Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技術學院

近年來，高空長時（HALE）太陽能無人飛行器（無人機）的發展已越來越重要。這種飛機可以作為“偽衛星”，并且相比普通衛星具有與地面更接近、更靈活、更便宜的優勢。使用太陽能陣列電池和普通電池組的組合，不需要復雜的起飛輔助系統，這些無人機在進行長期飛行時可以覆蓋1000公里直徑的面積，進行約425,000次通話。

挑戰

穩定性和控制是任何飛機設計中的關鍵問題，而這種情況下尤其需要特別注意，特別是考慮到飛機在高達17公里高度飛行。另一個問題是如何確定最佳的電池包和電源系統的設置，以符合飛機標準和法規。巴西航空技術學院的研究者研究了如何增強一個輕量級的太陽能無人機模型，該模型具有矩形機翼，機翼連著一個常規的尾部，內部有一個吊桿與兩個引擎。飛機原始模型的總重量為30.1公斤，其中電池在總重中的比例非常高。研究人員尋求被選參數的最佳配置，包括幾何，空氣動力學，結構，穩定性，重量和系統。作為一個多目標優化問題，需要最大限度地提高可用的電源功率，同時降低飛機結構的總重量。

“多虧modeFRONTIER，花了不到一天的時間就獲得了大量的各種可行的設計結構。”

Bento Silva de Mattos教授，巴西航空技術學院

解決方案

在modeFrontier中建立了多學科工作流程，考慮了穩定約束，以及太陽能電池板的面積不能超過專用部分的翼。優化的目標是最大限度地減少重量和最大限度地提高電力盈余。機翼面積在30至60平方米的范圍之間變化，在30個樣本點進行40代遺傳以后，MOGA-II算法返回一組可行的設計。最好的配置具有比原面積擴展50%的機翼面積，從而可以承受一個更大的太陽能電池板，因此具有相當高的功率可用性，而飛機重量僅略有增加。

modeFrontier的優勢

選擇modeFRONTIER作為優化工具為研究人員在不到一天的計算時間里提供了大量的可用配置。對于每一個設計方案，工程師可以確定其各種優勢、劣勢和典型值的變量，從而得出改進要求。“在modeFRONTIER中同時考慮和集成多學科的空氣動力學、結構、穩定性、重量以及系統，能夠提供一個調整相對簡單，但可行性極高的飛機”，巴西航空技術學院的Bento Silva de Mattos教授說。這種案例清楚地顯示了如何通過組合優化和仿真來實現附加值。僅僅有幾個半經驗的數學模型，計算得到的數據以及簡單的理論計算，就可以得到優化解并驗證其一致性。