随着无人机技术的发展,其应用范围拓展到了航测航拍、电力巡检、植保、环境监测、交通事故处理、犯罪监控、火灾监测、灾后救援、石油气管道巡检、边境线巡逻、毒品种植监察等社会的各行各业中。然而,无人机在实际应用中暴露出续航能力不足等问题,甚至已经成为制约其充分发挥作用的主要问题。随着光伏技术的发展,以太阳能为能源的无人机有希望成为解决续航问题的新型飞行器。目前高空长航时太阳能无人机得到各国和大型商业公司的高度关注,但离真正实现长航时的高空飞行仍存在一定距离。而将太阳能无人机技术引入到民用低空领域则具有较大的可行性,且太阳能作为一种绿色可持续能源,适合在民用行业中应用推广。因此研究低空太阳能无人机是有技术难度也有广泛应用前景的课题。本文根据电力巡检、油气管道巡检、海上巡视等实际工程应用背景,提出了一种低空长航时小型太阳能无人机和一种海上低空太阳能无人机的设计方案,并完成了低空太阳能无人机样机的设计制造、总装调试和试飞工作。同时为了拓展其续航能力、提高其飞行性能,提出了两种针对低空太阳能无人机的增升减阻技术。本文的主要研究内容和成果包括:(1)提出了 ZJU-SP-L低空太阳能无人机设计方案,建立了总体布局的概念模型,并基于无人机系统在太阳能转换和飞行耗能之间的平衡关系,对ZJU-SP-L无人机的设计参数进行了深入研究;根据太阳能无人机对结构重量的要求,提出了一种基于复合材料和聚合物发泡材料的新型太阳能无人机机翼结构设计方案,并对该机翼方案进行了结构和气弹分析,论证了该结构方案能够满足飞行要求;为了验证ZJU-SP-L低空太阳能无人机设计方案的可行性,基于当前成熟的技术水平,设计和制造了 ZJU-SP-L无人机两个型号多个架次的样机,并完成了总装调试和基本的试飞实验,充分证明研制的ZJU-SP-L无人机可用于实际作业,并在电力巡检、航测航拍等领域具有广阔的应用前景。(2)基于无人机海上巡视的需求,提出了 ZJU-SP-S海上太阳能无人机的设计方案。完成了 ZJU-SP-S作为一种水上飞机的总体布局设计,研究和确定了 ZJU-SP-S的基本设计参数;根据无人机系统能量平衡关系和周期性的任务要求,并以在我国东海某处飞行为例,对ZJU-SP-S无人机提出了两种海上作业时的飞行策略,以指导完成长航时飞行任务。(3)针对太阳能无人机的特点,提出了基于机翼局部振动的增升减阻技术,并进行详细的数值模拟研究,重点研究了局部振动的频率、位置、振动区域宽度等参数对增升减阻的影响规律,发现这种方法最多能够减小23%的阻力系数,并利用风洞实验验证了该增升减阻技术的有效性。这种增升减阻技术能够优化太阳能无人机的阻力特性,从而增加无人机航时,提高其机动性能。(4)发展了机翼分离点附近嵌入旋转圆柱的增升减阻技术,通过数值模拟研究了转速比和突出高度比等对机翼气动性能优化的影响,研究表明通过嵌入旋转圆柱可大大提高失速攻角,使升力获得最多24%的提升,并通过风洞实验验证了这种增升减阻方法的有效性。这种增升减阻技术将有效提高太阳能无人机的升力特性和机动性能,从而降低无人机对跑道的要求,提高其爬升速率。