论文标题：Towards Efficiency and Endurance: Energy–Aerodynamic Co-Optimization for Solar-Powered Micro Air Vehicles

论文链接：https://www.mdpi.com/2504-446X/9/7/493

期刊名：Drones

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/drones

微小型无人机续航能力不足是制约其任务能力的核心瓶颈。太阳能技术已在中、大型无人机平台上成功应用，然而将其移植到微小型无人机尺度时，面临一个结构性的矛盾：当无人机尺寸（展长）限制时，最大化太阳能采集需求平坦和大面积的机翼，而最大化气动效率则往往倾向于复杂曲面和增大展弦比的机翼——前者增加弦长，而后者减小弦长，两者在微小型无人机有限的机体上天然冲突。现有研究多将太阳能板视为"附加载荷"进行串行设计，尚缺乏将两者纳入同一优化循环的方法。因此，来自北京航空航天大学邸伟承博士及其团队在Drones期刊上发表研究论文，提出了一套面向太阳能微小型无人机的能源+气动协同优化框架，并通过风洞实验与飞行测实验证了其可行性。

图 微小型矢量动力太阳能无人机设计权衡

研究方法

研究团队构建了一套双管线并行的多目标优化框架。气动管线采用基于RANS方程的计算流体仿真，以基于控制点的参数化方法描述翼型和三维外形，并通过动量源法模拟螺旋桨滑流影响。能源管线提出了一套自动化太阳能板布局算法：首先计算表面最大主曲率排除不适合贴附太阳能片的高曲率区域，然后利用四叉树对可贴附区域进行图像分割生成候选点集，最后通过搜索算法最大化布板数量。两条管线在多目标遗传算法中耦合，同时优化升力系数、升阻比和最大可布置太阳能板数。

图：能源+气动协同优化框架与多目标进化示意图

图：太阳能板自动布局算法流程，从曲率分析到BFS搜索，8步完成曲面最大覆盖布局

优化结果为无尾飞翼构型，前缘近乎平直，后缘前掠，弦长沿展向递增，展弦比4.2。该构型取消传统控制面，采用双矢量推力旋翼实现姿态控制，将翼面面积释放给太阳能板，最终布置56片砷化镓柔性太阳能电池，太阳能面积覆盖率75%。研究团队在低速回流式风洞中进行了测力实验，来流速度9 m/s（Re≈8×10⁴）时最大升阻比12.1。纵向静稳定性分析表明，巡航段具有足够的静稳定裕度。基于自主设计的微型机载硬件，巡航飞行显示太阳能飞行功耗降低约40%，在保留30%电量用于垂直起降的前提下，最大续航约2.5小时。

研究总结

本研究围绕太阳能微小型无人机的续航瓶颈，提出了能源+气动协同优化框架，将太阳能板自动布局嵌入布局优化循环，避免了传统串行设计可能带来的次优解。通过风洞实验与飞行测试，验证了优化构型在气动性能和光伏集成方面的可行性，展示了太阳能技术与微小型无人平台集成的潜力。

引用格式：

Di, W.; Dong, X.; Wei, Z.; Liu, H.; Tu, Z.; Li, D.; Xiang, J. Towards Efficiency and Endurance: Energy–Aerodynamic Co-Optimization for Solar-Powered Micro Air Vehicles. Drones 2025, 9, 493.

Drones 期刊介绍

主编：Diego González-Aguilera, University of Salamanca, Spain; Pablo Rodríguez-Gonzálvez, University of León, Spain

期刊主要涵盖无人机、无人机系统、远程驾驶航空器系统、水下无人机、无人地面载具、全自动驾驶和太空无人机等相关的最新科学技术及应用。目前期刊已被SCIE (Web of Science)、EI Compendex、Scopus等重要数据库收录。