从“伪卫星”到“准卫星”，国产太阳能无人机缘何成为蓝天宠儿
01
起飞之始
十年前大热的科幻电影《星际穿越（Interstellar）》在剧情最开始，设计了一个来自印度航天局的无人机突然降落的情节，它既是电影中点破重力改变的关键道具之一，也暗喻着男主角库珀（Cooper）的命运。但也有人关注到了另一个重点：这架无人机在落地之前，凭借体内的太阳能板已经飞了十年。
一架无人机竟然能靠太阳能飞行十年之久，直到现在也难成真。太阳能无人机的历史能追溯到上世纪70年代，一些大学的研究机构以及航空爱好者彼时正在共同探索太阳能电池在航空器上的应用。
最早的太阳能无人机很难投入实用
1974年，世界第一架太阳能无人驾驶航空器“SunriseⅠ”诞生，这架由DARPA（美国国防部高级研究计划局 ）资助、美国AstroFlight公司R.J. Boucher所设计的轻小型太阳能无人机，机翼上铺设了整整4096块太阳能电池，无人机总质量达到12.25kg，翼展9.75m，实际飞行高度只有5.2公里；此后，经过改造，太阳能无人机“Sunrise II”已经能在相同翼展长度下，减轻2.04kg的质量，电池还能增加384片。尽管还有些笨重，但从SunriseⅠ在加州接近3小时的低空试飞成功开始，太阳能无人机的关注度已显著提升。
当然中间也有波折，在Sunrise I诞生后的一段时间内，研究人员一直没能找到能让无人机飞得更高、更久的方法，且太阳能航空器的研究热点集中到了市场更广阔的高空太阳能飞机上。直到上世纪90年代，随着太阳能电池效率的提升和航空材料学科的进步，考虑到其能成为空中力量的重要补充，我国以及美、英、德等国才陆续开展或加大了关于高空太阳能无人机的研制工作。
从各国的公开成果来看，太阳能无人机领域的这么多年的研发集中于提升无人机的飞行高度、飞行时间以及载荷能力，也就是我们现在所说的“高空长航时太阳能无人机”。
无人机的飞行高度其实不需要、也达不到低地球轨道（LEO）的高度，最多也就在距地面垂直距离20公里到30公里的范围内，也就是对流层的顶部和平流层的底部区域。
中国彩虹系列无人机总工程师石文解释，这一空域包含于临近空间（20～100公里）内，这个空域的自然环境相当特殊：它空气稀薄、气温极低，但气象状况不如航空空间复杂，雷暴闪电较少，也没有云、雨和大气湍流现象，太阳能充足；虽然臭氧和紫外线的腐蚀性对平台材料提出了很高的要求，但又不像航天环境的要求那么苛刻。
“低轨卫星一般运行在离地面300公里远的太空，而大气层内的飞机一般飞行在20公里以下的空域。临近空间对飞机而言太高，对卫星来说又太低。”换句话说，这是一个人类大部分现有飞行器只能“穿越”但无法自由飞行的区间。
能够在这一空间执行高精度地面灾害监测、通讯中继等任务，且同时避免民航航线和恶劣天气的影响的飞行器，除了热气球和飞艇，就是太阳能无人机了。
与卫星的周期性访问相比，太阳能无人机可实现区域持久驻留，其执行监视任务的时间/空间分辨率更高，区域通信能力更强，且信号传输损失小、精度高，还不用火箭运送，生产和运营成本更低。
民用角度来看，它甚至可以替代“星链”：一架太阳能无人机的覆盖范围相当于200个地面基站，其有效载荷也可以达到飞机本身起飞重量的20%，而通信卫星则不到0.5%。
与浮空的气球、汽艇相比，其操控性好、机动性强。因此，作为卫星轨道之下的补充性存在，太阳能无人机长期被称为“伪卫星”或是“大气层卫星”。
我们所说的太阳能无人机可不是常见的消费级无人机大小，而是通常双翼超过20m的大型飞行器。
比如我国2017年首飞的“彩虹”T4太阳能无人机，翼展就能达到45米量级；2022年9月亮相的“启明星-50”翼展更是能达到50米；波音公司正在研制、尚未进行首次飞行试验的“Odysseus”，翼展甚至会达到74米，它的全机身将采用薄壁轻质高强碳纤维结构、薄膜砷化镓太阳电池和最大功率点跟踪技术，以保证其能在中纬度地区上空飞行1年时间、最大载荷质量超50kg。
之所以都在“卷”翼展，是因为它与“长航时”“高载荷”几乎成正相关概念。中国航天空气动力技术研究院发表的一篇论文中提到，相比于常规无人机，高空长航时太阳能无人机的设计需要耦合更多因素，但设计原理仍基于两个核心要素：即太阳能转换效率与轻质结构设计。
太阳能电池板要置于无人机的翼身上将光能转化为电能，一部分用于日间巡航，另一部分储存在储能电池中，用于夜间巡航。现有的太阳能电池转换效率最高能达到28%，翼展越长就能安装越多光伏板，得到的电能在白天维持较低速度（10~70m/s）飞行还可以，但是储能电池才是夜间飞行的能量源。
太阳能无人机能量短缺主要是源于储能电池能量密度和功率密度相对较低，为了保证夜间长时间高空飞行，储能电池质量只能更重，已经占到了整个无人机能源系统的30%～50%；而大质量的载荷又会造成无人机尺寸规模，直观上看也就是翼展长度的增加，在升重平衡的约束下，尺寸规模增加又造成能源需求增加……这就形成了一个“恶性循环”。
现在主流选择是能量密度较高、拥有长时间放电特性的锂离子电池和锂硫电池，这些电池能在短时间内快速储存大量的能量，并在夜间或无太阳能供应时提供稳定的电力输出，以年月为续航单位的无人机几乎都会选择这类储能电池。
但问题是，锂离子电池在现有材料体系下“比能量”，也就是能量密度的提升空间已很有限，难以实现长期高空跨昼夜飞行；锂硫电池仅仅几十次的循环性能又难以满足月量级飞行实际要求，因此其他可再生燃料电池的研究也没停下过。
另一方面，轻质结构设计也是为了确保无人机有更长的航时和更高的升空能力。无人机尤其是两翼所选的材料的强度与刚度，关系到无人机在复杂气候条件下的稳定性和耐久性，常见的材料一般是碳纤维复合材料、铝合金和钛合金。设计的时候还要考虑到气动布局效率的因素，机翼就更关键了。
经过十几年的发展，现在太阳能无人机，已经逐渐发展成了柔性机翼无人机和硬式机翼无人机两种技术路线。柔性机翼技术就是继续把翼展“做长做强”，通过增大无人机尺度来保证能源采集能力，一般会设计为大展弦比机翼，也就是机翼比较长且窄，再使用薄膜结构以减轻结构重量，提升载荷能力；相应的，柔性超大展弦比机翼会带来复杂的气动弹性问题，低翼载荷特性与较大的风场扰动又增加了控制难度，难以两全其美。
硬式机翼技术关注的则是机构的稳定。机翼越大，长时间航行被损坏的可能性也就越高，因此这个技术路线就是想通过采用高效能源管理、轻质高强碳纤维结构、高升阻比气动设计等手段，把机翼控制在中小尺度，凭借高强碳纤维结构有效适应对流层环境；这一技术路线的缺点也很明显，机翼的重量会变重，同时又减少了光伏电池板的布局面积，影响太阳能转换效率，直接降低了太阳能无人机的续航能力和飞行效率。
总的来说，要实现三个月以上的连续飞行时间、保持在临近空间高度，还要携带不同载荷满足各类应用，太阳能无人机还要继续在总体设计、气动设计、飞行控制、高效能源、航路计划等软硬件技术关键点上下功夫。
>End
>>>
本文转载自“壹零社”，原标题《从“伪卫星”到“准卫星”，国产太阳能无人机缘何成为蓝天宠儿》。
为分享前沿资讯及有价值的观点，太空与网络微信公众号转载此文，并经过编辑。
>>>
充满激情的新时代，
充满挑战的新疆域，
与踔厉奋发的引领者，
卓尔不群的企业家，
一起开拓，
一起体验，
一起感悟，
共同打造更真品质，
共同实现更高价值，
共同见证商业航天更大的跨越！
——《太空与网络》，观察，记录，传播，引领。
>>>
·《卫星与网络》编辑委员会
高级顾问：王国玉、刘程、童旭东、相振华、王志义、杨烈
· 《卫星与网络》创始人：刘雨菲
·《卫星与网络》副社长：王俊峰
杂志订阅，请加微信：
wangxiaoyu9960最新评论
推荐文章
作者最新文章
你可能感兴趣的文章
Copyright Disclaimer: The copyright of contents (including texts, images, videos and audios) posted above belong to the User who shared or the third-party website which the User shared from. If you found your copyright have been infringed, please send a DMCA takedown notice to [email protected]. For more detail of the source, please click on the button "Read Original Post" below. For other communications, please send to [email protected].
版权声明：以上内容为用户推荐收藏至CareerEngine平台，其内容（含文字、图片、视频、音频等）及知识版权均属用户或用户转发自的第三方网站，如涉嫌侵权，请通知[email protected]进行信息删除。如需查看信息来源，请点击“查看原文”。如需洽谈其它事宜，请联系[email protected]。
版权声明：以上内容为用户推荐收藏至CareerEngine平台，其内容（含文字、图片、视频、音频等）及知识版权均属用户或用户转发自的第三方网站，如涉嫌侵权，请通知[email protected]进行信息删除。如需查看信息来源，请点击“查看原文”。如需洽谈其它事宜，请联系[email protected]。