太陽能是一種新興可再生能源，對于應(yīng)用到無人機領(lǐng)域中也是如此，太陽能無人機作為當今世界航空工業(yè)重點研究的對象，已經(jīng)被歐美等國列入高空長航時飛行平臺。
據(jù)新華社2月8日報道，一架翼展40多米、表面布滿太陽能電池板的螺旋槳飛機，目前正靜靜地停在中國航天空氣動力技術(shù)研究院的機庫里。這架彩虹系列太陽能無人機已完成飛行試驗，將于今年測試臨近空間高度飛行。
空氣動力技術(shù)研究院無人機總工程師石文介紹，這是美國NASA系列后世界上最大的太陽能無人機，性能指標和技術(shù)能力為國際前三。
憑借超高空、長航時、易保障這三大“法寶”，太陽能無人機未來有望承擔起長時間空中預警、大面積空中偵察以及災(zāi)害監(jiān)測、氣象觀測、通信中繼等任務(wù)。
翼展逾40米的中國新一代彩虹系列太陽能無人機(圖片來源：大公網(wǎng))
可實現(xiàn)區(qū)域持久駐留
據(jù)大公網(wǎng)8日報道，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)，為動力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備及任務(wù)載荷提供能量，同時將多余的能量儲存在蓄電池中。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現(xiàn)“永久飛行”。作為世界強國都在聚焦的太陽能無人機，則可具有數(shù)十千米的飛行高度、長達數(shù)月的巡航能力。
太陽能無人機也被稱為“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，太陽能無人機可實現(xiàn)區(qū)域持久駐留，其執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)的時間/空間分辨率更高，區(qū)域通信能力更強，且起降場地簡單，發(fā)射及運行成本更低。
太陽能無人機的研究，成為世界強國的必爭之地，在美歐等國都在發(fā)展規(guī)劃中都將太陽能無人機作為高空長航時飛行平臺，并向超高空化、超長航時化、大型化、實用化方向發(fā)展。中國的彩虹系列太陽能無人機，近年來異軍突起，成為這一領(lǐng)域極具競爭力的選手。
據(jù)介紹，中國航天空氣動力技術(shù)研究院的太陽能無人機研究，已先后突破了平臺概念研究及小型驗證機研制、關(guān)鍵技術(shù)研究和方案論證、40余米翼展大尺度技術(shù)驗證機飛行試驗等關(guān)鍵技術(shù)。翼展長度達到40余米的樣機，已完成多次飛行試驗，實現(xiàn)了小風速、劇烈垂直氣流變化、大強度水平風多種風場條件下的低空自主穩(wěn)定飛行。
飛得高 難點是氣動布局無模板
太陽能無人機通常采用大展弦比機翼，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。
展弦比是指機翼長度的平方除以機翼面積?，F(xiàn)代大型飛機多采用大展弦比機翼，以減小能耗。同樣一架太陽能飛機，飛行高度越高，所需功率就越大，對于光伏吸收和推進系統(tǒng)效率、機體結(jié)構(gòu)與蓄電池組的輕質(zhì)化等要求也就更高。
石文說，太陽能無人機的氣動布局和翼型，無法套用成熟的常規(guī)飛機模板，關(guān)鍵在于解決氣動布局優(yōu)化設(shè)計問題，以提高飛機的升阻比。
他表示，由于依靠太陽能提供的電力飛行，目前翼展60米量級的太陽能無人機提供的有效載荷能力大致在50千克量級。
飛得久 目標是數(shù)月可以不停飛
太陽能無人機無燃油消耗，有望實現(xiàn)數(shù)月甚至更長時間的超長航時飛行。
石文介紹，由于太陽能電池轉(zhuǎn)化效率和儲能電池能重比不足，推進能力有限，目前太陽能無人機高空飛行速度一般在150千米/小時至200千米/小時。
他表示，高效高能量密度太陽能及儲能能源系統(tǒng)是決定太陽能無人機性能水平的關(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)、先進光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、高比能量儲能電池技術(shù)等。
易保障 前提是系統(tǒng)技術(shù)可靠性高
太陽能無人機具有較高的運行效費比。其機載系統(tǒng)簡單，對跑道長度要求不高，也無需加油等保障設(shè)備。由于航時超長，完成持久性任務(wù)無需頻繁更替輪換。
不過，石文告訴記者，太陽能無人機總體設(shè)計技術(shù)在國內(nèi)外尚未形成成熟的設(shè)計體系，技術(shù)和工程設(shè)計上也有別于常規(guī)的固定翼無人機。
比如，臨近空間飛行環(huán)境對電機裝置的性能要求兼?zhèn)涓咝?、高功率密度、高可靠性、高穩(wěn)定性，現(xiàn)有航空平臺飛控系統(tǒng)的傳感器、作動器也還無法滿足超長航時飛行等要求，后續(xù)需要大量設(shè)計試驗和實飛驗證。
但相比衛(wèi)星，太陽能無人機具有成本低、部署靈活等優(yōu)勢。此外，可與高空巨型飛艇配合，以固定平臺與機動平臺的高低搭配形式，形成區(qū)域全覆蓋的不間斷態(tài)勢感知、通信和中繼網(wǎng)絡(luò)。
石文說，他帶領(lǐng)的科研團隊已初步探索出太陽能飛機的關(guān)鍵技術(shù)點，未來研究將向更高難度、更深層次挺進。
據(jù)大公網(wǎng)報道，對于太陽能無人機未來的用途，空氣動力技術(shù)研究院的專家指出，除可進行空中長時間偵察監(jiān)視等軍事用途外，這種無人機還可以完成災(zāi)害監(jiān)測、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，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)多國競技
美國NASA太陽能無人機：截至2003年項目結(jié)束前共研制出Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios，都采用了飛翼布局。其中，Helios的翼展長度達到75.3米。
美國國防部預研局“禿鷹”計劃：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、機上功率5kW、續(xù)航時間超過5年、可在99%的時間內(nèi)保持在任務(wù)空域中的固定翼飛行器。波音/奎奈蒂克公司團隊提出的“太陽鷹”方案中標。
英國奎奈蒂克公司的Zephyr太陽能無人機計劃始于2001年。2010年7月，Zephyr在亞利桑那州的尤馬實驗場起飛，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。
“陽光動力2號”
瑞士“陽光動力2號”作為全球最大太陽能動力飛機，在2015年至2016年環(huán)球飛行期間，突破了連續(xù)不段地進行飛行118小時的記錄。但是不同無人機自身的優(yōu)勢，作為飛機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)計在1.5千米至8.5千米，導致飛行受到氣象條件影響比較大。
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