当前国内外环境问题的日益严重，全球能源供应日益紧张，各国都在努力寻找清洁能源以替代传统化石燃料；同时，采用新型能源作为动力的各种交通工具也成为研究热点。采用太阳能电池、燃料电池等无污染绿色能源驱动的电动飞机应运而生。然而，单纯采用太阳能驱动或燃料电池驱动的飞机，受到电源特性的限制，在设计中往往需要付出较大的代价以满足新能源飞机的设计要求，如采用非常规气动布局、大展弦比柔性机翼等。本文选题紧密跟踪国内外无人机发展趋势，针对采用无污染绿色能源小型无人机的跨昼夜长航时飞行需求，提出了太阳能/氢能混合动力无人机概念，并针对混合动力小型无人机总体设计的关键技术开展研究，完成了以下工作：（1）针对小型无人机应用环境及主要任务需求，结合混合动力系统的特点，开展无人机任务剖面及环境模型研究。通过分析小型无人机的主要任务需求以及大量的飞行任务记录数据，按照任务类型建立了无人机典型任务剖面，为无人机总体设计提供依据。根据混合动力无人机各子系统对环境参数的设计需求，建立了无人机飞行环境模型。（2）针对混合动力无人机总体设计中所关注的主要学科，开展了分系统建模研究。建立了混合动力无人机主要分系统模型，包括重量学科、太阳能电池系统、燃料电池系统和锂电池系统模型。重量学科模型主要包括机体架构重量、电源系统重量和动力系统重量的估算模型。建立了太阳能电池阵列与组件的理论及工程模型，并通过了实验验证。完成了燃料电池系统输出特性实验，基于实测数据建立了燃料电池输出功率近似模型。建立了锂电池输出特性及荷电状态（SOC）估算模型，并进行了仿真数据与实测数据的校验。（3）针对混合动力无人机全机能量管理的需要，开展了状态机管理策略和功率跟随管理策略的研究，并实现了相应的混合动力无人机能量管理策略模型。完成了无人机任务剖面、飞行环境、能源系统、能量控制策略等模型的建立与集成仿真。仿真模拟了在给定任务剖面条件下，无人机在整个飞行过程中，混合动力系统各电源及控制器的输出及工作状态参数。通过仿真结果，定量分析了无人机空中姿态对于太阳能电池性能的影响，验证了控制策略的可行性并初步验证了混合动力系统相对于传统电动推进系统的优势。（4）针对混合动力无人机的设计需求，提出了混合动力无人机能量/重量耦合分析方法。该方法充分考虑到能量、气动和重量学科间的耦合关系，通过迭代求解实现了混合动力无人机起飞重量的估算。进行了基于Matlab/Simulink的无人机能量、重量及性能学科耦合分析模型集成，建立了混合动力无人机多学科设计优化平台。采用基于物理规划的多目标优化策略和遗传算法对无人机设计方案进行优化，获得了较好的设计优化结果。（5）搭建了无人机混合动力系统地面试验平台，并实现了各主要系统的地面测试试验。试验平台主要包含太阳能电池系统、燃料电池系统、锂电池系统、电动推进系统和能量控制系统。对太阳能电池、燃料电池和锂电池进行大量地面试验，为工程模型的建立和校验提供了可靠的实测数据。完成了基于状态机管理策略的无人机能源控制系统的硬件开发。通过动力系统地面联调实验证实了状态机控制策略及能量控制器的实用性，进而表明了混合动力无人机这一概念具有较强的可实现性。