在阳光下展翅翱翔

笔者所在的西安交通大学参加了2011年全国科研类航空航天模型锦标赛无线电遥控太阳能模型飞机载重飞行项目。参赛过程一波三折，有教训也有收获，特与读者分享。

首飞失败 查找原因

由于是首次参加这样的比赛，没有现成的经验可借鉴，因此队员们对太阳能模型飞机的尺寸、气动布局及太阳能电池硅片的铺置等见解不一。在讨论中有的队员还提出了十分新奇的方案：山东莱芜大约在北纬36°，比赛的10月间，即使在正午，太阳光的照射角度仍然很小，平飞的太阳能模型飞机不能获得足够的光照，可否在机身上安装一个像预警机天线罩一样的圆盘放置太阳能电池硅片，并使其实时对准太阳，以获得最多的光照量。

最后，根据比赛规则并参考太阳电池硅片的输出功率及电压，我们设计出了首架参赛样机。这架模型飞机翼展为7.4m,最大的特点是具有全动的操纵舵面（图1）：升降舵和方向舵为矩形全动舵面；全动副翼位于翼尖处（图2），与主机翼通过一根直径4mm的碳杆相连，并可围绕该碳杆转动。

但令人意想不到的是，大家一致看好的首架样机留空仅2秒就坠落了。同学们心情十分沉重。当时已经是2011年8月底，距比赛只有一个多月了，别说依靠太阳能电池飞行，就连模型飞机本身的结构设计都未过关，尽管如此大家没有灰心，抓紧查找原因，从头再干。

为什么会坠机呢？队员们一帧一帧地反复观看录像，终于找到了原因：模型飞机过分追求较大翼展和较轻重量，而忽略了结构强度和刚性问题（图4），以至于升空后，机翼产生了严重的扭曲变形（图3），根本不能控制。

吸取教训 试飞成功

吸取了首架样机失败的教训后，大家齐心协力用最短的时间设计制作了第二架样机（图5）。这架样机将全动舵面改为了常规舵面，翼展减小到5m。为提高机翼刚性，翼肋间增加了斜撑（图6），并加大了主梁宽度。

不巧的是，样机做好后，西安一直下雨无法试飞，直到中秋节太阳才露出来。因为担心机翼在空中再次因扭曲变形导致不可控，起飞前队长小心翼翼地托着样机跑了几圈（图7），确定无误后才决定将其送上天空。

结果不错，试飞很成功，看着样机安全落地，队员们悬着的心才放下了。紧接着，大家信心满满着手制作第三、第四架模型。最终定型的模型飞机数据是：机体重3kg、翼展4.14m、翼面积1.95m2，全机共铺设48块太阳能电池板（图8、图9），其中左、右副翼上各有5片。

关键部件 自己制作

在设计制作机体的同时，负责动力系统与电子设备的队员还研制了太阳能最大功率追踪系统和高效盘式无刷电机。

1.太阳能最大功率追踪系统。

光伏电池不同于传统储能电池，其输出功率具有明显的非线性特性。输出电压和电流变化时，输出功率也随之变化，其中的最大值叫最大功率点。

实际上，电池板的输出功率由负载阻抗确定。负载阻抗越大，输出电压越大，输出电流越小，其极限情况是电路开路，此时输出电流为零，输出功率也为零；反之，负载阻抗越小，输出电压越小，电流越大，其极限情况是电路短路。若要最大限度地利用太阳能电池板，就须合理改变负载阻抗的大小，以匹配太阳能电池板的阻抗。最大功率追踪的原理就是通过改变负载阻抗的大小，使太阳能电池板持续输出最大功率。

太阳能模型飞机的负载是电调控制下的无刷电机，它可被简单地理解为一个滑动变阻器。当遥控器油门收到底时，该变阻器阻值无限大；当油门开大时，其阻值变小。在我们设计的最大功率追踪系统中：当油门低于50%时，电调由遥控器摇杆直接控制；当油门大于50%，即需要满功率输出时，电调由AVR单片机控制，单片机根据电池板的电压、电流情况，利用扰动观测法直接给出油门信号。

2.高效盘式无刷电机。

成品外转子无刷电机大多不适用于太阳能模型飞机这样的低速飞行器，将其装在太阳能模型飞机上，在12.6V/4400mAh电池供电的情况下，续航时间只有约7分钟。因为我们的太阳能电池只能提供约4A的电流，若使用成品电机根本无法提供足够拉力，于是决定根据太阳能模型飞机的飞行特点，自制一款高电压、大扭矩的盘式外转子无刷电机（图11）。

根据计算公式，首先确定电机的气隙长度为0.5mm，外径为46mm。为增加气隙磁通强度，选择了稀土磁钢，规格为8mm×4mm×2mm（长×宽×高）。试验中采用了18槽定子、24级转子磁钢，即18n24p（表1）。为减小定子电枢绕组的电涡流损失，定子由32片厚0.25mm的无取向性矽钢片叠加后，用压力机压紧喷绝缘漆制成（图12）。

在转子外壳的选择上，大家也颇费了一番心思，分别用铝合金和电工纯铁做了试验。使用前者时，磁钢产生的磁通有近50%的泄漏（图13），有效磁通大大减少，不但导致电机的扭矩不足，而且电机和电调发热也较严重；而用电工纯铁做转子外壳时，因其已被磁化，磁通被包络其中，几乎没有漏磁（图14），有效磁通显著提高，发热量也减小很多。最终，我们选择了车制而成的电工纯铁转子外壳。

电枢绕组采用三角形接法，测试发现该方法产生的电流小于星形接法，空载电流由3A降到了1A以下。这样，太阳能电池产生的能量便可使电机产生理想的扭矩和转速。在随后的飞行测试中，情况的确如此，电机输出的扭矩较大，能量转换效率提高（图15）。

遭遇阴天 比赛失利

经过1000多千米的行程，我们信心十足地来到了山东省莱芜市雪野湖航空体育公园，准备参加太阳能模型飞机比赛（图16、图17）。

比赛分两天进行，第一天勉强有一些阳光，照度约34000LUX。而第二天竟变成了阴天，照度不足16000LUX，加上湖边微薄的雾气，完全不适合太阳能模型飞机飞行。

尽管如此，比赛不得不继续进行（图18～图20），它变成了各参赛队模型飞机滑翔性能的比拼。模型飞机上一切与太阳能相关的设备都成了负担。最大功率追踪系统、盘式无刷电机，这些费尽队员们心血的装备不但没有发挥作用，反而成了累赘，效果很不理想，我们真恨不得剥下电池板、拆掉电机和电调，以最大限度地减轻模型重量。

赛到最后，天空居然下起了小雨，大家急忙拆卸模型飞机装上汽车。回住所途中，每个人都默不作声，没想到准备充分的比赛最终竟以这种方式结束，虽然拿到了第3名，但大家心里依然感到很憋闷。我摸着黄色的机翼，为这只淋雨的“大鸟”感到无比委屈。

阳光灿烂 展翅高飞

或许是老天故意和我们开了一个玩笑，比赛结束后的第一天，天空竟放晴了。我们又把这只“大鸟”放了出来，趁着合适的天气和场地，决定让它再飞一次。因为光照足够强，这次最大功率追踪系统、自制盘式无刷电机等装置终于有了用武之地，飞行效果很好。

模型飞机在空中翱翔了很久，丝毫没有要降落的意思。最后操纵手的脖子仰酸了，干脆枕在一张海绵上，躺着操纵模型，十分惬意（图21）。一位操纵手累了，遥控器被移交到了另一位手中，继续让它飞行。最终，因担心接收机和舵机的电池电量耗尽，才不得不将模型降落下来。这一次，我们的太阳能模型飞机飞了1小时27分钟！虽然比赛成绩不能更改了，但每个人的心里都无比高兴，因为这只翱翔在天空的“太阳鸟”为我们做了最好的证明！