作者：张健 王江三 耿延升 郭润兆
来源：《航空科学技术》2020年第04期
摘要：高空长航时太阳能无人机的基本工作原理、使命任务和使用环境等与常规动力飞机不同，具有巡航高度高、续航时间长、外形尺寸大、飞机翼载小、飞行剖面简单和绿环保等特点，适于执行侦察监视、大气监测和通信中继等军民用任务。本文结合某大型太阳能无人机的工程研制，从太阳能电池转换效率、蓄电池性能、太阳能飞机多学科优化设计、低雷诺数气动力设计与试验、复合材料设计与制造、大展弦比机翼非线性气动弹性设计、高效动力系统集成、大尺寸柔性翼飞机飞行控制系统设计、临近空间环境适应性等多个方面剖析了高空长航时太阳能无人机研制面临的技术挑战。 关键词：临近空间飞行器；高空长航时太阳能无人机；太阳能电池；蓄电池；关键技术；技术挑战
硅酸盐水泥熟料 中图分类号：V272文献标识码： ADOI： 10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.003
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，一般将距地面20～100km的空域视为临近空间。太阳能无人机是以太阳辐射为能源的電动飞行器，为了充分利用太阳能，减小不利的大气流动影响，更好地执行侦察监视等任务，太阳能无人机通常在20km左右的临近空间飞行[1]。高空长航时太阳能无人机具有续航时间长、飞行高度高、使用灵活和无环境污染等特点，因此成为执行情报、侦察、监视、通信中继和大气科学研究等任务的理想空中平台[2]。开展高空长航时太阳能无人机研究，突破各项关键技术，不仅可以带动相关领域技术长足发展，而且有助于快速推出太阳能无人机产品，占领新能源飞机军民用市场。
1太阳能无人机研究发展现状
1974年11月4日，世界上第一架太阳能飞机Sunrise I在4096块太阳能电池的驱动下缓缓离开地面，持续飞行了20min，标志着太阳能飞行时代的来临。
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Helios系列太阳能无人机[3]由美国航空环境公司研制，其发展经历了Pathfinder、Pat
hfinder Plus、Centurion、Helios等多个阶段。Pathfinder从1983年开始试飞，在1997年创新了21802m的飞行高度纪录。Pathfinder Plus在飞行中携带30.8kg模拟任务载荷续航15h，最大飞行高度达到24475m。Centurion作为太阳能技术验证机，能够携带45kg的遥测传感器和设备飞到24400m高度执行地球环境研究任务。Helios于1999年首飞，2001年在太平洋上空达到25300m飞行高度，2003年在夏威夷上空试飞时因发生严重的俯仰振荡而解体。
Solar Impulse太阳能飞机[4]是目前世界上最成功的有人驾驶太阳能飞机，该项目由Bertrand Piccard和Andre Borschberg等牵头设计开发，2003年在多家公司和欧洲航天局的支持下Solar Impulse正式启动，Solar Impulse 1是早期的验证机，采用大展弦比正常式布局，翼下吊挂4台10hp电机并配套两叶螺旋桨，4个锂聚合物电池组安装在短舱内。Solar Impulse 2于2011年开始研制，翼展72m，起飞重量（质量）2300kg。2013年完成设计生产，2014年6月实现首飞。2015年3月9日从阿联酋首都阿布扎比起飞，2016年7月26日返回并降落在阿布扎比机场，完成人类首次太阳能飞机环球飞行。
Zephyr系列太阳能无人机[5]由英国Qenitiq公司研制，后来该公司被空中客车公司收
二硫化物购。2010年7月9日，Zephyr-7从美国亚利桑那州起飞，创造了太阳能动力飞行高度21561m并持续留空14天的无人机飞行纪录。2018年7月11日，Zephyr-S连续飞行25天23h57min，白天的飞行高度达22500m，夜晚飞行高度超过15200m，创造了飞行时间和飞行高度的新纪录。英国国防部成为首个防务客户并订购了三架Zephyr-S，两架于2016年2月订购，总价值为1060万英镑，8月份又增加了一架，使合同总价值达到了1300万英镑。它们将成为运营概念演示的一部分，由英国军方和其他政府部门评估Zephyr的能力和潜力。
vobu 在美国DARPA的领导下，波音和Qenitiq公司负责飞机方案设计的团队赢得了Vulture计划的第二阶段合同，开展翼展达122m的Solar Eagle无人机研制。根据合同要求，Solar Eagle的巡航高度指标为19810～27432m，可携带454kg任务载荷，并且能够为任务载荷提供5kW的电能，实现5年的持续留空。
Google收购了美国Titan Aerospace公司，使用Solara系列无人机实施其网络覆盖计划。Solara 50太阳能无人机的飞行重量为158.9kg，可携带约32kg的载荷，翼展为50m，机长15.5m，飞行高度目标是达到65000ft以上。2015年5月1日Solara 50在试飞时坠毁，整个飞行过程仅仅持续了4min。
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网带窑 Facebook提出使用太阳能无人机在全球范围内提供互联网高速连接的Aquila项目，用1000架左右的无人机实现全球间的高速互联网连接。Facebook为此收购了Ascenta无人机公司，进行18000～27000m高度可持续飞行三个月的太阳能无人机研制。Aquila翼展43m，装载4个电机，重量454kg，在工作的时候需要先由氦气球带到平流层，白天飞行高度27432m以吸收和储存太阳能，夜晚则降到18288m以节省功耗。Aquila首飞时间超过90min，但飞机在着陆时发生严重事故，导致机体出现结构性故障。后来Facebook发布声明停止设计制造太阳能无人机，声称以后只和合作伙伴开发类似技术。
极光飞行科学公司正在波音的支持下建造大型太阳能无人机Odysseus，其翼展达74m，设计续航时间三个月，该机目前正在进行地面测试。Odysseus采用了更为简洁的设计：有三个尾翼和6个螺旋桨；全动垂直和水平尾翼安装在三个机身上，分别提供俯仰和偏航控制；机翼上没有滚转控制面，外侧的两个尾翼会使机翼弯曲以控制滚转；采用锂-聚合物电池和薄膜砷化镓光伏电池。
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