利用临近空间稳定的大气环境和太阳能源实现超长航时升力飞行的太阳能飞行器是当前国际研究的热点和前沿领域之一。该飞行器具有可昼夜持续飞行、对地无遮挡覆盖范围大、工作状态稳定、应用成本较低、服务响应速度快等优点,在环境探测、区域通信、边境监控、灾害预警和监测、高分辨率对地观测等任务中具有广阔的应用前景。如何实现太阳能飞行器跨昼夜长期运行和在平流层高度稳定飞行是该领域面临的核心挑战。当前研究主要集中在关键技术水平如何快速发展、系统集成和飞行试验的经验如何积累上。受制于当前和可预期的技术发展水平,比照传统飞行器设计模式开发临近空间太阳能飞行器仍然是开发和应用的瓶颈和障碍。论文从制约临近空间太阳能飞行器性能的关键约束分析入手,提出了结合飞行过程的飞行器设计方法,重点引入基于重力势能储能和基于风梯度能量获取的创新思路,并分析其对飞行性能的影响特征和规律,期望结合临近空间环境特征推动临近空间太阳能飞行器的实现和应用。论文的主要研究内容包括:开展了利用滑翔实现重力势能转换的最优路径研究。对临近空间跨昼夜飞行问题,最优重力势能滑翔轨迹问题可归纳为在满足动力学方程约束和气动参数约束基础上,飞行器下降单位高度的最长航时飞行航迹问题。提出了一种估计哈密顿方程中协状态变量方法,利用高斯伪谱方法求解该问题。研究了初始高度和速度对转化性能的影响,开展了0~30km高度内最长航时滑翔航迹的运动特征和航时特性分析。结果表明采用重力滑翔的方式可减少跨昼夜飞行所需携带的储能电池质量,有利于克服当前储能电池能源密度低的瓶颈问题。建立了重力储能和势能获取策略,开展了飞行过程中能量规划方法的研究。在对太阳能飞行器推力和能量性质分析的基础上,对飞行器所需携带的储能电池质量与飞行轨迹联合优化方法进行了研究。提出一种适用于太阳能飞行器重力势能储能的能量规划方法,并对重力势能储能与储能电池储能的等价性问题进行了分析和讨论。仿真表明:采用所提的能量规划方法,在当前技术水平下,太阳能飞行器可实现16km以上高度的跨昼夜飞行。相比目前依靠储能电池的平飞巡航能量规划方法,所提方法在跨昼夜飞行过程中可减少大约23.5%的能量消耗。对风梯度获取能量的运动特征进行了分析,建立了自主风梯度滑翔飞行的简化方法。在建立运动学模型的基础上,采用高斯伪谱方法对最优风梯度滑翔轨迹进行求解。根据最优风梯度滑翔的轨迹特征,提出基于特征描述的飞行器风梯度滑翔轨迹生成方法。将特征轨迹分为四段:逆风爬升段、高空转弯段、顺风下降段和低空转弯段。仿真表明:基于特征的描述方法所生成的风梯度滑翔轨迹可表征最优滑翔轨迹的变化,按照所规划航迹,可有效从风梯度中获取能量,并简化滑翔轨迹生成过程。对风梯度能量获取过程的功率和效率进行了研究。对常值风梯度条件下的四种滑翔轨迹类型:弯曲型变高度轨迹,弯曲型变速度轨迹,椭圆型变高度轨迹,椭圆型变速度轨迹进行了研究,并对其能量转换过程进行了讨论。结果表明:在相同条件下,弯曲型风梯度滑翔的飞行周期普遍短于椭圆型风梯度滑翔轨迹。不同的风梯度滑翔类型所对应的能量获取效率不同,弯曲型滑翔轨迹能量获取效率高于椭圆型滑翔轨迹。对于弯曲型风梯度滑翔轨迹,从风梯度中获取的富余能量存储在动能中比存储在重力势能中有利,对于椭圆型动态风梯度滑翔轨迹则相反。对临近空间太阳能飞行器综合利用重力势和风梯度进行了研究,分析了爬升和滑翔阶段风梯度对飞行器能量消耗的影响。对飞行器上升阶段所能达到的最大高度问题和飞行器在重力滑翔阶段所能支撑的最长滑翔时间问题分别进行讨论的基础上,分析了梯度风方向和大小对爬升和下降阶段的影响。仿真表明:当梯度风强度为0.05<β<0.1s-1时,在爬升阶段,从风梯度中所获取的能量能够补偿飞行器爬升过程中阻力所消耗能量的12%~25%;在滑翔阶段,可以补偿飞行器阻力所消耗能量的10%-20%。论文的研究为太阳能飞行器利用重力势能储能和风梯度能量获取技术实现高空长航时飞行提供了基本设计思路和分析方法。可为拓展临近空间太阳能飞行器性能边界提供思路,为建立当前重点技术攻关方向提供参考,为创新总体设计提供技术支撑。