文 鄔旖旎

太陽能無人機(jī)其實(shí)是在太陽能飛機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高空連續(xù)飛行的無人駕駛飛行器。

什么是太陽能無人機(jī)？

提到太陽能無人機(jī)，我們首先來了解下太陽能飛機(jī)，太陽能飛機(jī)是以太陽輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。在飛機(jī)上鋪設(shè)太陽能電池板，將光能轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)飛行。主要采用了傳統(tǒng)氣動(dòng)布局，這些布局已有成熟的分析方法，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低。為了提高氣動(dòng)效率，大多采用大展弦比機(jī)翼，尤其是高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)，展弦比都在30左右。多數(shù)太陽能飛機(jī)采用的為轉(zhuǎn)化效率15%～20%的單晶硅太陽電池，部分采用了多晶硅太陽電池。儲(chǔ)能器多為能量密度200Wh/kg左右的鋰電池。為降低全機(jī)重量，能源系統(tǒng)多集成于機(jī)體結(jié)構(gòu)中為提高系統(tǒng)可靠性，太陽能飛機(jī)多采用分布式推進(jìn)系統(tǒng)，并以直驅(qū)方式為主，只在小型太陽能飛機(jī)上采用減速驅(qū)動(dòng)方式以提高螺旋槳效率。

太陽能無人機(jī)其實(shí)是在太陽能飛機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高空連續(xù)飛行的無人駕駛飛行器。白天，太陽能無人機(jī)倚靠機(jī)體表面鋪設(shè)的太陽能電池將吸收的太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能，維持動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子系統(tǒng)和有效載荷的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)機(jī)載二次電源進(jìn)行充電；夜間，太陽能無人機(jī)釋放二次電源中存儲(chǔ)的電能，維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果白天存儲(chǔ)的能量能夠滿足夜間飛行的需要，則太陽能無人機(jī)理論上可以實(shí)現(xiàn)“永久”飛行。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

·國外起步較早，進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)

其中具有代表性的包括：飛行高度紀(jì)錄保持者，由美國“太陽神”系列無人機(jī)保持，飛行高度達(dá)到30km，是世界上飛行最高的螺旋槳驅(qū)動(dòng)無人機(jī)。最為先進(jìn)的是瑞士Impulse太陽能飛機(jī)，2013年在美國內(nèi)華達(dá)空軍基地已經(jīng)完成了24小時(shí)載人晝夜測(cè)試飛行。

·國內(nèi)尚處起步階段，有待大步伐前進(jìn)

我國在太陽能應(yīng)用技術(shù)，移動(dòng)電源儲(chǔ)能等領(lǐng)域和先進(jìn)航空復(fù)合材料研發(fā)上經(jīng)過多年探索也已經(jīng)具備了一定基礎(chǔ)，為我國自主研發(fā)太陽能飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)上提供了基本保障，但從領(lǐng)域發(fā)展來看，尚處起步階段。2014年，上海市科委對(duì)太陽能無人機(jī)及其電源系統(tǒng)進(jìn)行前瞻布局。2015年8月，由上海奧科賽飛機(jī)有限公司協(xié)同航空航天空間電源811研究所、同濟(jì)大學(xué)航力學(xué)院聯(lián)合研制的太陽能飛機(jī)“墨子號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)兩款小比例驗(yàn)證機(jī)型的無人試飛，全尺寸太陽能驅(qū)動(dòng)的一號(hào)機(jī)預(yù)計(jì)2016年春季完成首飛。2015年3月，由中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院研制的太陽能無人驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)，其翼展40余米，采用大展弦比輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，系繼美國NASA系列后世界上最大的太陽能無人飛行器。

·太陽能無人機(jī)核心技術(shù)亟待解決

長航時(shí)太陽能無人機(jī)作為綜合性較強(qiáng)飛行器，目前存在的主要技術(shù)瓶頸包括：

1.設(shè)計(jì)問題：包括適合加載太陽能基材的飛機(jī)設(shè)計(jì)、高空低雷諾數(shù)飛行氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、寬帶信息傳輸與無人機(jī)控制、能源與動(dòng)力設(shè)計(jì)、飛行空間材料及隱身設(shè)計(jì)、多技術(shù)目標(biāo)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題。

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2.動(dòng)力問題：太陽電池陣列對(duì)于太陽輻照轉(zhuǎn)化獲得的能量是整個(gè)無人機(jī)在白天及夜晚工作的所有能量來源，太陽電池一般鋪設(shè)在無人機(jī)大展弦比機(jī)翼的上表面，設(shè)計(jì)中盡可能多地鋪著面積，同時(shí)盡量降低太陽電池帶來的鋪設(shè)重量，在設(shè)計(jì)中著重考慮太陽輻照電流的串聯(lián)失配及弱光下的電壓并聯(lián)失配問題，同時(shí)配合電源調(diào)節(jié)的要求，將電池陣列電路設(shè)計(jì)到合理配置。目前我國太陽電池存在以下問題：第一，陣列與系統(tǒng)的耦合研究較少。嚴(yán)重地制約了長航時(shí)無人機(jī)的電源整體論證，對(duì)無人機(jī)總體的飛行程序、任務(wù)軌跡、飛行動(dòng)力的確定造成了較大的困難。第二，轉(zhuǎn)換效率較低。由于目前太陽電池的國內(nèi)轉(zhuǎn)換效率還集中在18.5%～21%，電池的厚度在200～260μm，電池的轉(zhuǎn)換效率和面密度水平有優(yōu)待進(jìn)一步提升，從硬件上應(yīng)保證電池陣列產(chǎn)品的較高水平。第三，能量密度較低。太陽能無人機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)盡管都選用了目前較為先進(jìn)的蓄電池，但其總體的能量密度還是較低。目前在幾種典型的太陽能無人機(jī)中，儲(chǔ)能部分重量已經(jīng)占據(jù)了1/3～1/2的起飛重量。例如美國Solong無人機(jī)起飛重量為12.6kg，其中鋰電池重5.6kg，占到了全機(jī)重量的44%。2001年飛行的太陽神無人機(jī)加裝燃料電池后全機(jī)增重362.88kg，占無人機(jī)起飛

重量的34.8%。儲(chǔ)能系統(tǒng)較大的重量百分比使得其對(duì)無人機(jī)最終的氣動(dòng)布局和幾何尺寸都產(chǎn)生了較大影響，也是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初始階段重點(diǎn)研究的參量之一。第四，能源系統(tǒng)的電源管理技術(shù)較薄弱。電源控制的單元的重量和對(duì)功率的調(diào)節(jié)比率還不高，對(duì)于太陽電池陣廣泛使用的最大功率跟蹤技術(shù)的算法還不完備，有待得到大跨度提高，以提升系統(tǒng)的能量利用率和管理效率。

3.航電系統(tǒng)：需要解決飛行軟件平臺(tái)同硬件匹配度不全面、飛行軟件設(shè)置實(shí)際飛行應(yīng)用的實(shí)用性，方便性，功能性缺陷問題、硬件部分，元器件的協(xié)調(diào)性匹配問題、基地站控制指令發(fā)送，接收鏈接方法單一，受地形，復(fù)雜電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重問題、數(shù)據(jù)加密，解密基本沒有等的問題。如果不能國產(chǎn)化，完全自主開發(fā)，由于受到國外專利、進(jìn)口等問題的制約，這可能會(huì)阻礙將來產(chǎn)品化的進(jìn)程。

4.高效的動(dòng)力總成問題：由于太陽能飛機(jī)驅(qū)動(dòng)能源有限，除了載體的氣動(dòng)效率外，僅僅依靠產(chǎn)生推力的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳在效率提升上已經(jīng)不能滿足，電源輸送總線，電源分配，儲(chǔ)能電池、電機(jī)控制器的每一個(gè)環(huán)節(jié)都將延伸納入驅(qū)動(dòng)效率設(shè)計(jì)和提升。

5.遠(yuǎn)程通訊問題：遠(yuǎn)程和高度的通訊保障，未來太陽能飛機(jī)應(yīng)用肯定在無人駕駛體系下展開，由于自動(dòng)駕駛和應(yīng)用任務(wù)的復(fù)雜性，良好安全的通訊鏈路保障是確保應(yīng)用的，目前研發(fā)飛機(jī)階段通訊設(shè)施和手段在業(yè)余范圍，鏈路手段單一，安全性非常低，未來不能滿足專業(yè)級(jí)應(yīng)用。

6.材料及工藝問題：太陽能板材同機(jī)體復(fù)合材料的兼容和結(jié)構(gòu)適用性。為了減輕重量和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，需要將太陽能電池板同飛機(jī)機(jī)體復(fù)合材料整體合成是一種最優(yōu)化的方案。如何匹配材料的兼容性和保障整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，疲勞壽命和施工工藝，是目前世界上各大飛機(jī)制造公司都在尋找突破的重大課題。太陽能板的基體材料同時(shí)可否在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上補(bǔ)償強(qiáng)度， 整體復(fù)合后對(duì)單組電池的更換可行性影響等都有待研究和突破。

啟示和建議

打造有價(jià)值的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，形成有競(jìng)爭力的產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新需要獲得上下游配合和資源支持。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)目前呈現(xiàn)企業(yè)規(guī)模小，產(chǎn)業(yè)集中度較低，產(chǎn)業(yè)鏈上下游不完整，整體效率低下，標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，企業(yè)服務(wù)質(zhì)量層次不齊等。建議建立該產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以聯(lián)盟為產(chǎn)業(yè)主體，有針對(duì)性的著眼于1-2個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的緊密合作，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)化重構(gòu)。以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員各自主導(dǎo)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)為切入點(diǎn)，更有效的進(jìn)行對(duì)接，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)效率，推薦產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

瞄準(zhǔn)整機(jī)核心技術(shù)，以點(diǎn)帶面，提升整體領(lǐng)域水平

以上海無人機(jī)整機(jī)單位作為核心單位，圍繞核心單位著力發(fā)揮本市具有相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的科研單位，聚焦影響制約無人機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)問題，重點(diǎn)攻克影響該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“攔路虎”，在整機(jī)設(shè)計(jì)、航電系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)等一系列技術(shù)瓶頸上進(jìn)行自主突破。

促進(jìn)該領(lǐng)域機(jī)制、體制、相關(guān)政策的建設(shè)

在發(fā)展無人機(jī)行業(yè)的同時(shí)，需加快相應(yīng)的體制、機(jī)制的建設(shè)工作，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供創(chuàng)新科技服務(wù)，創(chuàng)造助推無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好環(huán)境。例如：由于太陽能飛機(jī)存在高、慢、大的飛行性能，實(shí)際試飛數(shù)據(jù)采集和飛行時(shí)間是保障太陽能飛機(jī)研發(fā)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，試飛場(chǎng)地和試飛空域是太陽能飛機(jī)研發(fā)和應(yīng)用的必備要素。建議相關(guān)部門為核心企業(yè)提供相應(yīng)的條件支撐。