太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的性能如何，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)如何？

作為探索臨近空間領(lǐng)域的新興飛行器，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)(SUAV)在性能、技術(shù)及任務(wù)航時(shí)均呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)飛行器的新特點(diǎn)。其中，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)的比能量、比功率是影響飛機(jī)整體性能的核心因素。因此，本文首先對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的太陽(yáng)電池、儲(chǔ)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，然后針對(duì)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?yáng)能無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

有人把它當(dāng)做兒童飛行玩具，有人把它看做遠(yuǎn)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(wú)人機(jī)。

近年來(lái)，隨著飛控、導(dǎo)航、通信等技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)不僅形成了自己的產(chǎn)業(yè)，而且發(fā)展速度異常強(qiáng)勁。 在市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)、新領(lǐng)域市場(chǎng)不斷開(kāi)拓、應(yīng)用場(chǎng)景愈發(fā)豐富的情況下，無(wú)人機(jī)的種類也越來(lái)越多、越來(lái)越精分細(xì)化，其中就包括了時(shí)下火熱的黑科技——太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，顧名思義既是以太陽(yáng)能為動(dòng)力源進(jìn)行飛行和作業(yè)的無(wú)人機(jī)，其具有超長(zhǎng)航時(shí)、持久留空、超高飛行、廣闊作業(yè)等主要特點(diǎn)，價(jià)值堪比“準(zhǔn)衛(wèi)星”，更具備部署靈活、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，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(xiǎn)救災(zāi)、反恐維穩(wěn)、移動(dòng)通信等目的，各國(guó)都在大力投入、加速研發(fā)和積極布局太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展，以期望能夠搶占未來(lái)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的新高地。

其中，美國(guó)和英國(guó)是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)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(hào)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，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(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展;而后者也以驗(yàn)證太陽(yáng)能動(dòng)力飛行關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，早早研制出了“微風(fēng)”及“西風(fēng)”系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，并在國(guó)防部門得到了有效應(yīng)用。

緊隨美、英之后，近年來(lái)我國(guó)在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)方面的發(fā)展也是進(jìn)步神速、成果斐然。

2016年，西工大的“魅影太陽(yáng)能WiFi無(wú)人機(jī)”橫空出世，彰顯了我國(guó)在太陽(yáng)能WiFi無(wú)人機(jī)研發(fā)上的一定實(shí)力;2017年，基于臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)構(gòu)建空中局域網(wǎng)的“飛云”工程的開(kāi)啟，“彩虹”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)圓滿完成臨近空間飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)成為全球第三個(gè)掌握臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)技術(shù)的國(guó)家;與此同時(shí)在近日，我國(guó)自主研發(fā)的中大型太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)無(wú)人飛機(jī)“墨子II型”成功完成首飛，也預(yù)示著我國(guó)與英美的差距正越縮越小。

中國(guó)太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)“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(wèn)中國(guó)太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)目前處于什么樣的水平。據(jù)了解，目前，中國(guó)研制的太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)已有多款完成首飛。中國(guó)專家認(rèn)為，從2017年首飛的45米量級(jí)“彩虹”T4太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)，到今年9月首飛的50米量級(jí)“啟明星-50”，中國(guó)有望出現(xiàn)翼展達(dá)到60米量級(jí)的國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī) (點(diǎn)擊查看詳情)。

目前，中國(guó)在研型號(hào)至少包括“彩虹”T4太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)、“啟明星-50”太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)、“墨子Ⅱ型”太陽(yáng)能飛機(jī)等。其中，作為中國(guó)首款完成首飛的太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)——“彩虹”T4太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)2017年完成首次試飛，持續(xù)飛行15小時(shí)左右后平穩(wěn)降落，成功完成2萬(wàn)米以上高空飛行試驗(yàn)。這也讓我國(guó)繼英美之后，躋身太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的世界前三。根據(jù)公開(kāi)資料，“彩虹”T4無(wú)人機(jī)翼展達(dá)到45米量級(jí)。據(jù)介紹，這個(gè)翼展級(jí)別為國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)發(fā)展奠定了非常高的起點(diǎn)。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(dá)到2萬(wàn)米相當(dāng)于將48個(gè)天津電視塔疊放的總高。該型太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)安裝有8個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)翼上方基本上全部覆蓋太陽(yáng)能電池板，其核心關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

今年9月初首飛的“啟明星-50”太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)翼展達(dá)到50米量級(jí)、飛行高度可達(dá)2萬(wàn)米。該機(jī)是中國(guó)航空工業(yè)研制的首款超大展弦比高空低速大型無(wú)人機(jī)，也首次采用雙機(jī)身布局的大型無(wú)人機(jī)、第一款以太陽(yáng)能為唯一動(dòng)力能源的全電大型無(wú)人機(jī)。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，“啟明星-50”太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)首飛成功，不僅提振了各方對(duì)太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的信心，也將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)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(guò)對(duì)比公開(kāi)資料，“彩虹”T4無(wú)人機(jī)與“啟明星-50”無(wú)人機(jī)的尺寸差不多，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量也總體相當(dāng)，應(yīng)該說(shuō)能力基本相當(dāng)。

那么國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)矩陣中，還有翼展更大的機(jī)型嗎?

在之前的多次珠海航展上，“彩虹”公司都展出了一個(gè)縮比的太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)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(yáng)能大型無(wú)人機(jī)翼展達(dá)到60米量級(jí)，升限超過(guò)2萬(wàn)米，最大續(xù)航時(shí)間超過(guò)30天，任務(wù)載荷重量達(dá)30公斤。

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

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

如果無(wú)人機(jī)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(yáng)能大型無(wú)人機(jī)通過(guò)增大翼展盡量增大發(fā)電能力。另外，大展弦比機(jī)翼飛機(jī)的升阻比一般比較高，升阻比高的飛機(jī)通常留空時(shí)間也會(huì)比較長(zhǎng)、巡航距離也就比較遠(yuǎn)。綜合這幾個(gè)角度考慮，太陽(yáng)能大型無(wú)人機(jī)的翼展會(huì)做得越來(lái)越大。不過(guò)，在無(wú)人機(jī)放飛以及爬升時(shí)，越細(xì)長(zhǎng)的機(jī)翼受外界氣流干擾的影響就越大，如果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題沒(méi)有解決，無(wú)人機(jī)可能還沒(méi)有達(dá)到任務(wù)高度，機(jī)翼就折斷了。所以想要增加翼展，還需要解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。

日前，空客公司成功完成其“西風(fēng)”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的新一輪試飛活動(dòng)。在試飛過(guò)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(yáng)能、夜間使用可充電電池推進(jìn)，向我們展示了當(dāng)前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展的最新成果。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加快了無(wú)人機(jī)應(yīng)用的拓展和深化，為滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用需求，無(wú)人機(jī)種類變得愈發(fā)多元和豐富，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。所謂太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，是指依靠太陽(yáng)能為動(dòng)力源，這種無(wú)人機(jī)具有超長(zhǎng)航時(shí)、持久留空、超高飛行、廣泛作業(yè)等特點(diǎn)。

借助自身顯著優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在軍民兩方面具有廣泛用武之地，價(jià)值也堪比準(zhǔn)衛(wèi)星?，F(xiàn)實(shí)生活中，不少國(guó)家就將太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)用于大氣研究、天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、交通管制監(jiān)測(cè)、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(guò)，要說(shuō)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)最佳的落地場(chǎng)景，無(wú)疑還是通信方面。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)對(duì)于通信發(fā)展具有四方面的增值意義，其一是通過(guò)充當(dāng)空中基站增強(qiáng)已有通信服務(wù);其二是補(bǔ)盲偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信;其三是在突發(fā)災(zāi)害時(shí)，提供應(yīng)急通信;其四是滿足軍民雙方的遠(yuǎn)程中繼通信。

基于以上通信價(jià)值，當(dāng)前全球發(fā)力太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的國(guó)家也不少。其中，美國(guó)和英國(guó)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(yáng)能無(wú)人機(jī)，而后者也早早研制出了微風(fēng)”及“西風(fēng)”系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。

在這兩個(gè)國(guó)家之后，我國(guó)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展也逐漸起步。2016年，我國(guó)西工大研發(fā)的“魅影太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)”橫空出世，揭開(kāi)了國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展的序幕，之后“飛云”工程順利開(kāi)啟，“墨子II型”成功首飛，都標(biāo)志著我國(guó)在太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)發(fā)展上取得顯著成果。