高空长航时太阳能无人机特点与关键技术简析

高空长航时太阳能无人机特点与关键技术简析

远望智库特约研究员 兰顺正

高空长航时太阳能无人机是典型的低速临近空间飞行器，采用大尺度大展弦比轻质机翼，依靠太阳能和储能电池实现能量闭环，采用电机和螺旋桨构成动力推进系统。

由于完全依赖太阳能飞行和执行任务，高空长航时太阳能无人机的工作原理完全不同于常规动力无人机，而且由于其临近空间的使用环境也不同于普通的航空器，因此在技术和使用上呈现出多种独有的特点。

(1) 飞行高度高

高空长航时太阳能无人机主要在临近空间飞行，原因首先是高空太阳辐射受地球大气影响小，其次是平流层利于飞机稳定飞行，最后高空有利于侦察监视等任务设备发挥作用。

(2) 续航时间长

理论上讲，如果太阳能无人机白天存储的能量超过夜晚全机能量使用需求，那么就可以持续不断地长时间飞行，其工作时间的长短仅受限于结构、设备和电池等的寿命和可靠性。也就是说太阳能无人机一旦实现了跨昼夜飞行，随着机载设备可靠性水平的提高，太阳能无人机的工作时间会越来越长。

(3) 机体尺寸大

高空长航时太阳能无人机一般用于执行侦察监视等任务，为了满足飞机飞行和任务系统越来越高的功率需求，需要在飞机表面铺设大面积的太阳能电池，导致飞机的尺寸越来越大。

(4) 翼载小

统计数据表明，滑翔机的起飞翼载通常在30kg/ m²左右，通用航空飞机的起飞翼载在100kg/ m²左右，双发涡桨飞机的起飞翼载在 200kg/m²左右，喷气式战斗机的起飞翼载在350kg/ m²以上，轰炸机的起飞翼载在500kg/ m²以上。相比之下，太阳能无人机的翼载非常小，一般都在10kg/ m²以下，这是因为只有翼载非常小，才能确保获得的太阳能足以支持飞机飞行和任务载荷使用。

(5) 飞行剖面简单

高空长航时太阳能无人机白天爬升到较高的高度平飞巡航，以便充分地利用太阳光，同时增加飞机的势能。到了午后太阳辐射强度不能维持高空平飞时，巡航高度逐渐下降，下滑过程中动力系统基本不消耗或消耗很少的能量。到了晚上没有太阳光时，飞机在较低高度巡航平飞，以便节省能量。理想情况下，高空长航时太阳能无人机白天和晚上都可在同一高度巡航，因此与常规飞机可适应多个巡航高度的飞行剖面相比，其飞行剖面相对简单。

(6) 使用灵活方便

高空长航时太阳能无人机的使用不受区域、地形、气候和时间等因素的限制，随时可以起飞，到指定区域上空长时间执行任务，特别适用于在交通不发达地区构建通信网络，或在海洋上空执行长期监视和侦察任务。

(7) 绿色环保

太阳能是可持续使用的清洁能源，而且太阳能无人机在飞行中不消耗燃料，没有可造成大气污染的排放物，因而其环保特性优异，符合绿色航空发展方向。

高空长航时太阳能无人机要实现工程应用需要多项关键技术的支撑。

首先，太阳能光伏电池的性能，尤其是转换效率，是决定太阳能无人机性能的决定性因素之一。而且高空长航时太阳能无人机对太阳能光伏电池的要求不仅是高的转化效率，还要求电池具有良好的物理特性，如耐高低温、耐辐射、耐腐蚀和可靠性高等。同时为了保证铺贴后不影响机翼的气动效率，太阳能电池不仅要保证与飞机蒙皮共形，而且要保证在机翼受力变形后与蒙皮紧密贴合，所以太阳能电池的柔韧性也至关重要。

其次，循环能源系统是保证高空长航时太阳能飞机实现长期驻空的关键，储能电池是夜间飞行的能量源，太阳能飞机能量短缺主要源于储能电池能量密度和功率密度 相对较低储能电池质量可达整个太阳能飞机系统的30%~50%，在升重平衡约束下，大质量的储能电池造成太阳能飞机尺寸规模增加，尺寸规模增加又造成能源需求增加，形成“恶性循环”，造成太阳能飞机设计域极其狭窄。为解决这一问题，重点攻关方向包括：锂离子电池高容量正负极材料技术、新型锂离子电池电解液或电极界面稳定技术、锂硫电池循环稳定技术、大容量锂硫电池堆设计与临近空间环境适应性技术、高效率氢氧燃料电池与高比功率水电解器、再生氢氧燃料电池系统集成与优化技术等。

同时，电机螺旋桨构成的动力推进系统是高空长航时太阳能飞机巡航飞行和区域保持控制的关键保障，是全机最大的能量消耗源，其整体工作效率对能源系统乃至总体设计影响巨大，目前电机效率已达90%以上，提升空间有限，螺旋桨效率低于60%，是推进系统整体效率提升的主要关注点。太阳能飞机飞行高度和飞行速度变化较大，差异化工况下推进系统性能变化很大，10m量级大桨径螺旋桨推进系统在偏离设计点高度和风速时推力损失最大可达60%，若采用高空、低空两套推进系统，则会给系统造成质量代价。因此，高空太阳能飞机推进系统既要满足高空稀薄大气条件下的高效率和高可靠性要求，又要适应飞行高度和速度大跨度变化条件。并且电机数量、转速等与不同尺度螺旋桨匹配，对推进系统整体性能存在重要影响，为解决这一问题，重点攻关方向包括：高空低雷诺数下高效螺旋桨翼型设计、高空稀薄大气下电机长期工作可靠性提升技术、推进系统宽工况适应性技术、电机/螺旋桨匹配设计技术、推进系统效率测试技术等。

另外，能量紧缺是高空长航时太阳能飞机最核心的问题之一。在现有能源系统指标水平，特别是储能电池比能量指标相对较低的条件下，需探索从临近空间辐照、风场等环境中综合获取、存储能量的方法，打破太阳电池和储能电池构成的“小范围能量闭环”局限，拓展飞行航时和载荷能力边界。与之并存的挑战是，环境能量获取与飞行器运动参数之间的关联机理与耦合模型如何揭示建立、动态环境如何准确感知、静态设计方案如何在动态变化的环境中保证能量昼夜闭环等。为解决这一问题，重点攻关方向包括：临近空间风场环境特征与演化规律、风场在线感知与估计方法、梯度风场中滑翔模式与能量获取机制、重力势储能飞行轨迹设计与能量管理策略等。