太阳能无人机的能源挑战与滑翔机配置，无人机研究进展的比较分析

引言

近年来，无人机技术得到了快速的进展，并逐步应用于各种领域，其中，太阳能无人机以其独特的能源供给方式备受关注。

与传统的燃油或电池供能不同，太阳能无人机利用太阳能电池板，直接转化阳光为电能，为其提供连续的动力，然而，在实际应用中，太阳能无人机面临着一些能源挑战，而传统的滑翔机配置则被广泛采纳。

太阳能无人机的能源挑战

目前社会上需要从化石燃料能源，转向绿色能源，其中一种绿色能源就是太阳能，它在航空领域的应用，目前来说是一个值得研究的有趣课题，然而，在使用太阳能的无人机中，存在一些问题，而最大的问题就是在于使用太阳能电池的无人机，其所能猎取到的能量非常有限。

众所周知，地面上的最大太阳辐射约为1000瓦/平方米，而在较高的海拔上，这个数值会增加几个百分点，性能最佳的太阳能电池的能量转换效率，约为25%至30%，这是使用硅单晶太阳能电池获得的。

乐观地说，可能获得到的能量约为250至300瓦/平方米，像塞斯纳172这样的轻型飞机，具有16.17平方米的机翼面积，以及134千瓦的发动机功率，结合之前的数据，并假设整个机翼都覆盖了太阳能电池，最多可以获得4.84千瓦的电力。

使用机身和尾翼上的太阳能电池，额外提供25%的能量后，总共为6.06千瓦，这仅相当于塞斯纳172发动机功率的4.5%，此外，这个能量只能在最大太阳辐射下获得，太阳辐射在一天之中变化很大，从夜晚的黑暗到正午的最大值，总之，太阳能所提供的能量对于商业航空应用来说是不够的。

曾进行过针对监视等特别应用的实验性无人机，甚至伪卫星的研究，已经制造出仅基于太阳能推进的无人机，甚至载人飞机，所有这些应用都有一个共同的整体配置，它们都追求最大的空气动力效率，因此采纳高展弦比机翼。

在这个方向上进行了许多研究，针对这些配置进行了实验研究和数值多物理模拟中，描述了使用太阳能飞机，绕世界飞行的经验，正如预期的那样，基于空气动力学原理，所有的这些研究，都得出了飞机的高展弦比机翼。

这种配置确保了最大的空气动力效率，这种类型的无人机包括苏黎世大学开发的大西洋太阳能，较小的天空太阳能，也是由苏黎世大学开发，以及香港大学开发的太阳项目。

这些都是翼展在2到6米之间的相对较小的无人机，提出了一种利用太阳能电池供电的平流层飞艇，然而，在此期间还开展了大规模项目，包括空客的泽菲尔伪卫星和德国航空航天中心（DLR）的埃尔哈斯帕

这些项目是翼展达数十米的飞机，尽管它们翼展很大，但它们的有效载荷很小，例如，泽菲尔8项目重60千克，翼展25米，有效载荷5千克。

具有数十米翼展的大型飞机，还包括赫利俄斯和太阳动力飞行器项目的翼展为75米，重726公斤，太阳动力飞行器项目的翼展为72米，重2.3吨，搭载一名乘员，所有这些无人机和飞机，都是为了研究目的，并以打破其时代的高度，或飞行时间纪录为目标，飞行时间从几小时，增加到连续飞行数天，未来的研究将建筑飞行时间长达五年的伪卫星。

这些飞机的定义特点是，它们具有大翼展、轻质和高弹性结构，赫利俄斯飞机的巨大形变，这些高应力导致了2003年飞机在飞行中解体。

为了使这些飞机的重量尽可能轻，采纳了基于碳纤维和凯夫拉的现代复合材料，它们相对于传统的航空合金，具有很高的抗力能力，并且充分发挥了这一特点，试图尽量减轻结构重量，可能会导致过度的弹性。

因此，在某些紧闭状态下，飞机的完整性会受到威胁，只有太阳动力飞行器项目，具有较高的刚性，它被设计成搭载一名人员环游世界，因此特别注重飞行安全，其结构重量为2.3吨，翼展为72米，比具有75米翼展的赫利俄斯重三倍。

除了结构强度降低到最低和过度的弹性之外，这些配置还具有一些重要的缺点，大气气流显著影响飞机的飞行，导致机动性下降，这是为了打破世界纪录，而进行设计所付出的代价。

有关太阳能飞机的研究，在这些项目中所积存的经验表明，仅依靠太阳能进行飞行非常困难，逐步地，这些研究转向使用混合推进系统，主要基于太阳能电池、电池，以及燃料电池，在这种情况下，很有必要在机载动力源之间，进行优良的电力治理。

这种研究可以在一些文献中找到，除了研究电力治理系统，一些文献还通过数值模拟，研究了用于无人机的太阳能电池阵列，有的文献描述了，对用于无人机的电动机进行优化，研究人员将继续寻求用于无人机的高性能电动机。

还有其他研究，提出了由太阳能驱动的飞艇，采纳电动机的方案，通过飞行轨迹优化，可以实现飞机的更好能源治理，在这个领域中，出现了一些重要的研究，关于无人机的实验研究，可以在相关文献中找到。

一篇有趣的综述文章，涉及到与无人机领域相关的许多方面，可以在相关文献中找到，在这些文献中，讨论了使用不同无人机配置、性能、通信可能性，以及电池充电系统、安全问题等的可能性。

基于这些结果，关于太阳能飞机的研究非常先进，越来越多的新进展不断出现，研究人员逐步放弃了，通过使用太阳能，打破世界纪录的飞机设计方面的研究，同时，研究人员的注意力越来越多地集中在混合推进系统上，以尽可能多地利用太阳能电池和其他能源源来节省能量。

这似乎是在航空中，使用太阳能的最现实的方向，对太阳能飞机或混合推进飞机的各个方面，进行优化，是该领域最新研究的重点对象。

后来，研究人员提出了一种太阳能飞机的新配置，然后，使用可用和必要的功率方法，研究水平飞行和爬升性能，此外，研究人员使用矩阵实验室/仿真环境，仿真定义了一个电气系统的配置，并提供了其功能的估量，在这项工作中，研究人员将新配置所获得的性能，与具有高展弦比机翼太阳能飞机的性能，进行了比较。

无人机研究的比较分析

在前面所提到的所有研究中，都是以追求最大空气动力学效率为目标，忽略了结构的坚固性和机动性，因此，设计出了翼展很长，但有效载荷很低的太阳能飞机，比如，太阳动力飞行器的翼展为72米，只能搭载一名乘客，而波音747的翼展为70米，可以搭载超过350人。

这项研究提出了一种减小太阳能无人机尺寸的解决方案，并不是暗示这种配置，可以达到介绍中所提到的无人机性能水平，但是研究人员正在探究，这种配置所提供的能力。

这款滑翔机是一款翼展为3米、长度为1.2米、机身弦长为0.26米，以及质量为2.2千克的无人机，并在机翼的上表面，装载了40块太阳能电池板，这是该配置能容纳的最大太阳能电池数量，机翼的翼型是FX63-120，水平尾翼的翼型是NACA0008。

研究人员希望获得一架与这款滑翔机配置，具有相同翼展的无人机，并尽可能增加太阳能电池的产生太阳能量，这意味着需要增加无人机的上平面面积，他们增加了机翼弦长和尾翼弦长，并采纳了一个带有平整上表面的升力机身配置。

为了提高无人机的总升力，采纳了带有“T”形截面的升力机身配置。

一些研究人员采纳了鸭式配置，众所周知，这种配置比传统的尾翼，具有更好的空气动力学性能，在鸭式配置中，机翼和水平尾翼都具有正升力，在这种情况下，无人机的总升力是机翼升力、水平尾翼升力，和机身升力的总和，而在传统的配置中，水平尾翼通常具有负升力。

无人机的总升力，是机翼升力和水平尾翼升力之间的差值，这就是为什么配置相对于机翼来说，水平尾翼非常小，并且位于离机翼很远的位置，水平尾翼提供一小部分负升力，在总升力方面与机翼升力相比略微减少，水平尾翼与重心的距离很远，产生足够的俯仰力矩，使飞机达到纵向平稳。

考虑到所有这些因素，研究人员设计了一个模拟在XFLR 5中的配置，并在下图中展现，为了提高无人机的总升力，采取了一些解决方案，然而，与其他的飞机纵横比超过20相比，这种配置的机翼纵横比仍旧较小，并不是说采纳这些解决方案，会补偿空气动力学效率的损失，而是为了尽可能地提高性能。

为了幸免遮挡上表面的太阳能电池垂直尾翼，被从机翼翼尖移除，并改为向下定向，这样做在起飞和着陆阶段会使飞机更加脆弱，因此，它需要更高的起落架，但机身结构也需要更高的起落架，所以这种不便是可以接受的。

无人机的机翼和水平尾翼，采纳的翼型都是NACA64-215，关于新太阳能飞机的几何数据，如下方表格所示。

可以观察到，新太阳能飞机的升力较低，阻力较高，这意味着它的空气动力学效率显然较低，因此，研究人员试图确定这种较低空气动力学效率的影响，考虑到新太阳能飞机具有更大的表面积和四倍的电能量。

在一些报告中，提供了对新太阳能飞机质量的估量，他们假设机翼、水平尾翼，以及机身的外皮，由两层80克/平方米密度的碳纤维布构成，顶部投影的总表面积约为3.84平方米，假设这个表面积加倍，得到 7.68平方米的碳纤维覆盖面积，考虑到有两层，碳纤维总质量为1.228千克。

碳纤维和环氧树脂的质量比为1:1，外部结构总质量为2.457千克。此外，考虑到加强内部结构，包括桁条和肋骨，质量为700克，其他元件，主起落架重量为2×300克，前轮支架重量为150克，电池重量为400克，太阳能电池板重量为884克，电动机2×150克，接收器、舵机和其他组件重量为250克，整体总质量为5.741千克。

考虑到飞机的尺寸，这似乎是一个现实的估量，电池只考虑了400克，因为它主要用于起飞和封闭机动，其余时间飞机主要依靠太阳能驱动。

对于太阳能电池，使用的是与美旭阳 C60相同的太阳能电池，其输出功率为3.42瓦，效率为22.5%，这是目前最高的效率之一，一个太阳能电池的质量为6.5克，尺寸为125×125毫米，136个太阳能电池的总输出功率为465瓦。

对于Creative飞机来说，40个太阳能电池，只提供136瓦的输出功率，美旭阳 C60太阳能电池，属于单晶硅太阳能电池，具有灵活性的优势，即使在弯曲过程中，出现小裂纹，太阳能电池仍旧保持功能，直到完全破裂为止。

结语

太阳能无人机和滑翔机，在能源供给方面存在差异，太阳能无人机具有连续供能和环境友好的优势，但仍面临能源收集和储备的挑战，以及负载能力受限的问题，与此相比，滑翔机虽然在能源方面，更为稳定且能携带更多负载，但无法实现长时间连续飞行。

随着技术的不断进步，相信太阳能无人机的能源挑战，将逐步得到解决，并在更广泛的领域发挥其作用，为人类带来更多的便利和创新。

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