近日，彩虹系列太陽能無人機完成飛行試驗的消息一經(jīng)傳出，即引起關(guān)注。因為這意味著我國的太陽能無人機技術(shù)已位居世界前列。據(jù)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)能力居國際前三，且有望在將來承擔長時間空中預警、大面積空中偵察以及災害監(jiān)測、氣象觀測、通信中繼等任務。據(jù)悉，彩虹系列太陽能無人機將于今年測試臨近空間高度飛行，距離行業(yè)應用又近了一步。


一直以來，國外只有Google和Facebook兩家公司在做民用太陽能Wi-Fi無人機。但是前不久，因為商用方面的隱憂，Google傳出了砍掉Titan太陽能無人機的消息。經(jīng)美國國家運輸安全委員會(NTSB)調(diào)查，F(xiàn)acebook的Aquila太陽能無人機首飛過程中發(fā)生了一起因“結(jié)構(gòu)損壞”導致的墜毀事故。雖然Facebook淡定的表示這是在測試飛機極限的“意料中”事件，后續(xù)卻鮮有正面消息傳出。

為什么太陽能無人機如此引發(fā)巨頭關(guān)注，不惜重金投入，卻又在研發(fā)過程中困難重重，最終難以實現(xiàn)商用的目的呢？

太陽能無人機是利用太陽光輻射能作為動力在高空連續(xù)飛行數(shù)周以上的無人駕駛飛行器,它利用光電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,通過電動機驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動力。白天,太陽能無人機依靠機體表面鋪設的太陽電池將吸收的太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能,維持動力系統(tǒng)、航空電子設備和有效載荷的運行,同時對機載二次電源充電;夜間,太陽能無人機釋放二次電源中儲存的電能,維持整個系統(tǒng)的正常運行。如果白天儲存的能量能滿足夜間飛行的需要,則太陽能無人機理論上可以實現(xiàn)“永久”飛行。

業(yè)內(nèi)人士表示，雖然“永久”飛行在實際應用中并不存在，但這種無燃油消耗、有望實現(xiàn)數(shù)月甚至更長航時飛行的特點，使太陽能無人機具有較高的運行效費比。而且其機載系統(tǒng)較其他種類無人機更為簡單，對跑道長度要求也不高。因為無燃油消耗，無需加油等保障設備。因為航時超長，可以一次性完成一些持久性的任務。

正是因為太陽能無人機具備巡航時間長,飛行高度高,覆蓋區(qū)域廣,可以執(zhí)行多種任務,常規(guī)飛行器不可替代等優(yōu)點，使其成為各國航空工業(yè)研究的熱點。

但是，要研發(fā)一架這樣的太陽能無人機，并非易事，需要面對諸多技術(shù)難點：

太陽能電池技術(shù)和儲能系統(tǒng)

太陽能電池的發(fā)展水平是決定太陽能無人機性能的根本。目前在太陽能電池的研究方面進步較快,各種材質(zhì)的高效電池不斷涌現(xiàn),但航空領(lǐng)域?qū)μ栯姵氐囊蟛⒉粌H僅是較高的轉(zhuǎn)化效率,它還要求電池具有良好的物理特性,如耐高/低溫變化、耐輻射、耐腐蝕、高可靠性等。

據(jù)記者了解，研究太陽能電池技術(shù)需要的成本是非常巨大的。資料顯示，美國AC公司在研制Solong無人機的4年中,，在把太陽電池與機體平臺相結(jié)合的工作上花費近一年時間,其總研制費用的一半用于太陽能電池相關(guān)部分。而探路者無人機研制經(jīng)費的3/4用于太陽電池相關(guān)部分。另據(jù)國外某航模網(wǎng)站介紹,在把A-300電池鋪設于無人機翼面上的過程中,電池的損失率高達50%。

儲能系統(tǒng)是太陽能無人機的重要組成部分，一般太陽能無人機概念設計階段都會提出儲能器應選擇高能量密度、高效率的燃料電池。石文亦表示，當前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，需要密切關(guān)注大量新興技術(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。

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150km/h~200km/h。

此外，一套功能強大的高效能量管理系統(tǒng)對于太陽能無人機來說也意義重大。通俗點說，能量管理系統(tǒng)的主要作用就是通過實時監(jiān)測太陽能無人機各個功能組件對能源的需求量，加以合理的能量資源調(diào)配，實現(xiàn)讓太陽能電池中吸收和儲備的能量達到最佳利用，避免不合理的浪費，最終達到無人機航程與航時的最大化。

氣動布局設計

太陽能無人機一般是在空氣稀薄的高空飛行，飛行動壓和雷諾數(shù)都比較小，此時飛機翼型的氣動特性直接影響著整個飛機的氣動特性，由于太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率低，就需要較大的機翼面積和較低的翼載。如赫赫有名的Facebook的Aquila那樣的巨大的翼展，是為了解決高升力帶來的高誘導阻力的問題。

談及氣動布局的難題，石文表示，目前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)化設計問題，以提高飛機的升阻比。因為沒有模板，太陽能無人機就需要有專門的設計師來設計翼型。

據(jù)悉，太陽能無人機的氣動布局形勢主要有常規(guī)布局和飛翼布局兩種，常規(guī)布局雖然設計方法成熟，技術(shù)風險低，但僅適用于初期設計；大翼展的飛翼布局有其優(yōu)勢，卻存在穩(wěn)定性和控制性問題，太陽能無人機的氣動布局設計，需要對設計多學科的先進設計方法進行綜合研究。

機翼結(jié)構(gòu)設計

如今國內(nèi)外的太陽能無人機普遍使用輕質(zhì)、高強度和剛度的復合材料結(jié)構(gòu)，設計翼型的同時要滿足大展弦比、低結(jié)構(gòu)重量、全輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和超高強度等多方面要求，是一項非常艱難的挑戰(zhàn)。這主要是因為隨著機翼結(jié)構(gòu)的增大，設計變量也在增多。而且翼展越大，面臨的穩(wěn)定性和控制性等問題越多，在飛行過程中，大展弦比的機翼由于存在較大的柔性變形，對氣動載荷的分布和全機性能造成很大影響，且這種柔性變形也會對翼面上鋪設的電池造成損傷。

雖然美國國家運輸安全委員會對Aquila的墜毀并未有更多具體的細節(jié)公布，但僅從“結(jié)構(gòu)損壞”一詞來看，估計和它138英尺的機翼脫不了干系。

由于太陽能無人機的機翼結(jié)構(gòu)普遍很大，機翼的結(jié)構(gòu)重量、復合材料的選擇，機翼結(jié)構(gòu)的布局優(yōu)化等都需要綜合考慮。可見，成功研發(fā)一架能夠?qū)崿F(xiàn)商用功能的太陽能無人機，不知道得薅完多少位工程師的頭發(fā)啊。