由于传统化石能源导致的环境污染,以化石能源作为动力来源的动力机械未来的发展更注重于新能源的开发和利用,而太阳能作为取之不尽、用之不竭的新型清洁能源,以太阳能作为动力来源的动力机械将会是未来发展的核心方向之一。高空长航时太阳能无人机是无人机技术与太阳能动力技术结合的产物,采用光伏电池和储能电池作为能源系统,利用太阳能作为其动力来源,通过太阳能的综合利用实现超长航时的飞行,具有跨昼夜甚至跨月持续飞行的能力。由于具有长时间驻空的能力,因此能够作为临近空间的空中应用平台,相较于卫星可以实现更高分辨率的信息获取、通信中继等任务,实现临近空间的信息综合、传递及分发,具有广阔的应用前景。但太阳能无人机的学科研究涉及科学和工程研究的多个前沿领域,涵盖总体技术、结构轻质化技术、可再生能源技术、低雷诺数气动布局技术等多项技术难度较大的前沿技术,导致太阳能无人机的发展较为缓慢。因此,为了在现有技术条件下,突破太阳能无人机载荷能力弱的关键瓶颈,本文以任务为导向开展基于球载投放发射技术的太阳能无人机总体设计研究,然后针对球载投放的创新发射方式进行可行性分析和验证,最后通过航迹规划实现太阳能无人机的能源效用优化,通过两种技术的结合实现太阳能无人机的综合性能优化,论文的主要研究工作及创新点如下:（1）进行了以任务为导向的球载投放太阳能无人机总体设计方法研究。采用球载起飞高空投放的创新方式,结合满足全向任务探测需求的联翼布局,进行高空长航时太阳能无人机以能量为核心的多学科建模,对采用重力势能储能为能源管理策略的太阳能无人机进行设计域分析,研究基于能量平衡方程的总体设计与飞行剖面的耦合问题,在传统设计方法的基础上,将飞行剖面影响的顶层指标定义为关键特征优化变量,根据太阳能无人机的典型任务要求,采用粒子群算法进行多目标搜索,采用评价函数挑选出最优的总体参数方案,通过模型对比验证了设计方法的优势,分析了越夜高度变化的能量敏度,揭示了太阳能无人机总体设计与飞行剖面的强耦合性。（2）基于球载起飞高空投放的太阳能无人机发射方式创新解决方案研究。首先,针对大展弦比太阳能无人机地面滑跑起飞直至爬升到临近空间的过程中,对推进系统及起降机场要求高的难点,采用通过高空气球将太阳能无人机带至临近空间进行投放的方式,针对球载投放技术进行了研究,建立了球载投放系统的仿真分析方法,通过仿真实验,研究了投放姿态、舵偏和推力等因素对球载投放过程的影响,初步得到投放过程的边界条件,接着在仿真试验的指导下,设计了低空缩比球载投放试验系统,并试验验证了球载投放系统的可行性,为太阳能无人机的球载投放提供技术支撑。（3）大跨时空场景下能源效用优化的太阳能无人机航迹规划技术研究。针对太阳能无人机的续航性能和任务性能与飞行航迹密切相关的特点,同时为了解决目前的航迹规划研究缺少针对太阳能无人机典型任务场景的问题,提出了一种基于太阳能无人机超长航时飞行的大跨时空任务场景。基于该特定场景,为了解决该场景下的航迹优化问题,采用基于重力势能储能的能源管理策略,将无人机任务路径规划方法和能量管理策略中的轨迹优化方法相结合,通过多目标联合算法求解同时考虑任务约束和能量优化的复杂耦合问题,研究大跨时空场景下以能效优化为目标的太阳能无人机航迹规划技术,实现了跨昼夜任务场景的航迹规划,为大跨时空场景下太阳能无人机的航迹规划提供指导。（4）太阳能无人机技术与集群无人机技术结合的高能效组合式太阳能无人机多机协同航迹规划研究。针对现有太阳能无人机存在的任务效能低,可靠性低,起降困难等问题,结合模块化集群无人机的思想,提出了组合式太阳能无人机的新思路。通过研究组合式无人机在有限太阳辐照条件下,面向任务的多机协同三维航迹规划,研究组合式无人机的高能效多级飞行策略,解决大规模多耦合约束下的组合优化问题,通过航迹优化实现组合式太阳能无人机的能效最大化。综上所述,本文以太阳能无人机的能效最大化为目的,开展了太阳能无人机的总体设计与航迹规划技术研究,提出了针对任务需求的总体设计方法和技术方案,验证了球载投放方式的可行性及最优投放条件,并针对太阳能无人机进行了最优航迹规划研究,最后进行了组合式太阳能无人机协同路径规划的相关研究。研究工作能够为太阳能无人机的理论研究和工程设计提供指导,并为未来太阳能无人机的发展提供思路和方向。