becoming more and more serious. The large-scale development of new clean energy will be the future development trend. the utilization and conversion of solar energy is of great significance to the study of the diversification of aircraft energy supply methods. There is no doubt that UAV detection and monitoring of agriculture and forestry reconnaissance in the Yellow River Delta is more time-saving and labor-saving， simple operation， high speed and high efficiency， while solar aircraft and fixed-wing aircraft have incomparable advantages over other UAVs. Through the design of large aspect ratio， the aircraft in the Yellow River Delta region is designed independently and the load， wing structure and overall layout of the aircraft are continuously improved in order to reduce the induced drag and reduce the vortex at the wing tip. Creatively increase the laying area of solar panels; in order to balance and provide the space for placing panels， the design nose is longer; the Reynolds number is reduced and the efficiency of the propeller is improved; the solar energy is used to convert lithium battery power supply to increase the altitude during navigation. Based on remote sensing and graphic transmission system， data transmission and image acquisition can be carried out for a long time through route planning and design. In real time， the ecological environment pollution and land salinization in the Yellow River Delta will be investigated and monitored for a long time， and a variety of tasks can be carried out flexibly， which will have broad prospects and application scope.
Keywords： solar energy conversion; large aspect ratio; agroforestry reconnaissance; Yellow River Delta region; laying area; low Reynolds number
1 概述
1.1 背景 1.1.1 全球能源問題
目前全球能源短缺、環境污染和溫室效應等問題越來越嚴重，大規模的開發新清潔能源將是未來發展趨勢。以太陽能利用為標志的新能源技術即是其中之一，由此形成了高科技產業——太陽能產業。研發生產各種太陽能跟蹤、捕獲、轉換、傳輸和存儲的技術和設備，必將產生巨大的經濟效益和社會效益。
1.1.2 黃河三角洲生態發展問題
黃河三角洲堅持因地制宜發展農業原則，以“高效、生態、規模、創新”為農業發展思路，并摸索切合本地實際的生態農業模式，生態農業建設取得一定成績，積累了豐富經驗，生態環境也極大改善。
但黃河三角洲生態農業在發展中也存在問題， 例如：土壤鹽漬化、植被減少、生態系統脆弱。
針對黃河三角洲的農林問題，無人機偵察與監測無疑更加簡時省力，操作簡單、速度快、效率高，而太陽能飛機和固定翼飛機擁有其他無人機不可比擬的優點。
1.2 國內外研究現狀
早在2003年，英國QinetiQ啟動了“西風”計劃，先后研制了多架原型機，不斷提升尺寸和性能，在澳大利亞、歐洲和美國等地進行了試飛。2010年，“西風”太陽能無人機在美國亞利桑那州上空連續飛行超過了14天，時間超過336h，最大飛行高度達到21562m，創造了無人機不間斷飛行時間的新紀錄。
2018年，在第十一屆中國國際航空航天博覽會上，展出了“彩虹”系列無人機和“環?！毙吞柲軣o人機。目前，在我國已經形成了初步的太陽能產業鏈，并呈現出良好的發展前景，我國也積極從事太陽能利用事業。
2 目標設計
2.1 使用太陽能清潔能源
太陽能飛機是以太陽輻射為推進能源的飛機。它具有成本低、重量輕、清潔無污染等特點。在目前大力開發新能源的大背景下，它對于飛行器供能方式多樣化的研究具有重要意義。
2.2 大展弦比
展弦比即機翼翼展和平均幾何弦之比。
由于上下翼面氣流流線的傾斜，上下翼面氣流在機翼后緣會合時盡管壓強一樣，但展向分速是相反的，所以在后緣處要拖出軸線幾乎與來流方向平行的漩渦組成的渦面。
展弦比的大小對飛機飛行性能有明顯的影響。展弦比增大時，機翼的誘導阻力會降低，從而可以提高飛機的機動性和增加亞音速航程。
通過大展弦比的設計，自主設計機型并不斷改進飛機載重、機翼結構及總體布局，以減低誘導阻力。
2.3 太陽能板鋪設面積
增大太陽能板鋪設面積，以增加太陽能利用率，提高太陽能轉換供電，創新性的增加機頭、尾翼的太陽能鋪設。
飛機耗盡其可用燃料所能持續飛行的時間稱為航時。飛機在飛行過程中距地球上某一基準面的垂直距離成為航高。
增大太陽能電池板的鋪設面積有利于增加無人機的航時航高，以實現太陽能無人機的應用。
3 外觀設計
3.1 材料
機身采用輕木和碳桿制作而成，1mm輕木片（蒙板）、2mm輕木片（翼肋）、2mm椴木板（翼肋）、5mm輕木板（襟副翼、尾翼）、1mm、2mm桐木片（腹板）、2*8mm桐木條（翼梁），并且在機翼內外端連接梁以及需要強度的地方以碳纖維桿做支撐，保證了一定的承載強度，而且使得飛機質量不至于過沉。
3.2翼型
利用PIV系統對翼型流場進行測量。不斷改變翼型數據及雷諾數，數值模擬采用FLUENT軟件。
3.3 長機身
所以出于配平和提供安放電池板的空間考慮機頭比較長。
3.4 大翼展
翼展指固定翼飛行器的機翼左右翼尖之間的距離，也是機翼的平面形狀的展長。通過升力線理論，我們可以得到，大展弦比直機翼所具有的低速升阻特性。
4 技術數據
4.1 基礎數據
4.2 儲能系統
傳統無人機多為鋰電池和油動無人機，而鋰電池面臨著電池性能下降、續航時間短，油動無人機穩定性差、操縱復雜、對起飛場地要求極高、震動大且危險性大。
太陽能電池陣列將太陽輻射能轉換為電能，儲能子系統可以用于儲存富余的能量，在太陽輻射減弱時它能維持太陽能飛機的運行。
能量管理與分配子系統包含太陽能控制器、穩壓模塊和各個子系統間的電路;在反復考察下，采用利用太陽能電池板的電路改進，將太陽能輸入持續轉換到聚合物鋰電池上的方法。
4.3 飛行控制系統
飛控系統對飛行器的各種飛行姿態進行控制，控制舵量以保證飛機平穩飛行。
選用PIXHAWK2開源飛控自駕儀固定翼多旋翼垂直起降PIX飛行控制。
PIX作為新一代的開源飛控硬件，雙處理器提供更穩定的飛行方案，核心處理器外加FPU（浮點運算單元）、故障保護協處理器、閃存2MB、內存256kb;飛控模塊化，針對不同需求提供自定義模板;完全兼容RTK差分GPS，可實現厘米級精確定位;三余度慣性導航系統（IMU），3×加速計、3×陀螺儀、3×磁羅盤、2×氣壓計，使飛行安全更有保障;IMU內置隔離減震，相較1代，抗干擾性和穩定性都有優化;IMU恒溫控制，工作溫度（-10℃-55℃），內置發熱電阻，在低溫環境下依然能保持恒溫作業。
4.4 相機鏡頭的搭載
選用FPV廣角攝像頭，它的外殼尺寸大小為12mm×12mm×12mm（長寬高），鏡頭標準1.8MM，重量5.5克，信號制式PAL（默認），總像素PAL：1020H×596V（61萬），有效像素PAL：976H×582V（57萬），最低照度0.01 LUX/F1.2，水平清晰度700TVL，掃描頻率50Hz，曝光模式為電子曝光，電子快門速度為1/50～1/100000s，信噪比>46dB，視頻輸出1.0Vp-p/75，操作溫度-20℃-60℃，工作濕度為相對濕度低于95%，工作電壓為寬電壓DC3.7-5V。 5 性能創新
5.1 在機身和尾翼上安裝太陽能電池板
嘗試在機身和尾翼上安裝太陽能電池板，增大太陽能接受面積，太陽能電池板的面積、位置會影響太陽能的利用率。
可以保證在仍可安裝電池板的前提下機翼只安裝少量電池板，這樣就可以不需為了安裝太陽能電池板而在氣動上做妥協，保留了飛機大展弦比的滑翔機外形，更加適合高速飛行。
5.2 出于配平和提供安放電池板的空間考慮，機頭比較長
考慮到飛機的載重平衡，但因為機尾安裝了太陽能電池板，因此出于配平和提供安放電池板的空間考慮，選用長機頭。
5.3 大展弦比，誘導阻力小
展弦比即機翼翼展和平均幾何弦之比。
把飛機實際升力分解成垂直于飛行速度方向和平等于飛行速度方向的兩個分力。垂直于飛行速度方向的分力，起著升力的作用;平行于飛行速度方向的分力，則起著阻礙飛機前進的作用，成為一部分附加阻力，這部分附加阻力稱為誘導阻力。
大展弦比的機翼受到翼尖渦流的影響，比起小展弦比受到的影響相對要輕。所以大展弦比的誘導阻力要小。
5.4 低雷諾數
雷諾數（Reynolds number）：一種可用來表征流體流動情況的無量綱數。
空氣動力學的發展將逐步提高螺旋槳的效率。飛機的雷諾數表達式為：Re=（ρ÷μ）×V×L，其中ρ、μ為流體密度和動力粘性系數，V、L為流場的特征速度和特征長度，式中：空氣的參考粘度為0.0000179kg/（m·s-1）。
雷諾數較小時，粘滯力對流場的影響大于慣性，流場中流速的擾動會因粘滯力而衰減，流體流動穩定，為層流;反之，若雷諾數較大時，流體流動較不穩定，流速的微小變化容易發展、增強，形成紊亂、不規則的紊流流場。因此低雷諾數空氣動力學的發展將逐步提高螺旋槳的效率。
5.5 采用太陽能——清潔能源
當今世界能源消耗量大幅上升，化石能源枯竭問題和能源環境污染問題依然困擾人類，能源的生產和消費影響了全球氣候變化，造成了環境污染和生態破壞，并產生了能源安全問題。
作為無限可再生和零排放能源的太陽能，它無噪音，且對當地環境沒有影響。
我國擁有豐富的太陽能資源。據統計，每年中國陸地接收的太陽輻射總量，相當于24000億噸煤，全國總面積2/3地區年日照時間都超過2000h。另一方面，隨著當前世界光電技術及其應用材料的飛速發展，光電材料成本成倍下降，光電轉換率不斷提高，這將帶來太陽能發電成本的大幅度下降。
6 應用方向與前景
6.1 優點特色
使用清潔能源，環保，無廢氣，符合國家節能環保和綠色有機農業發展要求;起飛調校短、效率高、出勤率高;超長航時，續航時間長，重量輕;易保養，使用、維護成本低;地形要求低，作業不受海拔限制;采用高效無刷電機作為動力，機身振動小，可以搭載精密儀器，使得無人機作業時等更加精準。
6.2 應用前景
在黃河三角洲，太陽能無人機在基于遙感和圖傳系統，結合太陽能飛機和固定翼飛機的優點，通過航線規劃設計，可以長時間地對農林實時偵察與監測，實時對黃河三角洲農林出現的生態環境污染和土地鹽堿化等問題進行長時間、有針對性的偵察和監測，并且可以靈活執行多種任務。本項目將具有廣闊前景和應用范圍。
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