太阳能无人机利用搭载的可见光相机、红外相机、合成孔径雷达等设备可方便快捷地执行侦察监视任务,然而多数太阳能无人机仅能在夏季实现持续飞行,难以在太阳辐射较弱的中高纬度的冬季实现持续飞行,变体太阳能无人机的设计方案有可能提高冬季的太阳能转换利用率。变体太阳能无人机作为一种新概念方案,其相关研究较少。本文针对变体太阳能无人机的能量问题进行建模与优化,研究了飞行过程中的最佳变体策略与能量获取优势。本文主要完成了以下工作:(1)通过建立高空与低空太阳辐射模型,得出了太阳辐射强度与纬度、高度和日期的关系函数,同时推导了不同飞行姿态下太阳入射角的计算模型。对Z型变体太阳能无人机进行设计,对其变体过程中的气动特性与配平特性进行分析。通过研究Z型变体过程中的光线遮挡问题与太阳高度角减小问题,推导了不同飞行状态下额外转换功率的数学模型。考虑变体飞行过程中额外消耗功率与额外转换功率之间的耦合关系,建立了变体太阳能无人机的净功率增量模型,可用于变体太阳能无人机的优化计算。(2)提出了一种适用于变体太阳能无人机的能量优化方法,可用于解决变体过程中的变形角度优化问题与飞行轨迹优化问题。以最大净功率增量为优化目标,对Z型变体太阳能无人机进行了基于时间变量与基于太阳高度角变量的优化研究,验证了采用所提出的优化方法在太阳高度角较低时可以有效增加净功率增量。(3)基于Z型变体太阳能无人机的能量优化模型,以北纬地区冬至日为例,对采用不同转换效率太阳能电池时的最大净能量增量与最大持续飞行纬度进行优化分析,结果表明:最大净能量增量随太阳能电池转换效率的提高而增加,随飞行纬度的提高先增加后减少,并在北纬51度附近达到最大值。该变体优化方法可显著提高太阳能无人机的持续飞行纬度,且持续飞行纬度增量随太阳能电池转换效率的提高而增加。(4)提出并设计了一种N型变体太阳能无人机,解决了Z型变体太阳能无人机的光线遮挡问题与太阳高度角减小问题。对N型机翼变体机构进行设计,并提出了跟随太阳方位自适应变体的设计方案。对变体飞行过程中的气动特性进行研究分析,结果表明N型变体方案对气动力矩的影响较小,主要对横航向动稳定性产生影响,纵向静稳定性随变形角度的增加而增加。(5)通过推导N型变体太阳能无人机变体飞行过程中的净功率增量模型,建立了适用于N型变体太阳能无人机的能量优化模型,基于该模型进行了平直机翼构型与N型变体构型的对比分析,结果表明,N型变体构型可显著增加净能量增量与能量平衡余量,提高昼夜持续飞行纬度。并通过样机的成功试飞验证了该变体方案的可行性。