国外临近空间太阳能无人机近况

 

 

 

 

 

一 临近空间太阳能无人机简介

 

 

临近空间是指高于普通航空器飞行高度，而低于轨道飞行器运行空间的区域，一般指距地面20-100km的空域。在临近空间，太阳辐射接近外太空，受气象条件影响小，在此空域飞行，太阳能飞行器能最大限度利用太阳能，具备超长航时的特点，实现长达数月至数年的持续飞行。太阳能无人机是利用太阳光辐射能作为动力在高空连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器，它利用光电池将太阳能转化为电能，通过电动机驱动螺旋桨旋转产生飞行动力。白天，太阳能无人机依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电；夜间，太阳能无人机释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。如果不考虑部件寿命，这种飞行器理论上可以实现“永久飞行”，具备“准卫星”特征，也被称为“大气层卫星”，可代替低轨道卫星的部分功能。

 

虽然“永久”飞行在实际应用中并不存在，但这种无燃油消耗、有望实现数月甚至更长航时飞行的特点，使太阳能无人机具有较高的运行效费比。而且其机载系统较其他种类无人机更为简单，对跑道长度要求也不高。因为无燃油消耗，无需加油等保障设备。因为航时超长，可以一次性完成一些持久性的任务。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，且起降场地简单，发射及运行成本更低。

由于部署灵活、经济性好等优势，长航时临近空间太阳能无人机成为执行情报、侦察、监视和通信中继等任务的理想空中平台。可广泛应用于军民融合领域，包括重大自然灾害预警、常态化海域监管、应急抢险救灾、反恐维稳等公益事业领域，以及偏远地区互联网无线接入、移动通信、数字电视信号广播等商业及产业类领域。临近空间超长航时飞行器有空气动力升力型和浮力型两大类。

 

 

二 太阳能无人机技术难点

 

 

在高空长航时太阳能无人机的设计上，有重量不变和能量平衡两个基本原则。由于飞行过程重量不变，而巡航平飞过程中受飞行速度决定的升力、阻力分别等于重力、拉力，因此在特定巡航高度下，巡航速度是唯一的，随着飞机巡航高度的增加，巡航速度需要同时增大，才能保证太阳能飞机始终在较高的气动效率下飞行。而要实现长时间持续飞行，白天获得的太阳能要始终大于或等于飞机和所有设备一昼夜间消耗的能量。从太阳光的输入到推动飞机飞行，考虑到各个环节的能量损失，实际能量利用率仅能达到10%左右。

 

考虑能量平衡，就要注意到，一方面，飞机白天爬升的高度越高，飞机存储的势能越多，下滑时间也就越长，晚上飞行对蓄电池存储的能量需求就会降低。但另一方面，爬升高度越高，爬升时间就越长，爬升过程中消耗的能量会增加，对太阳能电池的要求也相应增加。这就需要根据无人机所执行的任务精心设计优化，并考虑蓄电池的充放电特性。

因此在设计上，太阳能无人机要提高设计点的性能，同时要使整个系统的效率达到较高。根据太阳能飞机的基本飞行原理，为了降低对功率的需求，应减小平飞速度，减小翼载。目前太阳能无人机高空飞行速度一般在150千米／小时至200千米／小时。假设一天内平均太阳辐射功率为260w每平米，以目前硅太阳能电池的转换效率为20%左右计算，飞机实现昼夜持续飞行的翼载不能超过6kg每平米。目前翼展60米量级的太阳能无人机提供的有效载荷能力大致在50千克量级。

 

 

 

三 国外临近空间太阳能无人机

 

 

国外开展太阳能无人机研究的主要为美国和欧盟国家，在美国，极光飞行科学公司和通用原子公司分别研制了“帕修斯”和“阿尔塔斯”等无人机，用于飓风跟踪探测，使飓风的预报精度提升约20%。波音公司研制了“秃鹰”无人机用于广域侦察监视领域，并尝试向预警探测领域拓展；正在研制的“鬼眼”无人机，瞄准了战区通信中继应用需求。在美国国家航空航天局的支持下，航空环境公司研制了“太阳神”系列太阳能无人机，以满足高空大气环境研究和高空通信平台等应用需求。面向广域互联网接入应用需求，谷歌公司正在研制“索拉拉”太阳能无人机，Facebook公司正在研制“天鹰”太阳能无人机。此外，英国以验证太阳能动力飞行的相关关键技术为目标，研制了“西风”系列太阳能无人机，其最新型号西风-8无人机已被英国国防部采购。