长航时太阳能飞行器是航空飞行器和新能源技术相结合的产物,其采用取之不尽的太阳能作为能源,通过能量综合获取、存储和释放实现长航时和持久飞行,可形成昼夜不间断飞行甚至年量级驻空飞行的能力,且符合零排放、零污染的环保主义精神。它可以作为对流层和平流层的空中应用平台,通过携带不同功能及分布式结构一体化载荷,可以高时间分辨率的执行情报/监视/侦察,中继通信等信息支援任务,是人类新型信息获取和信息对抗的有力拓展。特别是针对临近空间气象稳定、辐照强烈等特殊环境,可作为高空、高高空持久驻空平台,提供区域级信息综合能力。长航时太阳能飞行器填补了临近空间飞行器的空白,具有广阔的应用前景,正日益成为国际战略竞争的制高点。长航时太阳能飞行器是当前科学和工程研究的前沿领域,涉及创新的总体技术、低雷诺数气动布局技术、可再生循环能源技术、大尺度轻质结构技术、低密度环境下高效推进技术,其发展有赖于多学科科学技术的支撑。由于技术难度大,当前没有在飞行高度、飞行航时、载荷能力等方面同时满足应用需求的型号样机;且在给定技术条件下,并没有给出其性能的准确定论。由于技术基础的限制,其可行设计域较小,同时传统航空器设计方法不能满足以长航时为核心的设计要求,因此需要探索新的总体设计方法。考虑到在现有技术条件下,化石燃料的能量密度是储能电池能量密度的数十甚至数百倍,而功率密度是太阳电池的数十倍,因此能量紧缺贯穿了长航时太阳能飞行器整个设计过程,能量平衡是其最核心和最本质的约束。需要以能量为中心,考虑各学科之间的耦合和敏感度,进行综合总体优化设计。为此论文主要进行了如下研究:以能量为中心的太阳能飞行器总体设计模型研究。提出了广义能量概念,通过能量的耦合关联,统一了推阻平衡、升重平衡、能量平衡等表达关系,深刻揭示了太阳能飞行器总体设计的核心是实现能量的获取、存储和释放过程;建立了以能量为中心的总体设计模型,得到了长航时太阳能飞行器设计域的解析表达式,将飞行高度和翼载荷表示为气动、结构、光伏、储能四个学科参数的代数表达式形式;分析了各学科的单参数敏感度,得到了影响长航时飞行的关键学科;分析了参数间的耦合影响,得到了学科之间的等价性规律。以能量为中心的太阳能飞行器总体设计方法研究。针对长航时可行设计域较小,难以探索到较优可行解的问题,提出了基于最优化的总体设计方法。该设计方法以实现能量闭环为核心,以设计飞行高度和翼载荷为约束,以各子系统技术参数为设计变量,以技术实现代价最小为设计目标进行设计优化。针对工程实践中的冗余设计要求,提出了基于保守设计的总体设计方法,该设计方法通过在翼载荷可行设计域中人为选择较为保守的参数,使设计方案在满足设计目标情况下,太阳电池输出功率和储能电池容量均有一定程度的冗余。针对从环境中获取能量和向环境存储能量的需求,提出了基于动态过程的总体设计方法,该设计方法通过设计合适的飞行航迹如梯度风滑翔、重力滑翔等,可减少储能电池携带总量或降低对储能电池能量密度的需求。能量不闭环条件下太阳能飞行器长航时设计研究。针对某些飞行条件下能量不闭环,通常为储能电池携带能量不能支持飞行器越夜飞行,考虑在现有技术条件下如何增长航时。提出了能量不闭环条件下太阳能飞行器长航时飞行设计,该设计方法将储能电池用于补偿早晚太阳辐照不足的情况,以实现最大化飞行航时。同时分析了储能电池、太阳电池、飞行条件等参数对飞行航时的影响,得出了影响飞行航时的关键学科。典型应用环境下的创新解决方案研究。当前技术条件下,储能电池是长航时太阳能飞行器的瓶颈,为此提出了逐日飞行太阳能飞行器,其飞行方向与行星自转方向相反,飞行速度与行星自转速度大小相同,因此可始终置于当地太阳辐照条件下,且可以不用携带储能电池,分析表明在地球中高纬度和金星表面是可以实现逐日飞行的。针对将白天剩余太阳能存储到重力势能中,提出了绕地滑翔太阳能飞行器,其飞行航迹为某纬圈,白天利用剩余太阳辐照爬升高度,飞行方向与地球自转方向相反以获得较高的飞行高度;夜间采用重力滑翔,飞行方向与地球自转方向相同以尽快度过夜晚,当滑翔至最低点并接受到第二天太阳辐照时即可实现越夜飞行,且无需携带储能电池。论文探索了长航时太阳能飞行器的建模方法和总体设计,在多参数影响的环境中分析了相关学科及相关参数的影响规律,提出针对不同应用需求的总体设计方法和创新解决方案,可为理论研究和工程型号设计提供参考,对我国在该领域建立理论体系,明确发展方向,抢占技术制高点等奠定重要的基础。