文/孫 婧 本刊記者 胡利娟

照亮臨近空間的彩虹

文/孫 婧 本刊記者 胡利娟

“近日，我國“彩虹”太陽能無人機(jī)成功完成2萬米以上高空飛行試驗(yàn)，這使我國成為繼美、英之后，第三個(gè)掌握臨近空間太陽能無人機(jī)技術(shù)的國家?！?/p>

2017年6月，中國國家通訊社新華社的這段短短電文，信息含量巨大。

臨近空間是指高度20公里～100公里的空域，它比航天器的300公里以上運(yùn)行高度要低，比一般飛行器的20公里以下飛行空域要高。臨近空間空氣稀薄，壓力也小，除了極少數(shù)特殊用途的軍用飛機(jī)，其他有人飛行器“不能上”；而航天器則“不能下”，導(dǎo)致人類在很長一段時(shí)間內(nèi)沒有充分重視和應(yīng)用這個(gè)空域

無人飛行器則無需考慮臨近空間的惡劣環(huán)境對人的生理影響，大量的生命維持系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)可以舍棄，在技術(shù)上直接跨越這一難關(guān)。

臨近空間太陽能無人機(jī)研究最早的國家是航空技術(shù)第一大國——美國。美國在太陽能飛機(jī)方面的探索可追溯到20世紀(jì)70年代初。1974年11月4日，世界上第一架太陽能飛行器“日出”在加利福尼亞試飛成功。1980年，美國將太陽能飛機(jī)項(xiàng)目列入國家計(jì)劃，并相繼研制了“探路者”“太陽神”等方案研究型號?，F(xiàn)在，美國國家航天局、美國國防部高級研究計(jì)劃局及一些私營公司都在研制出臨近空間太陽能無人機(jī)，技術(shù)水平瞄準(zhǔn)世界前列。

例如著名網(wǎng)絡(luò)巨頭 Facebook。他們的太陽能 “天鷹座”無人機(jī)在2016年六月在亞利桑那州進(jìn)行了為時(shí)96分鐘的首飛，可惜“未能正常降落”。而經(jīng)過調(diào)2017年的5月22日，“天鷹座”再次起飛，成功完成了起降實(shí)驗(yàn)，共飛行1小時(shí)46分鐘。

另一網(wǎng)絡(luò)巨頭谷歌的太陽能無人機(jī)項(xiàng)目則剛剛宣布取消。綜合ZDNET等多家美國科技新聞網(wǎng)站的報(bào)道，“谷歌X實(shí)驗(yàn)室”相關(guān)人士對媒體證實(shí)稱，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)終止了太陽能無人機(jī)的開發(fā)項(xiàng)目。

根據(jù)規(guī)劃，這種高空無人機(jī)將會(huì)利用太陽能作為動(dòng)力，在高空保持長期飛行，主要的使命是面向地球上的偏僻地區(qū)提供上網(wǎng)接入服務(wù)。

據(jù)報(bào)道，谷歌的上網(wǎng)無人機(jī)項(xiàng)目遇到了一些技術(shù)障礙，其中在2015年，一架試驗(yàn)飛機(jī)Titan Solara 50在新墨西哥州進(jìn)行試飛時(shí)墜毀。

還有去年炒得火熱的瑞士“陽光動(dòng)力2號”太陽能動(dòng)力飛機(jī)，它以環(huán)球飛行賺足了眼球。該機(jī)翼展超過波音747，遠(yuǎn)超F(xiàn)acebook的“天鷹座”，載員卻只能容納一人，且無任何高空飛行必須的增壓設(shè)備。太陽能飛機(jī)的優(yōu)勢在于長時(shí)間續(xù)航性能，而連續(xù)幾天甚至幾個(gè)月不落地的飛行遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人體生理極限，根本無法承受。所以“陽光動(dòng)力二號”并無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，只是環(huán)保宣傳工具。

對比這些工商業(yè)巨頭，中國太陽能無人機(jī)在無聲中起步。

“彩虹”，這個(gè)裝備品牌大家并不陌生。近年來，中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院研制的“彩虹”系列無人機(jī)在軍民市場上大放異彩，“彩虹”察打一體系列無人機(jī)更是暢銷十幾個(gè)國家，歷經(jīng)無數(shù)戰(zhàn)火考驗(yàn)，是國際軍貿(mào)市場上的明星。

但很少有人知道，該機(jī)構(gòu)自“十五”計(jì)劃起，就已啟動(dòng)太陽能無人機(jī)領(lǐng)域的研究。

該工程前后經(jīng)歷了平臺概念、小型驗(yàn)證機(jī)研制、關(guān)鍵技術(shù)研究、技術(shù)方案論證、結(jié)構(gòu)樣機(jī)試制和試驗(yàn)、技術(shù)驗(yàn)證機(jī)低空試飛等階段。經(jīng)過十余年堅(jiān)持不懈的努力，太陽能無人機(jī)團(tuán)隊(duì)解決了總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、飛行控制、能源動(dòng)力高效應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)難題，系統(tǒng)建立了太陽能飛行器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法。

“彩虹起點(diǎn)高，一‘出生’就站上了航空前沿?！辈屎鐭o人機(jī)科技有限公司副總工程師賈永清說，航空技術(shù)發(fā)展最忌“一出生，就落后”。彩虹太陽能無人機(jī)雖是從“一張白紙”起步的，但一開始就向世界最先進(jìn)水平看齊。

彩虹系列無人機(jī)總工程師石文表示，彩虹太陽能無人機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。該機(jī)載重能力不亞于美國同類太陽能無人機(jī)，它的誕生標(biāo)志中國臨近空間太陽能無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)躋身世界先進(jìn)水平。

石文還表示，太陽能無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)長期不間斷的持續(xù)飛行，若不考慮其部件的壽命，理論上可以“永久飛行”。彩虹太陽能無人機(jī)能飛到距地面20公里～30公里的臨近空間，遠(yuǎn)超過普通飛機(jī)的飛行高度，可以替代衛(wèi)星的某些功能，應(yīng)用前景廣闊。

臨近空間太陽能無人機(jī)擁有長航時(shí)、低成本兩大優(yōu)勢，常規(guī)長航時(shí)無人機(jī)無法比擬。它可以大范圍、長時(shí)間留在空中，適合執(zhí)行海洋監(jiān)視、地面交通管制等任務(wù)。臨近空間太陽能無人機(jī)可以作為“大氣層衛(wèi)星”，具備低軌道衛(wèi)星的一些功能。太陽能無人機(jī)飛行高度比一般飛機(jī)高，續(xù)航時(shí)間長，在局部形成持續(xù)的監(jiān)視、信息中繼能力。與衛(wèi)星的周期性訪問相比，太陽能無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域持久駐留，其執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)的時(shí)間/空間分辨率更高，區(qū)域通信能力更強(qiáng)，且起降場地簡單，發(fā)射及運(yùn)行成本更低。

在民用方面，太陽能無人飛行器可以完成災(zāi)害監(jiān)測、邊境巡邏、空中和地面交通管理、通訊中繼等任務(wù)?？梢韵蛐盘柛采w地區(qū)提供電視和電信服務(wù)，以較低的成本代替通信衛(wèi)星的功能。在發(fā)生地震、洪災(zāi)或森林火災(zāi)時(shí)，替代中斷的通信，保持受災(zāi)地區(qū)與外界的聯(lián)絡(luò)。甚至，我們可以利用太陽能無人機(jī)建設(shè)“空中移動(dòng)WIFI”基站，為偏遠(yuǎn)地區(qū)或海島提供較為便捷、廉價(jià)和響應(yīng)迅速的移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，避免傳統(tǒng)光纖或微波傳輸?shù)木薮蠼ㄔO(shè)、使用和維護(hù)成本，降低信息化門檻。

在軍用方面，太陽能無人機(jī)可以搭載一些特殊的載荷用于國家安全領(lǐng)域。美國國防部高級研究計(jì)劃局（DAPRA）就在研制名為“禿鷹”的臨近空間太陽能無人機(jī)，目的是為美軍提供持久的情報(bào)、監(jiān)視、偵察和通信中繼能力。

這一點(diǎn)，對于廣闊海洋國土權(quán)益存在爭端、部分陸地邊界未定、軍事強(qiáng)國環(huán)伺的中國來說，意義恐怕更為深遠(yuǎn)。

太陽能飛機(jī)作為全世界競相研發(fā)的飛行器，各國之所以愿意投入巨資和人才資源，除了其擁有廣闊的應(yīng)用前景之外，還在于作為前沿科技產(chǎn)品，其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)集成帶動(dòng)能力相當(dāng)強(qiáng)大。

“依托彩虹太陽能無人機(jī)等項(xiàng)目的帶動(dòng)，并配套研發(fā)高強(qiáng)度輕質(zhì)新材料、新型太陽能電池、新型儲能手段等技術(shù)和產(chǎn)品，有助于進(jìn)一步推動(dòng)中國航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！笔恼f，未來我國太陽能無人機(jī)還將向超高空、超長航時(shí)、大型化、實(shí)用化方向發(fā)展，前景值得期待。

“日前首飛的彩虹太陽能無人機(jī)屬于試驗(yàn)飛行平臺，接下來，中國航天科技集團(tuán)公司第十一研究院會(huì)做更多的試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證臨近空間太陽能無人機(jī)的相關(guān)技術(shù)。彩虹太陽能無人機(jī)下一步發(fā)展最關(guān)鍵的地方是實(shí)用化，也就是說成為一種能“干活”的無人機(jī)。國外預(yù)測，未來十年左右，臨近空間太陽能無人機(jī)將實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，我們也在加緊努力，早日讓彩虹太陽能無人機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段，造福于民。”

太陽能無人機(jī)作為航空科學(xué)技術(shù)與新能源技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是現(xiàn)階段發(fā)展的“彩虹”，在補(bǔ)充衛(wèi)星功能方面已向工程應(yīng)用逐步接近，這讓人類有理由相信，未來隨著高效能源等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，“永久飛行”的夢想終將實(shí)現(xiàn)，太陽能無人機(jī)這個(gè)高空“準(zhǔn)衛(wèi)星”將出現(xiàn)在我們生活的諸多領(lǐng)域。