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《北京理工大学》 2015年
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太阳能/氢能混合动力小型无人机设计及关键技术研究

杜孟尧  
【摘要】:本文针对小型低空长航时电动无人机需求,给出了使用太阳能/氢能混合能源动力的小型低空长航时无人机构型。针对太阳能/氢能混合动力无人机设计过程中存在的重量、能量之间的耦合问题,提出了一种基于功率匹配、重量平衡和能量平衡的总体参数设计方法,主要从以下几个方面对太阳能/氢能混合动力无人机进行了研究:(1)混合动力无人机总体参数设计方法:针对混合动力无人机设计过程中的特点,提出了一种考虑重量、能量耦合关系的无人机总体参数设计方法。使用所建立的气动、重量、能量相关学科模型,得到了基于功率匹配、重量平衡、能量平衡的平衡方程,最终通过方程的迭代求解,实现了无人机总体参数的设计与计算。(2)混合动力无人机设计参数影响度分析:使用本文所提出的无人机总体参数设计方法,对太阳能无人机、燃料电池无人机与混合动力无人机的性能进行了对比分析,提出了混合动力无人机的适用范围。并就能源系统性能参数对于无人机设计结果及性能的影响情况进行了分析,为无人机设计提供参考。(3)混合动力无人机总体设计:在无人机总体参数设计方法的基础上,依次完成了混合动力无人机的概念设计、初步设计与详细设计。特别针对混合动力无人机动力系统可用功率相对较小的问题,着重考虑整机气动效率的提升,从翼型选择、机翼外形设计与优化等方面对无人机外形进行了详细设计。(4)混合动力无人机气动特性分析:为验证设计结果的可行性,对无人机的静稳定性、盘旋半径等气动特性进行了分析,并在此基础上使用自动驾驶仪完成了仿真实验,测试了无人机的飞行性能。
【关键词】:混合动力 无人机 总体设计 太阳能 氢能
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V279
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-12
  • 第1章 绪论12-23
  • 1.1 研究背景12-13
  • 1.2 新能源无人机发展现状13-16
  • 1.2.1 蓄电池在无人机领域的应用13-14
  • 1.2.2 太阳能在无人机领域的应用14-15
  • 1.2.3 燃料电池在无人机领域的应用15
  • 1.2.4 混合动力技术在无人机领域的应用15-16
  • 1.3 混合动力无人机设计关键技术16-21
  • 1.3.1 混合动力无人机设计方法16-19
  • 1.3.2 低雷诺数气动特性分析19-20
  • 1.3.3 螺旋桨动力系统技术20-21
  • 1.4 论文研究内容21-23
  • 第2章 混合动力无人机参数设计方法研究23-45
  • 2.1 引言23
  • 2.2 功率匹配分析23-27
  • 2.2.1 整机初步气动特性估算23-24
  • 2.2.2 飞行动力功率24-26
  • 2.2.3 飞行需用总功率26-27
  • 2.3 重量平衡分析27-33
  • 2.3.1 机体结构重量27-29
  • 2.3.2 电源系统重量29-33
  • 2.3.3 动力系统重量33
  • 2.4 能量平衡分析33-41
  • 2.4.1 能量流动方式分析34-37
  • 2.4.2 太阳能电池转换能量37-39
  • 2.4.3 蓄电池能量39-40
  • 2.4.4 氢燃料电池能量40
  • 2.4.5 能量平衡计算40-41
  • 2.5 混合动力无人机参数设计方法41-44
  • 2.6 小结44-45
  • 第3章 混合动力无人机设计参数影响度分析45-67
  • 3.1 引言45
  • 3.2 混合动力无人机性能优势45-53
  • 3.2.1 太阳能无人机参数设计方法46-48
  • 3.2.2 燃料电池无人机参数设计方法48-49
  • 3.2.3 三种能源方案无人机性能对比49-53
  • 3.3 混合动力无人机最佳能源混合度53-60
  • 3.3.1 太阳能电池系统能量密度54-55
  • 3.3.2 氢燃料电池系统能量密度55-57
  • 3.3.3 混合动力无人机最佳能源混合度57-60
  • 3.4 能源系统影响度分析60-66
  • 3.4.1 蓄电池性能影响60-61
  • 3.4.2 太阳能电池系统性能影响61-62
  • 3.4.3 燃料电池系统性能影响62-64
  • 3.4.4 各能源系统性能影响度分析64-66
  • 3.5 小结66-67
  • 第4章 混合动力无人机总体设计67-83
  • 4.1 引言67
  • 4.2 无人机方案设计67-71
  • 4.2.1 无人机布局设计67-68
  • 4.2.2 无人机基本参数选择68-71
  • 4.3 无人机详细设计71-82
  • 4.3.1 翼型选择71-74
  • 4.3.2 机翼外形设计及优化74-78
  • 4.3.3 尾翼设计78-80
  • 4.3.4 机身设计80-82
  • 4.4 小结82-83
  • 第5章 无人机气动特性计算与分析83-92
  • 5.1 引言83
  • 5.2 静稳定性分析83-86
  • 5.2.1 纵向性能计算与分析83-85
  • 5.2.2 横侧向性能计算与分析85-86
  • 5.3 转弯特性分析86-88
  • 5.4 舵面效率分析88-89
  • 5.5 仿真验证试验89-91
  • 5.6 小结91-92
  • 结论92-94
  • 参考文献94-99
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单99-100
  • 致谢100

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