无人高空太阳能动力飞机的最优设计
近年来，高空长航时（HALE）太阳能动力无人驾驶飞行器（UAV）的开发日益受到重视。此类飞机可用作“伪卫星”，与传统卫星相比，具有离地更近、更灵活、成本更低的优势。通过结合太阳能电池阵列和电池，且无需复杂的辅助起飞系统，这些无人机有可能覆盖直径 1000 公里的区域，并在维持长航时飞行的同时处理约 425,000 个手机通话。
主要成果
1：达到最优设计并验证解决方案的一致性
2：获得大量可行的设计配置
3：翼面积扩展 50%，可容纳更大的太阳能电池板，确保更高的功率可用性
技术挑战
稳定性和控制性是任何飞机设计中的关键问题，在本案例中，考虑到飞机飞行高度高达 17 公里，对这一问题给予了特别关注。另一个关注点是如何确定电池组和电源系统的最佳配置，以符合飞机标准和法规。巴西航空技术学院的研究人员致力于改进一款轻量化太阳能无人机模型，该模型采用矩形机翼，通过尾撑杆连接常规尾翼，并在机翼内侧安装两台发动机。基准飞机的总重量为 30.1 公斤，而影响整体重量的电池占比非常高。基于此，研究人员寻求所选参数（几何、空气动力学、结构、稳定性、重量和系统）的最佳配置。多目标优化旨在最大化可用电功率，同时降低飞机配置的总重量。
技术方案
使用 modeFRONTIER 构建的多学科工作流程考虑了稳定性约束和太阳能电池板面积（不能超过机翼的专用部分）。优化的目标是最小化重量并最大化功率盈余。翼面积可在 30 至 60 平方米之间变化，经过 40 代、每代 30 个个体的进化后，MOGA-II 算法返回了一组可行的设计方案。最佳配置的翼面积扩展了 50%，可容纳更大的太阳能电池板，从而在飞机重量略有增加的情况下，实现了相当高的功率可用性。
成果与价值
选择 modeFRONTIER 作为多目标优化工具，使研究人员在不到一天的计算时间内获得了大量不同的配置。针对每个设计方案，工程师识别了变量各自的优势、劣势和典型值，以引入所寻求的改进。
"空气动力学、结构、稳定性、重量和系统等学科均被考虑并集成在一个 modeFRONTIER 工作流程中，该流程能够提供相对简单的尺寸调整，但具有高度真实感的飞机模型。" —— Bento Silva de Mattos，航空技术学院
本案例研究清楚地展示了将优化与仿真相结合所带来的附加价值。仅凭少量半经验数学模型、计算获得的数据以及简单理论的应用，就能够达到最优设计并验证解决方案的一致性。
航空技术学院（Instituto Tecnológico de Aeronáutica）
航空技术学院是一家联邦政府机构，为航空航天领域，特别是与航空指挥相关的领域，提供高水平教育和研究机会。ITA 成立于 1950 年，在工程相关教育方面拥有开拓性经验的传统，并被公认为巴西工程及相关领域最好的学术机构之一。
