临近空间作为空天结合领域,近年来成为各国纷纷抢占的又一战略制高点。临近空间长航时飞行器因其飞行高度适中、可持久驻留、应用成本低、响应速度快等特点,在区域通信、环境监测、高分辨率对地观测等领域中显示出广泛的应用前景。升力型临近空间太阳能飞行器,利用临近空间稳定的大气环境,采用取之不竭的太阳能作为能源,实现年、月量级的持久驻留,成为国际研究热点和前沿领域。临近空间太阳能飞行器由于受到高空低密度气流条件的限制,实现跨昼夜持久安全稳定飞行是该领域面临的核心关键问题。本文鉴于“Helios”HP03太阳神飞行器的失稳破坏问题,对同类型的太阳能飞行器进行研究,将该问题界定为总体设计、气动、结构、飞行动力学等多学科共同影响的结果。基于此,论文首先从飞行器的飞行环境及技术约束入手,以能源平衡为核心,对临近空间太阳能飞行器的总体特征进行分析,阐述该类飞行器安全飞行面临的挑战,以及开展气动-结构-飞行动力学耦合研究的必要性;进一步,建立了涉及结构动力学、飞行动力学的耦合分析模型,结合变形飞行器的非定常气动力快速计算方法,采用数值方法对临近空间太阳能飞行器气动-结构-飞行动力学耦合特征进行分析;最后,根据耦合特征,对飞行器稳定性进行研究,提出安全设计改进措施,为飞行器的安全稳定飞行提供分析方法、理论基础和设计参考。论文的主要研究工作包括:开展了临近空间太阳能飞行器总体特征研究。在对临近空间太阳能飞行器发展现状详细调研的基础上,从飞行器的设计约束入手,以能源平衡为核心,考虑飞行器能源闭环的实现,以机翼面积及重量作为主要设计变量,对设计可行域进行了分析和讨论。进一步,以某高空长航时太阳能飞行器为研究对象,详细给出了闭环总体设计方案,并采用数值方法,分析了不同设计输入对于总体方案的影响。最后,对该类型飞行器核心特征进行了总结,分析了该类型飞行器安全飞行面临的挑战。结果表明,为满足长航时飞行的能源闭环条件,飞行器设计域非常狭小,飞行器必然具有超大尺寸、轻质、低翼载等特点,飞行器气动-结构-飞行动力学紧密耦合问题十分突出,飞行器安全飞行面临严峻挑战。建立了大型柔弹性飞行器结构变形-飞行动力学耦合模型。首先对刚柔耦合特征进行分析,采用固定于机体的浮动坐标系方法将飞行器弹性变形与大范围运动进行解耦,基于拉格朗日方程,推导柔弹性飞行器结构变形与飞行动力学耦合模型。然后,对于耦合模型进行了分析讨论,阐述了非定常气动分析的快速计算需求。最后,针对大展弦比柔性飞翼布局飞行器,开展了特定约束条件下的响应分析,为进一步的研究奠定基础。结果表明,结构动力学-飞行动力学耦合模型为时变非线性二阶微分方程组,对模型的分析依赖于非定常气动力的求解。此外,分析结果表明,沿展向升力分布的不均匀变化是结构出现大变形的根本原因。提出了变形飞行器非定常气动力快速计算方法。首先对本研究中所涉及到的气动特性进行分析,总结得到低速、不可压、低动态的特点;然后基于势流理论,完成气动力快速计算建模及边界条件分析;进一步,采用面元方法离散求解,并进行程序编写及数值计算;最后采用计算流体力学方法,对本文本文提出的气动计算方法进行校核,验证方法的有效性及可靠性。结果表明,基于面元法的非定常气动力快速计算方法,能够较为准确的获得气动力结果,满足耦合计算分析需求,为飞行器气动-结构-飞行动力学耦合实现提供了气动基础。开展了临近空间太阳能飞行器气动-结构-飞行动力学耦合数值仿真。在上述大型柔弹性飞行器结构-飞行动力学耦合建模及非定常气动力快速计算的基础上,进一步开展了飞行器气动-结构-飞行动力学耦合数值分析。首先,根据上述模型确定耦合迭代计算流程,并根据平衡条件确定飞行器平衡状态。然后,在俯仰角保持不变的条件下,对飞行器的纵向位置及结构变形量进行研究,为进一步的耦合研究提供参考。进而,放开俯仰角保持不变的限制,开展了飞行器气动-结构-飞行动力学耦合特征研究。最后采用数值方法分析了质量分布、结构刚度、控制能力、飞行速度等不同参数对于飞行器响应的影响。结果表明:临近空间太阳能飞行器在飞行过程中,气流对于机翼结构的阻尼作用非常显著,结构变形阻尼比通常远大于1,因而机翼并不会出现上下持续震荡的情形,而是直接收敛到平衡位置。在遭遇扰动时,刚度明显不足的临近空间飞行器更容易出现大幅变形,并且由于气流阻尼的作用,其变形恢复较慢,大变形得以保持。不同设计参数对于飞行器响应的影响:随着中间集中质量向两侧分布,平衡状态下的变形逐渐减小,相同的变形偏差扰动时,系统发散速度也较慢;刚度越小,平衡状态的变形量越大,俯仰角的振荡周期越短,在相同的变形偏差的扰动下,其动力学发散的速度也越快;当控制作用较强时,俯仰角可收敛于平衡状态,而不会出现振荡幅度越来越大的发散行为,因而不会引起结构变形的进一步增大;飞行器飞行速度越小,其动力学发散的速度也越快。开展了临近空间太阳能飞行器稳定性分析及安全改进设计研究。在耦合特征数值计算分析的基础上,通过简化模型及固化参数等方法,开展了飞行动力学及结构动力学对于稳定性的耦合影响机理研究,分析不同因素的影响规律。进而,结合该类型飞行器不同设计参数对稳定性响应的影响分析,开展了飞行器安全飞行改进设计研究,为飞行器的发展提供理论依据和设计参考。综合仿真结果和解析分析,本文提出飞行器正反馈发散环失稳模式:飞行器遭受气流扰动后,升力分布不均导致结构变形,进而引起俯仰惯量及静稳定性显著变化,飞行器纵向长周期失稳,俯仰角速度发散,引起气动分布不均的进一步加剧,结构变形继续增大,循环持续,该模式也揭示了“Helios”HP03太阳能飞行器失稳失败的原因。此外,飞行器的质量分布主要影响飞行器变形后的静稳定性以及俯仰惯量;飞行器飞行速度主要影响结构恢复阻尼及纵向长周期;结构刚度主要是在频率方面对于结构变形影响较大;控制能力的提高能够有助于保证飞行器的安全性。最后,本文从总体布局、变形控制、速度选择等方面提出设计改进建议。本文研究的开展,进一步拓宽了对临近空间太阳能飞行器特征的认识,建立了气动-结构-飞行动力学耦合分析模型,分析了耦合特征及影响因素,为飞行器安全飞行提供分析方法和设计参考,为临近空间太阳能飞行器的发展提供技术支撑。