太陽能無人機的性能如何，未來的發(fā)展趨勢如何？

作為探索臨近空間領(lǐng)域的新興飛行器，太陽能無人機(SUAV)在性能、技術(shù)及任務(wù)航時均呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)飛行器的新特點。其中，太陽能無人機能源系統(tǒng)的比能量、比功率是影響飛機整體性能的核心因素。因此，本文首先對太陽能無人機的太陽電池、儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進行了闡述，然后針對能量獲取多元化、能源系統(tǒng)管理高效化、能源載荷一體化方向?qū)μ柲軣o人機能源系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

有人把它當(dāng)做兒童飛行玩具，有人把它看做遠景航拍神器，有人把它視為發(fā)展 “智慧農(nóng)業(yè)”生產(chǎn)與改善生活方式的輔助工具，它便是無人機。

近年來，隨著飛控、導(dǎo)航、通信等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機不僅形成了自己的產(chǎn)業(yè)，而且發(fā)展速度異常強勁。 在市場規(guī)模持續(xù)增長、新領(lǐng)域市場不斷開拓、應(yīng)用場景愈發(fā)豐富的情況下，無人機的種類也越來越多、越來越精分細化，其中就包括了時下火熱的黑科技——太陽能無人機。

太陽能無人機，顧名思義既是以太陽能為動力源進行飛行和作業(yè)的無人機，其具有超長航時、持久留空、超高飛行、廣闊作業(yè)等主要特點，價值堪比“準衛(wèi)星”，更具備部署靈活、經(jīng)濟性好等優(yōu)勢。近年來，出于重大自然災(zāi)害預(yù)警、高空海域巡視監(jiān)管、應(yīng)急搶險救災(zāi)、反恐維穩(wěn)、移動通信等目的，各國都在大力投入、加速研發(fā)和積極布局太陽能無人機的發(fā)展，以期望能夠搶占未來無人機產(chǎn)業(yè)的新高地。

其中，美國和英國是太陽能無人機發(fā)展的兩大先行者與領(lǐng)頭羊。前者早在多年前便由極光飛行科學(xué)公司和通用原子公司分別研制出了“帕修斯”和“阿爾塔斯”等型號的太陽能無人機，之后臉書、谷歌、空中客車等企業(yè)再度領(lǐng)銜了新一批太陽能無人機的發(fā)展;而后者也以驗證太陽能動力飛行關(guān)鍵技術(shù)為目標，早早研制出了“微風(fēng)”及“西風(fēng)”系列太陽能無人機，并在國防部門得到了有效應(yīng)用。

緊隨美、英之后，近年來我國在太陽能無人機方面的發(fā)展也是進步神速、成果斐然。

2016年，西工大的“魅影太陽能WiFi無人機”橫空出世，彰顯了我國在太陽能WiFi無人機研發(fā)上的一定實力;2017年，基于臨近空間太陽能無人機構(gòu)建空中局域網(wǎng)的“飛云”工程的開啟，“彩虹”太陽能無人機圓滿完成臨近空間飛行試驗，標志著我國成為全球第三個掌握臨近空間太陽能無人機技術(shù)的國家;與此同時在近日，我國自主研發(fā)的中大型太陽能驅(qū)動無人飛機“墨子II型”成功完成首飛，也預(yù)示著我國與英美的差距正越縮越小。

中國太陽能大型無人機“啟明星-50”9月初順利完成首飛引發(fā)高度關(guān)注，眾多媒體紛紛叩問中國太陽能大型無人機目前處于什么樣的水平。據(jù)了解，目前，中國研制的太陽能大型無人機已有多款完成首飛。中國專家認為，從2017年首飛的45米量級“彩虹”T4太陽能大型無人機，到今年9月首飛的50米量級“啟明星-50”，中國有望出現(xiàn)翼展達到60米量級的國產(chǎn)太陽能大型無人機 (點擊查看詳情)。

目前，中國在研型號至少包括“彩虹”T4太陽能大型無人機、“啟明星-50”太陽能大型無人機、“墨子Ⅱ型”太陽能飛機等。其中，作為中國首款完成首飛的太陽能大型無人機——“彩虹”T4太陽能大型無人機2017年完成首次試飛，持續(xù)飛行15小時左右后平穩(wěn)降落，成功完成2萬米以上高空飛行試驗。這也讓我國繼英美之后，躋身太陽能大型無人機領(lǐng)域的世界前三。根據(jù)公開資料，“彩虹”T4無人機翼展達到45米量級。據(jù)介紹，這個翼展級別為國產(chǎn)太陽能大型無人機發(fā)展奠定了非常高的起點。45米的翼展大約相當(dāng)于25輛小轎車并列排放的寬度，飛行高度達到2萬米相當(dāng)于將48個天津電視塔疊放的總高。該型太陽能大型無人機安裝有8個發(fā)動機，機翼上方基本上全部覆蓋太陽能電池板，其核心關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。

今年9月初首飛的“啟明星-50”太陽能大型無人機翼展達到50米量級、飛行高度可達2萬米。該機是中國航空工業(yè)研制的首款超大展弦比高空低速大型無人機，也首次采用雙機身布局的大型無人機、第一款以太陽能為唯一動力能源的全電大型無人機。業(yè)內(nèi)認為，“啟明星-50”太陽能大型無人機首飛成功，不僅提振了各方對太陽能大型無人機領(lǐng)域發(fā)展的信心，也將進一步推動我國在新能源、復(fù)合材料、飛行控制等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。通過對比公開資料，“彩虹”T4無人機與“啟明星-50”無人機的尺寸差不多，發(fā)動機數(shù)量也總體相當(dāng)，應(yīng)該說能力基本相當(dāng)。

那么國產(chǎn)太陽能大型無人機矩陣中，還有翼展更大的機型嗎?

在之前的多次珠海航展上，“彩虹”公司都展出了一個縮比的太陽能大型無人機模型。根據(jù)2021年珠海航展上“彩虹”公司發(fā)布的宣傳材料，該太陽能大型無人機翼展達到60米量級，升限超過2萬米，最大續(xù)航時間超過30天，任務(wù)載荷重量達30公斤。

據(jù)航空專家預(yù)測，按照太陽能大型無人機發(fā)展的規(guī)律以及相關(guān)型號發(fā)展周期，擁有更大翼展、更大載荷的我國新型太陽能大型無人機有望在今年珠海航展亮相。

太陽能大型無人機不斷發(fā)展，翼展越做越大，目的是使其可以在長達一個月甚至數(shù)個月的長航時任務(wù)中，攜帶并使用重量更大、耗電量更大的載荷。太陽能大型無人機想具備長航時，尤其是不間斷跨晝夜飛行能力，就需要把太陽能大型無人機的翼面做大，安裝更多的光伏電池，攜帶多個電機，讓無人機有足夠的功率在高空進行巡航。如果晝間儲存的電量不能滿足越夜使用，那么無人機的留空時間就非常受限。

如果無人機攜帶的載荷小，可能難以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，所以這也要求太陽能大型無人機通過增大翼展盡量增大發(fā)電能力。另外，大展弦比機翼飛機的升阻比一般比較高，升阻比高的飛機通常留空時間也會比較長、巡航距離也就比較遠。綜合這幾個角度考慮，太陽能大型無人機的翼展會做得越來越大。不過，在無人機放飛以及爬升時，越細長的機翼受外界氣流干擾的影響就越大，如果結(jié)構(gòu)強度問題沒有解決，無人機可能還沒有達到任務(wù)高度，機翼就折斷了。所以想要增加翼展，還需要解決結(jié)構(gòu)強度問題。

日前，空客公司成功完成其“西風(fēng)”太陽能無人機的新一輪試飛活動。在試飛過程中，“西風(fēng)”在平均海拔高度21000米的平流層飛行，翼展25米，重量不到75千克，晝間使用太陽能、夜間使用可充電電池推進，向我們展示了當(dāng)前太陽能無人機發(fā)展的最新成果。

近年來，無人機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加快了無人機應(yīng)用的拓展和深化，為滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用需求，無人機種類變得愈發(fā)多元和豐富，太陽能無人機也應(yīng)運而生。所謂太陽能無人機，是指依靠太陽能為動力源，這種無人機具有超長航時、持久留空、超高飛行、廣泛作業(yè)等特點。

借助自身顯著優(yōu)勢，太陽能無人機在軍民兩方面具有廣泛用武之地，價值也堪比準衛(wèi)星。現(xiàn)實生活中，不少國家就將太陽能無人機用于大氣研究、天氣預(yù)報、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測、交通管制監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、電視服務(wù)以及軍事用途等，給人們的生產(chǎn)與生活帶去了諸多便利。

不過，要說太陽能無人機最佳的落地場景，無疑還是通信方面。太陽能無人機對于通信發(fā)展具有四方面的增值意義，其一是通過充當(dāng)空中基站增強已有通信服務(wù);其二是補盲偏遠地區(qū)的通信;其三是在突發(fā)災(zāi)害時，提供應(yīng)急通信;其四是滿足軍民雙方的遠程中繼通信。

基于以上通信價值，當(dāng)前全球發(fā)力太陽能無人機的國家也不少。其中，美國和英國是最先入局的兩大玩家，前者在多年前就研發(fā)了“帕修斯”和“阿爾塔斯”太陽能無人機，而后者也早早研制出了微風(fēng)”及“西風(fēng)”系列太陽能無人機。

在這兩個國家之后，我國太陽能無人機發(fā)展也逐漸起步。2016年，我國西工大研發(fā)的“魅影太陽能無人機”橫空出世，揭開了國內(nèi)太陽能無人機發(fā)展的序幕，之后“飛云”工程順利開啟，“墨子II型”成功首飛，都標志著我國在太陽能無人機發(fā)展上取得顯著成果。