近日，彩虹系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)完成飛行試驗(yàn)的消息一經(jīng)傳出，即引起關(guān)注。因?yàn)檫@意味著我國(guó)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)技術(shù)已位居世界前列。據(jù)空氣動(dòng)力技術(shù)研究院無(wú)人機(jī)總工程師石文介紹，這是美國(guó)NASA系列后世界上最大的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，性能指標(biāo)和技術(shù)能力居國(guó)際前三，且有望在將來(lái)承擔(dān)長(zhǎng)時(shí)間空中預(yù)警、大面積空中偵察以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、氣象觀測(cè)、通信中繼等任務(wù)。據(jù)悉，彩虹系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)將于今年測(cè)試臨近空間高度飛行，距離行業(yè)應(yīng)用又近了一步。


一直以來(lái)，國(guó)外只有Google和Facebook兩家公司在做民用太陽(yáng)能Wi-Fi無(wú)人機(jī)。但是前不久，因?yàn)樯逃梅矫娴碾[憂，Google傳出了砍掉Titan太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的消息。經(jīng)美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)調(diào)查，F(xiàn)acebook的Aquila太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)首飛過(guò)程中發(fā)生了一起因“結(jié)構(gòu)損壞”導(dǎo)致的墜毀事故。雖然Facebook淡定的表示這是在測(cè)試飛機(jī)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(yáng)能無(wú)人機(jī)如此引發(fā)巨頭關(guān)注，不惜重金投入，卻又在研發(fā)過(guò)程中困難重重，最終難以實(shí)現(xiàn)商用的目的呢？

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是利用太陽(yáng)光輻射能作為動(dòng)力在高空連續(xù)飛行數(shù)周以上的無(wú)人駕駛飛行器,它利用光電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動(dòng)力。白天,太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)依靠機(jī)體表面鋪設(shè)的太陽(yáng)電池將吸收的太陽(yáng)光輻射能轉(zhuǎn)換為電能,維持動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和有效載荷的運(yùn)行,同時(shí)對(duì)機(jī)載二次電源充電;夜間,太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)釋放二次電源中儲(chǔ)存的電能,維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果白天儲(chǔ)存的能量能滿足夜間飛行的需要,則太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)理論上可以實(shí)現(xiàn)“永久”飛行。

業(yè)內(nèi)人士表示，雖然“永久”飛行在實(shí)際應(yīng)用中并不存在，但這種無(wú)燃油消耗、有望實(shí)現(xiàn)數(shù)月甚至更長(zhǎng)航時(shí)飛行的特點(diǎn)，使太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有較高的運(yùn)行效費(fèi)比。而且其機(jī)載系統(tǒng)較其他種類(lèi)無(wú)人機(jī)更為簡(jiǎn)單，對(duì)跑道長(zhǎng)度要求也不高。因?yàn)闊o(wú)燃油消耗，無(wú)需加油等保障設(shè)備。因?yàn)楹綍r(shí)超長(zhǎng)，可以一次性完成一些持久性的任務(wù)。

正是因?yàn)樘?yáng)能無(wú)人機(jī)具備巡航時(shí)間長(zhǎng),飛行高度高,覆蓋區(qū)域廣,可以執(zhí)行多種任務(wù),常規(guī)飛行器不可替代等優(yōu)點(diǎn)，使其成為各國(guó)航空工業(yè)研究的熱點(diǎn)。

但是，要研發(fā)一架這樣的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，并非易事，需要面對(duì)諸多技術(shù)難點(diǎn)：

太陽(yáng)能電池技術(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)

太陽(yáng)能電池的發(fā)展水平是決定太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能的根本。目前在太陽(yáng)能電池的研究方面進(jìn)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?yáng)電池的要求并不僅僅是較高的轉(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(yáng)能電池技術(shù)需要的成本是非常巨大的。資料顯示，美國(guó)AC公司在研制Solong無(wú)人機(jī)的4年中,，在把太陽(yáng)電池與機(jī)體平臺(tái)相結(jié)合的工作上花費(fèi)近一年時(shí)間,其總研制費(fèi)用的一半用于太陽(yáng)能電池相關(guān)部分。而探路者無(wú)人機(jī)研制經(jīng)費(fèi)的3/4用于太陽(yáng)電池相關(guān)部分。另?yè)?jù)國(guó)外某航模網(wǎng)站介紹,在把A-300電池鋪設(shè)于無(wú)人機(jī)翼面上的過(guò)程中,電池的損失率高達(dá)50%。

儲(chǔ)能系統(tǒng)是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的重要組成部分，一般太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)階段都會(huì)提出儲(chǔ)能器應(yīng)選擇高能量密度、高效率的燃料電池。石文亦表示，當(dāng)前高效高能量密度太陽(yáng)能及儲(chǔ)能能源系統(tǒng)是決定太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)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(yáng)電池及輕質(zhì)組陣技術(shù)、先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、高比能量?jī)?chǔ)能電池技術(shù)等。

由于太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率和儲(chǔ)能電池能重比不足，推進(jìn)能力有限，目前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)高空飛行速度一般在150km/h~200km/h。

此外，一套功能強(qiáng)大的高效能量管理系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)也意義重大。通俗點(diǎn)說(shuō)，能量管理系統(tǒng)的主要作用就是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)各個(gè)功能組件對(duì)能源的需求量，加以合理的能量資源調(diào)配，實(shí)現(xiàn)讓太陽(yáng)能電池中吸收和儲(chǔ)備的能量達(dá)到最佳利用，避免不合理的浪費(fèi)，最終達(dá)到無(wú)人機(jī)航程與航時(shí)的最大化。

氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)一般是在空氣稀薄的高空飛行，飛行動(dòng)壓和雷諾數(shù)都比較小，此時(shí)飛機(jī)翼型的氣動(dòng)特性直接影響著整個(gè)飛機(jī)的氣動(dòng)特性，由于太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)化效率低，就需要較大的機(jī)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(lái)的高誘導(dǎo)阻力的問(wèn)題。

談及氣動(dòng)布局的難題，石文表示，目前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局和翼型，無(wú)法套用成熟的常規(guī)飛機(jī)模板，關(guān)鍵在于解決氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，以提高飛機(jī)的升阻比。因?yàn)闆](méi)有模板，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)就需要有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)師來(lái)設(shè)計(jì)翼型。

據(jù)悉，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局形勢(shì)主要有常規(guī)布局和飛翼布局兩種，常規(guī)布局雖然設(shè)計(jì)方法成熟，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，但僅適用于初期設(shè)計(jì)；大翼展的飛翼布局有其優(yōu)勢(shì)，卻存在穩(wěn)定性和控制性問(wèn)題，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，需要對(duì)設(shè)計(jì)多學(xué)科的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合研究。

機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如今國(guó)內(nèi)外的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)普遍使用輕質(zhì)、高強(qiáng)度和剛度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)翼型的同時(shí)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(qiáng)度等多方面要求，是一項(xiàng)非常艱難的挑戰(zhàn)。這主要是因?yàn)殡S著機(jī)翼結(jié)構(gòu)的增大，設(shè)計(jì)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(wèn)題越多，在飛行過(guò)程中，大展弦比的機(jī)翼由于存在較大的柔性變形，對(duì)氣動(dòng)載荷的分布和全機(jī)性能造成很大影響，且這種柔性變形也會(huì)對(duì)翼面上鋪設(shè)的電池造成損傷。

雖然美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)對(duì)Aquila的墜毀并未有更多具體的細(xì)節(jié)公布，但僅從“結(jié)構(gòu)損壞”一詞來(lái)看，估計(jì)和它138英尺的機(jī)翼脫不了干系。

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