● 摘要
太阳能飞机的概念早在70年代就被提出，但由于能源、动力和材料等技术瓶颈，只到本世纪初，才重新获得关注。太阳能无人机长时间巡航的特点使其在军用和民用领域均具备广泛的应用前景。太阳能无人机作为一种能源、动力、气动和结构高度一体化的飞行器，不但对相关子学科设计提出了很高要求，而且其系统性特点也使其对新的飞机总体设计方法表现出强烈需求。反观现代飞行器总体设计工作，也不应该再是简单的系统集成行为，而是应该能够创造出一个有机整体去满足功能需求的系统工程。太阳能无人机作为一种新型飞行器，正是检验新的总体设计方法的合适对象。
通过研究和讨论现代飞机总体设计方法的特点和技术现状，发现目前飞机总体设计方法在对飞机及飞机设计内在规律和特性挖掘时存在的问题。在深入分析了国内外几种新型飞机总体设计方法之后，引入了人工智能领域的粒计算理论和方法。该方法论中的分类、运算、搜索和决策等理论在飞机总体设计方法研究、优化设计和规划等领域均能得到应用。其中的相容粒理论对论域划分和问题求解具有更强灵活性和全面性，适合于飞机设计中不同设计论域之间的相交情况，因此更加合适于应用到飞机大系统总体设计方法的研究中去。本文具体主要研究工作包括以下部分。
提出了基于相容粒理论的飞机总体设计方法。根据飞机总体设计的特点和相容粒理论，引入了基于飞机系统功能需求的飞机相容粒概念，给出了一种基于认知理论的相容粒内涵和外延的架构方式。在此基础上进一步给出了飞机相容粒度空间的嵌套相容覆盖系统，形成完整的建模体系。为满足飞机相容粒的具体设计需求，针对现代飞机研制工作的特点，提出了共用子模块和变维度集成驱动模型两种关键技术。前者用于相容粒相容部分的构建，而后者则通过一种“形象化”演进模型保证了研制过程中各学科分析和相关设计信息的一致性。在上述理论和技术基础上最终得到了飞机相容粒模型的建模过程和相应总体设计流程。
将上述设计方法体系实例化，提出了基于飞机相容粒理论的太阳能无人机平台总体方案设计方法。由顶层粒设计完成了太阳能无人机研制需求分析和方案设计工作。首先通过对太阳能无人机总体工作环境和工作用途的分析对顶层粒内涵进行定义，包括太阳能无人机的基本功能和性能需求。然后，以内涵为核心对外延各组成部分进行建模，其中重点根据太阳能无人机的能量主导设计特点，着重对外延的能量部分进行了建模，模型包含任务飞行剖面不同阶段的能量平衡方程和能量状态。并且，由能耗方程、昼夜巡航条件和能量约束主方程在内涵和外延之间建立了关系函数。在此相容粒模型基础上提出了了一种总体方案设计方法，即通过能量方程和约束方程缩小设计问题论域，并建立顶层粒动态系统建模，以用于太阳能无人机总体设计参数的选择，该设计模型通过多状态构型法进行方案可行性分析。最后通过对高空长航时太阳能无人机的方案设计实践验证了上述方法的可行性。
基于顶层粒设计输出，并采取面向功能的设计思想，提出了基于飞机相容粒理论的太阳能无人机平台初步设计方法。在顶层粒内涵基础上，通过对飞机级功能进行分配实现1层粒内涵定义，并进行相应支撑外延的聚类。在对聚类集合分析的基础上，选择升力装置、动力系统、操纵装置和重量设计作为太阳能无人机设计的共用子模块，建立了各模块的泛化设计指导框架，提供了一种全局性设计方法。在顶层粒外延基础上，利用变维度集成驱动模型的建模和模型演进，进行共用子模块的子学科设计和方案设计。最终设计结果可行性由多状态构型下的配平、品质、操纵性、空间布置以及重心限分析来判定。根据共用子模块设计结果构建了太阳能无人机的1层相容粒系统，由共用子模块形成的映射系统也可用于数字样机和演示验证机设计，以对研制工作进行阶段性验证。最后，通过对联翼布局的太阳能无人机的初步设计验证了上述方法构架的可行性和适用性，完成了数字样机的初始设计，提出一种演示验证机快速制造方法，并通过演示验证机试飞对当前设计方案的基本布局和操纵装置设计进行验证，证明设计方案的有效性。整套方法体系可用于不同形式太阳能无人机的初步设计。
基于上述研究，本文最后对基于相容粒的飞机总体设计方法的理论和应用进行了讨论和总结，给出了目前工作存在的问题并指明了未来工作的方向。