太陽能是一種新興可再生能源，對(duì)于應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域中也是如此，太陽能無人機(jī)作為當(dāng)今世界航空工業(yè)重點(diǎn)研究的對(duì)象，已經(jīng)被歐美等國(guó)列入高空長(zhǎng)航時(shí)飛行平臺(tái)。

據(jù)新華社2月8日?qǐng)?bào)道，一架翼展40多米、表面布滿太陽能電池板的螺旋槳飛機(jī)，目前正靜靜地停在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的機(jī)庫(kù)里。這架彩虹系列太陽能無人機(jī)已完成飛行試驗(yàn)，將于今年測(cè)試臨近空間高度飛行。

空氣動(dòng)力技術(shù)研究院無人機(jī)總工程師石文介紹，這是美國(guó)NASA系列后世界上最大的太陽能無人機(jī)，性能指標(biāo)和技術(shù)能力為國(guó)際前三。

憑借超高空、長(zhǎng)航時(shí)、易保障這三大“法寶”，太陽能無人機(jī)未來有望承擔(dān)起長(zhǎng)時(shí)間空中預(yù)警、大面積空中偵察以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、氣象觀測(cè)、通信中繼等任務(wù)。

翼展逾40米的中國(guó)新一代彩虹系列太陽能無人機(jī)(圖片來源：大公網(wǎng))

可實(shí)現(xiàn)區(qū)域持久駐留

據(jù)大公網(wǎng)8日?qǐng)?bào)道，太陽能飛行器顧名思義是一種以太陽光能作為能源的飛行器。白天，飛行器依靠太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，為動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備及任務(wù)載荷提供能量，同時(shí)將多余的能量?jī)?chǔ)存在蓄電池中。夜晚，它再通過蓄電池的電能持續(xù)飛行。

如果不考慮部件壽命，這種飛行器理論上可以實(shí)現(xiàn)“永久飛行”。作為世界強(qiáng)國(guó)都在聚焦的太陽能無人機(jī)，則可具有數(shù)十千米的飛行高度、長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的巡航能力。

太陽能無人機(jī)也被稱為“大氣層衛(wèi)星”，可代替低軌道衛(wèi)星的部分功能。太陽能無人機(jī)可在局部形成持續(xù)的監(jiān)視、信息中繼能力。與衛(wèi)星的周期性訪問相比，太陽能無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域持久駐留，其執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)的時(shí)間/空間分辨率更高，區(qū)域通信能力更強(qiáng)，且起降場(chǎng)地簡(jiǎn)單，發(fā)射及運(yùn)行成本更低。

太陽能無人機(jī)的研究，成為世界強(qiáng)國(guó)的必爭(zhēng)之地，在美歐等國(guó)都在發(fā)展規(guī)劃中都將太陽能無人機(jī)作為高空長(zhǎng)航時(shí)飛行平臺(tái)，并向超高空化、超長(zhǎng)航時(shí)化、大型化、實(shí)用化方向發(fā)展。中國(guó)的彩虹系列太陽能無人機(jī)，近年來異軍突起，成為這一領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力的選手。

據(jù)介紹，中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的太陽能無人機(jī)研究，已先后突破了平臺(tái)概念研究及小型驗(yàn)證機(jī)研制、關(guān)鍵技術(shù)研究和方案論證、40余米翼展大尺度技術(shù)驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)。翼展長(zhǎng)度達(dá)到40余米的樣機(jī)，已完成多次飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了小風(fēng)速、劇烈垂直氣流變化、大強(qiáng)度水平風(fēng)多種風(fēng)場(chǎng)條件下的低空自主穩(wěn)定飛行。

飛得高 難點(diǎn)是氣動(dòng)布局無模板

太陽能無人機(jī)通常采用大展弦比機(jī)翼，可升至20千米至30千米高度。這一空域大氣稀薄，氣象條件穩(wěn)定，飛行因此可以更平穩(wěn)、快速。

展弦比是指機(jī)翼長(zhǎng)度的平方除以機(jī)翼面積?，F(xiàn)代大型飛機(jī)多采用大展弦比機(jī)翼，以減小能耗。同樣一架太陽能飛機(jī)，飛行高度越高，所需功率就越大，對(duì)于光伏吸收和推進(jìn)系統(tǒng)效率、機(jī)體結(jié)構(gòu)與蓄電池組的輕質(zhì)化等要求也就更高。

石文說，太陽能無人機(jī)的氣動(dòng)布局和翼型，無法套用成熟的常規(guī)飛機(jī)模板，關(guān)鍵在于解決氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，以提高飛機(jī)的升阻比。

他表示，由于依靠太陽能提供的電力飛行，目前翼展60米量級(jí)的太陽能無人機(jī)提供的有效載荷能力大致在50千克量級(jí)。

飛得久 目標(biāo)是數(shù)月可以不停飛

太陽能無人機(jī)無燃油消耗，有望實(shí)現(xiàn)數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間的超長(zhǎng)航時(shí)飛行。

石文介紹，由于太陽能電池轉(zhuǎn)化效率和儲(chǔ)能電池能重比不足，推進(jìn)能力有限，目前太陽能無人機(jī)高空飛行速度一般在150千米/小時(shí)至200千米/小時(shí)。

他表示，高效高能量密度太陽能及儲(chǔ)能能源系統(tǒng)是決定太陽能無人機(jī)性能水平的關(guān)鍵領(lǐng)域，因此需要大量關(guān)注新興技術(shù)，包括超高效柔性薄膜太陽電池及輕質(zhì)組陣技術(shù)、先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、高比能量?jī)?chǔ)能電池技術(shù)等。

易保障 前提是系統(tǒng)技術(shù)可靠性高

太陽能無人機(jī)具有較高的運(yùn)行效費(fèi)比。其機(jī)載系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)跑道長(zhǎng)度要求不高，也無需加油等保障設(shè)備。由于航時(shí)超長(zhǎng)，完成持久性任務(wù)無需頻繁更替輪換。

不過，石文告訴記者，太陽能無人機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外尚未形成成熟的設(shè)計(jì)體系，技術(shù)和工程設(shè)計(jì)上也有別于常規(guī)的固定翼無人機(jī)。

比如，臨近空間飛行環(huán)境對(duì)電機(jī)裝置的性能要求兼?zhèn)涓咝?、高功率密度、高可靠性、高穩(wěn)定性，現(xiàn)有航空平臺(tái)飛控系統(tǒng)的傳感器、作動(dòng)器也還無法滿足超長(zhǎng)航時(shí)飛行等要求，后續(xù)需要大量設(shè)計(jì)試驗(yàn)和實(shí)飛驗(yàn)證。

但相比衛(wèi)星，太陽能無人機(jī)具有成本低、部署靈活等優(yōu)勢(shì)。此外，可與高空巨型飛艇配合，以固定平臺(tái)與機(jī)動(dòng)平臺(tái)的高低搭配形式，形成區(qū)域全覆蓋的不間斷態(tài)勢(shì)感知、通信和中繼網(wǎng)絡(luò)。

石文說，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)已初步探索出太陽能飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，未來研究將向更高難度、更深層次挺進(jìn)。

據(jù)大公網(wǎng)報(bào)道，對(duì)于太陽能無人機(jī)未來的用途，空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的專家指出，除可進(jìn)行空中長(zhǎng)時(shí)間偵察監(jiān)視等軍事用途外，這種無人機(jī)還可以完成災(zāi)害監(jiān)測(cè)、邊境巡邏、空中和地面交通管理、通訊中繼等任務(wù)。在發(fā)生災(zāi)害時(shí)，替代中斷的通信，保持災(zāi)區(qū)與外界的聯(lián)絡(luò)。

太陽能飛行器研發(fā)多國(guó)競(jìng)技

美國(guó)NASA太陽能無人機(jī)：截至2003年項(xiàng)目結(jié)束前共研制出Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios，都采用了飛翼布局。其中，Helios的翼展長(zhǎng)度達(dá)到75.3米。

美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局“禿鷹”計(jì)劃：目的是尋求提供一種可保持在18.3km～27.4km高度、攜帶450kg有效載荷、機(jī)上功率5kW、續(xù)航時(shí)間超過5年、可在99%的時(shí)間內(nèi)保持在任務(wù)空域中的固定翼飛行器。波音/奎奈蒂克公司團(tuán)隊(duì)提出的“太陽鷹”方案中標(biāo)。

英國(guó)奎奈蒂克公司的Zephyr太陽能無人機(jī)計(jì)劃始于2001年。2010年7月，Zephyr在亞利桑那州的尤馬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)起飛，攜帶2.7kg有效載荷，飛行14天零24分鐘，起飛重量50kg，翼展22.5m。

“陽光動(dòng)力2號(hào)”

瑞士“陽光動(dòng)力2號(hào)”作為全球最大太陽能動(dòng)力飛機(jī)，在2015年至2016年環(huán)球飛行期間，突破了連續(xù)不段地進(jìn)行飛行118小時(shí)的記錄。但是不同無人機(jī)自身的優(yōu)勢(shì)，作為飛機(jī)本身需要搭載人員和相關(guān)設(shè)備，接近100公斤的總載重，巡航高度范圍設(shè)計(jì)在1.5千米至8.5千米，導(dǎo)致飛行受到氣象條件影響比較大。