作为全球战略性新兴产业，低空经济正在深刻重塑航空业和城市交通系统的格局[1]。在这种背景下，小型低空太阳能驱动无人机（UAV）已成为一个极具前景的技术方向[2,3]。这些无人机具有长续航时间、高机动性、零碳排放和低噪音特性，为低空操作提供了成本效益高且易于部署的解决方案。因此，它们在环境监测、野生动物保护、紧急救灾和监视巡逻等多种场景中展现出巨大潜力，逐渐成为低空任务的高效环保解决方案。典型的代表性无人机[[4], [5], [6]]如图1(a)-(c)所示。
尽管具有这些优势，但太阳能驱动的无人机完全依赖光伏组件来收集能量，这使得它们对昼夜循环和气象条件非常敏感[7]。为了最大化能量存储，这些无人机通常需要较大的翼面积来容纳太阳能电池，从而导致高纵横比和低翼载荷[8]。这些特性使得它们与传统固定翼无人机相比，更加依赖准备良好的跑道。此外，超轻结构设计和表面安装的光伏（PV）模块的脆弱性也带来了固有风险[9]。这些无人机难以适应复杂的野外地形、封闭的丛林区域或缺乏标准起降条件的紧急救援场景，严重限制了其实际应用范围。
这些能量和重量的双重限制意味着未来的太阳能无人机设计必须平衡轻量化结构、高效能量利用和起降灵活性。为了解决这些挑战，将垂直起降（VTOL）技术整合到太阳能无人机中已成为关键解决方案。例如，最近关于各种太阳能VTOL无人机整体配置设计[10]以及两栖太阳能无人机平台设计[11]的研究表明，将太阳能系统与VTOL能力相结合可以在一定程度上缓解能量限制和起降要求之间的矛盾。
根据之前的VTOL飞机分类，分布式推进VTOL平台可以大致分为复合翼、倾转旋翼、倾转翼和倾转体（尾座）配置。特别是具有分布式推进的尾座配置，因其结构简单、没有复杂的倾斜机制以及能够结合高效巡航和垂直飞行的能力而受到关注。这些特性显著提高了结构效率和系统可靠性，同时降低了制造成本。这些特点完全符合太阳能飞机的超轻量设计和高能效的核心要求，使尾座配置成为这两种技术融合的理想载体。典型的代表性尾座飞机[[12], [13], [14]]如图1(d)-(f)所示。
然而，现有的尾座飞机通常具有有限的翼展和翼面积，而太阳能飞机大多采用高纵横比设计。这种特定的全翼配置表现出横向和纵向空气动力阻尼之间的巨大差异、低翼载荷以及在飞行模式之间分布式推进工作条件的显著变化。因此，其飞行动力学与标准尾座或固定翼配置不同。研究这些动态特性和分布式推进的影响机制对于未来的设计和控制至关重要。
近年来，Yang[15]首次将滑流不对称性引起的额外空气动力力和力矩纳入动力学模型，并验证了差动推力控制在提高太阳能无人机能量性能方面的有效性。Wang[16]进行了空气动力分析以及螺旋桨/机翼的集成流动机制的研究与设计。通过充分利用螺旋桨旋转注入流场的能量，太阳能无人机具备了在低速手抛条件和极低雷诺数环境下起飞的能力。关于尾座无人机的动态特性研究，Liu[17]建立了环形翼和冗余执行器的Ring-Wing Tail-sitter UAV（RWT-UAV）的集成动力学模型，并研究了空气动力学和控制的解耦和融合规律。ENAC的研究人员[18]为DarkO尾座无人机开发了风洞虚拟飞行测试（VFT）系统，以表征其纵向动力学特性，并分析了在恒定风条件下的稳定性控制问题。Islas-Narvaez[19]通过CFD数值模拟验证了双旋翼尾座无人机的可行性。Di等人[20]分析了矢量推力飞翼配置的多体动力学和非最小相位行为。
在分布式螺旋桨与机翼之间的空气动力耦合效应研究方面，Kroo[21]表明螺旋桨对机翼的干扰比机翼对螺旋桨的干扰更强，指出滑流干扰显著改变了横向载荷分布。NASA的地面车辆测试显示，在前缘处受到分布式螺旋桨滑流的影响下，机翼升力可以达到干净机翼在相同条件下的两倍[22]。基于CFD，Stoll[23]使用等效执行器盘模型来替代分布式螺旋桨，以模拟滑流干扰效应。Wang Hongbo[24]研究了分布式螺旋桨滑流在鸭式配置太阳能无人机中的影响机制，提出了一种带有推力诱导升力增强的直双翼型配置，并通过滑流干扰实现了升力增强和阻力减少。Meng[25]揭示了螺旋桨滑流作用下通道翼的性能和流动机制。Wang等人[26]专注于“分布式滑流附近的理想流动状态”，系统优化了螺旋桨参数和机翼截面，指出利用滑流比简单的机翼优化更有效。还提出了双螺旋桨/双翼推进配置，其中螺旋桨通常分别布置在其各自机翼的前后两层[27]，或放置在两个垂直分离的机翼平面之前[14,28]。在这种设计中，每个螺旋桨的滑流主要作用于其自身的机翼截面，整体空气动力行为与传统横向分布式推进配置大致相似。
目前的研究主要集中在巡航阶段的动态分析和空气动力效率提升上。关于满足VTOL要求的空间机翼配置设计以及起飞和降落过程中高推力螺旋桨滑流的空气动力效应的研究相对较少。此外，大多数推进-空气动力耦合研究假设螺旋桨与机翼前缘共面，忽略了螺旋桨的纵向或垂直分布对滑流和机翼表面三维扰动的影响。
基于上述分析，本研究开发了一种具有双层分布式电推进尾座全翼配置（DDEP-ATS）的太阳能无人机。针对VTOL阶段空气动力力的时间变化性和分布式推进与机翼之间的推进-空气动力耦合效应，建立了一个考虑推进布局特性和耦合效应的动力学模型。该模型揭示了DDEP-ATS无人机在VTOL阶段的动态特性，为未来的设计和控制策略提供了理论和模型支持。主要贡献如下：
(1)为了解决太阳能无人机对准备良好跑道的依赖性，并满足轻量化设计和高效能量利用的核心要求，提出了一种适用于小型VTOL太阳能无人机的小型双层分布式电推进尾座全翼配置（DDEP-ATS）。引入了无控制面的设计，以提高光伏模块的覆盖范围，并采用了全推力差动控制策略。
(2)基于螺旋桨推力的非线性和分布式推进的布局特性，建立了一个双层DEP螺旋桨模型。进一步结合分布式螺旋桨滑流与机翼之间的强耦合效应，构建了一个完整的飞机动力学模型，以统一表示横向/纵向推进分布下的滑流影响。
(3)首次通过综合推进台测试和CFD模拟实验识别并表征了由于纵向双层滑流耦合引起的非线性升力增强机制。引入了滑流耦合校正因子，以提高空气动力模型的预测准确性。
(4)通过悬停飞行动力学分析应用和验证了所建立的空气动力模型，揭示了该配置从悬停到固定翼模式的不稳定特性和自然过渡趋势。此外，设计了一种控制方案来补偿VTOL操作期间的有限偏航权限。
本文的其余部分组织如下：第2节介绍了DDEP-ATS无人机的布局特性和飞行剖面。第3节建立了完整的飞机动力学模型，捕捉了推进配置参数和纵向双层分布式螺旋桨滑流的耦合效应。此外，还设计了一个推进台测试进行验证。第4节在VTOL/悬停飞行动力学分析中应用该模型，研究了该配置的旋翼模式行为，并进行了详细讨论。最后，第5节总结了讨论的内容。
