临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29644

综述

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临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述

李广佳, 王红波(), 张凯, 仪志胜

中国航天空气动力技术研究院创新与应用中心，北京 100074

收稿日期:2023-09-25 修回日期:2023-09-28 接受日期:2023-10-08 出版日期:2024-03-15 发布日期:2023-10-13
通讯作者: 王红波 E-mail:whb0126@163.com

Lift enhancement and drag reduction technologies of solar powered unmanned aerial vehicles in near space: Review

Guangjia LI, Hongbo WANG(), Kai ZHANG, Zhisheng YI

Innovation and Application Center，China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China

Received:2023-09-25 Revised:2023-09-28 Accepted:2023-10-08 Online:2024-03-15 Published:2023-10-13
Contact: Hongbo WANG E-mail:whb0126@163.com

摘要/Abstract

摘要：

临近空间太阳能无人机是介于航空器与航天器之间的特殊飞行器。受太阳能电池的光电转换效率和储能电池能量密度的约束，提升临近空间太阳能无人机气动效率和螺旋桨推进效率是保证该类型无人机平台任务执行能力、具备永久飞行能力的重要技术途径。然而低雷诺数效应给全机增升减阻技术攻关和节能降耗的设计目标带来了严重困难和挑战。针对这一问题，本文从翼型设计、气动布局设计、螺旋桨/机翼气动耦合设计、流动控制技术、螺旋桨增效设计5个方面调研了临近空间太阳能无人机增升减阻技术的研究现状，梳理了现有增升减阻措施的技术路线，分析了不同增升减阻方法的优势与不足，最后针对临近空间太阳能无人机增升减阻技术的发展趋势给出了建议。

关键词: 临近空间, 太阳能无人机, 增升减阻, 气动设计, 流动控制技术

Abstract:

Near space solar powered UAVs are special aircraft falling in between aircraft and spacecraft. Due to the constraints by the photoelectric conversion efficiency of solar cells and the energy density of energy storage cells， improving the aerodynamic efficiency and propeller propulsion efficiency of solar UAVs in nearby space is an important technical means to ensure the mission execution ability and permanent flight capability of this type of UAV platform. However， the low Reynolds number effect has brought serious difficulties and challenges to the research and design goals of increasing lift and reducing drag for the aircraft， as well as energy conservation and consumption reduction. In response to this issue， this article investigates the current research status of lift enhancement and drag reduction technologies for solar powered UAVs in near space from five aspects： airfoil design， aerodynamic layout design， propeller/wing aerodynamic coupling design， flow control technology， and propeller efficiency design. It summarizes the technical routes of existing lift enhancement and drag reduction measures， and analyzes the advantages and disadvantages of different lift enhancement and drag reduction methods. Finally， suggestions are offered for the development of near space solar UAV lift enhancement and drag reduction technologies.

Key words: near space, solar powered UAV, lift enhancement and drag reduction, aerodynamic design, flow control method

中图分类号:

V211

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Guangjia LI, Hongbo WANG, Kai ZHANG, Zhisheng YI. Lift enhancement and drag reduction technologies of solar powered unmanned aerial vehicles in near space: Review[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(5): 529644-529644.

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	ZHU M， YANG X D， SONG C， et al. High synergy method for near space propeller using co-flow jet control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 35（6）： 1549-1559 （in Chinese）.
74	李玉杰，罗振兵，邓雄，等. 合成双射流控制NACA0015翼型大攻角流动分离试验研究［J］. 航空学报， 2016， 37（3）： 817-825.
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75	程钰锋，李洪亮，祝方正. 临近空间介质阻挡放电特性及其提高螺旋桨性能的数值分析［J］. 飞机设计， 2016， 36（5）： 7-14.
	CHENG Y F， LI H L， ZHU F Z. Numerical study on the characteristics of the dielectric barrier discharge and plasma to enhance propeller characteristics in near space［J］. Aircraft Design， 2016， 36（5）： 7-14 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

名称	气动构型	翼展/m	重量/kg	国家	试验年份
Helios	飞翼布局	75.3	720	美国	2003
Solar50	常规布局	50	159	美国	2015
Aquila	飞翼布局	43	453	美国	2016
Zephyr-S	常规布局	25	75	英国	2018
Owl	常规布局	9.5	11.8	俄罗斯	2016
彩虹	常规布局	45		中国	2017
启明星-50	常规布局			中国	2022
EAV-3	常规布局	>20	53	韩国	2016

气动构型	C_L	C_D	C_L/C_D
单独机翼	0.490 2	0.051 68	9.49
拉力螺旋桨构型	0.498 7	0.056 81	8.78
动力诱导增升构型	0.501 6	0.049 28	10.18
拉力螺旋桨构型气动增量/%	1.73	9.93	-7.48
动力诱导增升构型气动增量/%	2.33	-4.64	7.27

[1]	王海峰, 刘坤澎, 江泓鑫, 杜晨曦. 螺旋桨多设计点气动优化方法和变桨距角策略[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528831-528831.
[2]	杨晓飞, 孙太璐, 孟德君, 尹海宝, 王咏梅. 兼顾多模式的核心机驱动风扇级气动设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128625-128625.
[3]	高显忠, 邓小龙, 王玉杰, 郭正, 侯中喜. 临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 27265-027265.
[4]	邓小龙, 杨希祥, 朱炳杰, 麻震宇, 侯中喜. 智能平流层浮空器Loon关键技术分析与仿真[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 127412-127412.
[5]	李春鹏, 钱战森, 孙侠生. 远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127335-127335.
[6]	李俊红, 靳旭红, 刘春风, 苗文博, 程晓丽. 临近空间高速飞行器微量气动力试验及计算[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127072-127072.
[7]	崔玉红, 徐艺哲, 吕凡熹, 赵飞, 张宇佳, 孙佳濛, 左光. 临近空间高超声速飞行器武器投放影响因素[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 128539-128539.
[8]	张旭辉, 解春雷, 刘思佳, 闫溟, 邢思远. 智能变形飞行器发展需求及难点分析[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 529302-529302.
[9]	王晓峰, 屈峰, 付俊杰, 王泽宇, 刘超宇, 白俊强. 基于离散伴随的高超内转式进气道气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128352-128352.
[10]	史智广, 杨玉洁, 左宗玉. 多囊体临近空间飞艇多要素耦合建模与仿真[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 228451-228451.
[11]	孙佳濛, 左光, 徐艺哲, 杜若凡, 崔玉红. 临近空间高超声速飞行器武器投放方案数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127808-127808.
[12]	陈文雪, 高长生, 荆武兴. 拦截机动目标的信赖域策略优化制导算法[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 327596-327596.
[13]	李昊歌, 杨华, 杨雨欣, 陈伟芳. 高超声速升力体迎风面精细化降热优化设计[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 124-137.
[14]	林鹏, 庄福建, 曲林锋, 许阳阳, 苏亚东. 高超声速飞机尾喷管设计-制造与验证技术发展综述[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526160-526160.
[15]	薄钧天, 王国宏, 于洪波, 张翔宇. 临近空间高超声速多目标检测前跟踪算法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 325299-325299.

临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述

Lift enhancement and drag reduction technologies of solar powered unmanned aerial vehicles in near space: Review

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