一架翼展40多米、表面布滿太陽能電池板的螺旋槳飛機，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(biāo)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(dān)起長時間空中預(yù)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)。
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。
他介紹，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。
相比而言，完成環(huán)球飛行的瑞士“陽光動力2號”太陽能飛機由于需要搭載人員和相關(guān)設(shè)備，總載重約為100公斤，設(shè)計巡航高度范圍在1.5千米至8.5千米，飛行受氣象條件影響較大。
飛得久，目標(biāo)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。
2009年，美國國防部預(yù)研局啟動“禿鷹”計劃，旨在研制一種可保持在18.3千米至27.4千米高度、攜帶450千克有效載荷、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，為美軍提供持久的情報、監(jiān)視、偵察和通信中繼能力。太陽能無人機成為其計劃首選。
“陽光動力2號”在2015年至2016年環(huán)球飛行期間，最多曾達到118小時不間斷飛行。
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。
