作者：Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技术学院

2013年

“modeFRONTIER使我们可以在相对较短的时间里得到非常有趣的设计。”

Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技术学院

近年来，高空长时（HALE）太阳能无人飞行器（无人机）的发展已越来越重要。这种飞机可以作为“伪卫星”，并且相比普通卫星具有与地面更接近、更灵活、更便宜的优势。使用太阳能阵列电池和普通电池组的组合，不需要复杂的起飞辅助系统，这些无人机在进行长期飞行时可以覆盖1000公里直径的面积，进行约425,000次通话。

挑战

稳定性和控制是任何飞机设计中的关键问题，而这种情况下尤其需要特别注意，特别是考虑到飞机在高达17公里高度飞行。另一个问题是如何确定最佳的电池包和电源系统的设置，以符合飞机标准和法规。巴西航空技术学院的研究者研究了如何增强一个轻量级的太阳能无人机模型，该模型具有矩形机翼，机翼连着一个常规的尾部，内部有一个吊杆与两个引擎。飞机原始模型的总重量为30.1公斤，其中电池在总重中的比例非常高。研究人员寻求被选参数的最佳配置，包括几何，空气动力学，结构，稳定性，重量和系统。作为一个多目标优化问题，需要最大限度地提高可用的电源功率，同时降低飞机结构的总重量。

“多亏modeFRONTIER，花了不到一天的时间就获得了大量的各种可行的设计结构。”

Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技术学院

解决方案

在modeFrontier中建立了多学科工作流程，考虑了稳定约束，以及太阳能电池板的面积不能超过专用部分的翼。优化的目标是最大限度地减少重量和最大限度地提高电力盈余。机翼面积在30至60平方米的范围之间变化，在30个样本点进行40代遗传以后，MOGA-II算法返回一组可行的设计。最好的配置具有比原面积扩展50%的机翼面积，从而可以承受一个更大的太阳能电池板，因此具有相当高的功率可用性，而飞机重量仅略有增加。

modeFrontier的优势

选择modeFRONTIER作为优化工具为研究人员在不到一天的计算时间里提供了大量的可用配置。对于每一个设计方案，工程师可以确定其各种优势、劣势和典型值的变量，从而得出改进要求。“在modeFRONTIER中同时考虑和集成多学科的空气动力学、结构、稳定性、重量以及系统，能够提供一个调整相对简单，但可行性极高的飞机”，巴西航空技术学院的Bento Silva de Mattos教授说。这种案例清楚地显示了如何通过组合优化和仿真来实现附加值。仅仅有几个半经验的数学模型，计算得到的数据以及简单的理论计算，就可以得到优化解并验证其一致性。