李悅霖

“陽光動(dòng)力”2改裝的太陽能無人機(jī)可攜帶136～363kg任務(wù)載荷，在4572～13716km高度持續(xù)飛行90天，充當(dāng)中空偽衛(wèi)星提供全新的任務(wù)能力。

在2015至2016年，“陽光動(dòng)力”2（Solar Impulse 2、SL2）太陽能飛機(jī)進(jìn)行了環(huán)球飛行，其中包括安德烈·博施伯格（Andre Borschberg）歷時(shí)近5天的飛越太平洋單人飛行，這次飛行改變了人們認(rèn)為太陽能飛機(jī)是華而不實(shí)飛行器的看法。

如今，這個(gè)翼展為72m的綠色能源技術(shù)典范正準(zhǔn)備扮演一個(gè)新角色即重型長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，用于商業(yè)和政府市場(chǎng)。這架著名的飛機(jī)已經(jīng)被美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)空中居住航宇公司（Skydweller Aero，下稱空中居住公司）購(gòu)買，該公司由諾斯羅普·格魯門公司特別項(xiàng)目組織的無人機(jī)專家組建，并得到歐洲航空航天巨頭萊昂納多公司（ Leonardo）和一些私人投資者的支持。

項(xiàng)目背景

陽光動(dòng)力公司（Solar Impulse）由博斯伯格和貝特朗·皮卡德（BertrandPiccard）在瑞士創(chuàng)立，于2009年試飛了一架較小尺寸的原型機(jī)。隨后，團(tuán)隊(duì)為環(huán)球飛行計(jì)劃打造了2551kg的“陽光動(dòng)力”2太陽能飛機(jī)，2015年3月“陽光動(dòng)力”2從阿布扎比起飛，歷經(jīng)17次環(huán)球飛行后于2016年7月返回地面，飛行時(shí)長(zhǎng)558.7h，航程42438km。

在低于海拔9144m的高度為飛行員提供長(zhǎng)達(dá)五天的飛行支持，需要飛機(jī)本身有堅(jiān)固的機(jī)身和強(qiáng)勁的動(dòng)力系統(tǒng)，“陽光動(dòng)力”2在環(huán)球飛行時(shí)搭載了一名體重91kg的飛行員。

太陽能無人機(jī)的技術(shù)進(jìn)步為高空偽衛(wèi)星（HAPS）在通信和監(jiān)視等應(yīng)用領(lǐng)域開辟了一個(gè)新市場(chǎng)。這些太陽能無人機(jī)可在平流層停留數(shù)天、數(shù)周或數(shù)月，不受風(fēng)和天氣影響。若要在18km以上的高度飛行，太陽能無人機(jī)必須有超輕的機(jī)身，搭載小而輕的任務(wù)載荷。例如，空中客車公司研制的“西風(fēng)”無人機(jī)，翼展25m、最大起飛重量75kg，僅在攜帶5kg任務(wù)載荷時(shí)才保持近26天的續(xù)航記錄。

在改裝“陽光動(dòng)力”2的過程中，拆除了飛行員座椅、救生裝備、救生筏、補(bǔ)給、氧氣、廁所和一個(gè)布滿控制器和顯示器的駕駛艙設(shè)備，使“陽光動(dòng)力”2太陽能無人機(jī)能攜帶136～363kg任務(wù)載荷并保證其在4572～13716km高度飛行，這是高空偽衛(wèi)星必須非常小心通過的中等高度。空客2019年有兩架“西風(fēng)”太陽能無人機(jī)在爬升中因大氣湍流而墜毀。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是，太陽能無人機(jī)必須極其輕和纖巧，在平流層攜帶重量輕的任務(wù)載荷飛行，但空中居住公司打破了這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，其目標(biāo)是使“陽光動(dòng)力”2攜帶更重更強(qiáng)大的任務(wù)載荷在中等高度無限期地飛行。

空中居住公司的運(yùn)行包線是一個(gè)由緯度、年度、高度、任務(wù)載荷重量及功率組成的矩陣。每次飛行結(jié)束后，“陽光動(dòng)力”2將返回基地，配置新的任務(wù)載荷和太陽能電池，為下一年度的飛行進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化。

制造一架中空偽衛(wèi)星會(huì)遇到諸多技術(shù)難題，風(fēng)力和天氣是最大的挑戰(zhàn)。不過，“陽光動(dòng)力”2擁有成熟的機(jī)身并已在世界各地的中等高度成功飛行，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空中居住公司將“陽光動(dòng)力”2太陽能無人機(jī)描述為一種中空偽衛(wèi)星（MAPS），預(yù)計(jì)可持續(xù)飛行90天，在機(jī)身、機(jī)翼和尾翼的上表面安裝了超過270m2的太陽能電池，可為任務(wù)載荷提供2～20kW的電能?？罩芯幼」臼紫夹g(shù)官艾倫·加德納（Allen Gardner）表示，“陽光動(dòng)力”2的任務(wù)載荷能力改變了游戲規(guī)則。

空中居住公司計(jì)劃使用太陽能電池來采集和儲(chǔ)存晝夜飛行所需的電能，目標(biāo)是在±20。的緯度范圍內(nèi)全年運(yùn)行，每年從春季到秋季在±40。緯度范圍內(nèi)飛行6-9個(gè)月。安裝氫燃料電池后，“陽光動(dòng)力”2將能在高緯度地區(qū)全年運(yùn)行，不過續(xù)航時(shí)間會(huì)減小。

根據(jù)任務(wù)需要，“陽光動(dòng)力”2可安裝一個(gè)可選用的氫燃料電池作為備用能源，在需要時(shí)使用。有三種飛行任務(wù)需使用氫燃料電池，一是太陽能無人機(jī)在冬季高緯度飛行，二是向上爬升為克服風(fēng)力需要大功率推力提速，三是在操作大功率任務(wù)載荷。

全新的任務(wù)能力

空客前副總裁馬爾萬·拉胡德（Marwan Lahoud）認(rèn)為，大多數(shù)太陽能無人機(jī)的設(shè)計(jì)者都擔(dān)心中等高度的飛行，因?yàn)樗跉v史上是死亡地帶。但“陽光動(dòng)力”2在中等高度的飛行能力已被成功驗(yàn)證，其機(jī)身經(jīng)過多次飛行考驗(yàn)，擁有諸多優(yōu)勢(shì)成為中空偽衛(wèi)星的理想機(jī)身，空中居住公司將利用“陽光動(dòng)力”2制造一種全新平臺(tái)。

空中居住公司旨在為政府客戶提供一種持久、遠(yuǎn)程和經(jīng)濟(jì)高效的平臺(tái)，用于情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）、通信中繼、定位、導(dǎo)航和定時(shí)。商業(yè)市場(chǎng)包括寬帶互聯(lián)網(wǎng)接人、電信回程網(wǎng)絡(luò)和地理空間遙感。

在寬帶互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，多數(shù)人認(rèn)為無人機(jī)飛得越高，信號(hào)在地面覆蓋的范圍就越大，其實(shí)不然，關(guān)鍵參數(shù)是發(fā)射功率孔徑，覆蓋范圍是由無線電任務(wù)載荷的尺寸和功率決定?？罩芯幼」臼紫瘧?zhàn)略官約翰·帕克斯（John Parkes hA為，利用太陽能無人機(jī)打開電信市場(chǎng)的關(guān)鍵是生產(chǎn)足夠的電能，支持新興的5G網(wǎng)絡(luò)任務(wù)載荷。

HAPS的任務(wù)載荷重量和功率很小，無法將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋到地面，因此它們?cè)诟呖胀Ａ魩缀鯖]有什么功效，而空中居住公司的新型太陽能無人機(jī)，能充當(dāng)中空偽衛(wèi)星在中等高度運(yùn)行，搭載大尺寸、大功率孔徑無線電任務(wù)載荷覆蓋更大范圍的帶寬通信。

空中居住公司稱，谷歌地圖（Google Maps）等公司在線地圖服務(wù)所使用的高分辨率圖像大多是由中低空飛機(jī)搭載功能強(qiáng)大的攝像機(jī)采集。標(biāo)準(zhǔn)的攝像傳感器是維克塞爾成像公司（Vexcel Imaging ）4.5億像素的高分辨率攝像機(jī)（Ultra CamEagle），它可以在4572km高空拍攝10cm分辨率的圖像，但重量高達(dá)68kg，耗電400W?？罩芯幼」颈硎荆荒馨岩粋€(gè)4.5～22.7kg任務(wù)載荷的HAPS與中低空飛機(jī)的航攝能力相比，而且這種飛機(jī)的工作距離是HAPS的四倍。空中居住公司計(jì)劃在太陽能無人機(jī)上安裝高分辨率攝像傳感器。

“陽光動(dòng)力”2在情報(bào)、監(jiān)視與偵察市場(chǎng)上更像是通用原子航空系統(tǒng)公司的MQ-1C或MQ-9無人機(jī)而不是諾斯羅普·格魯門的RQ-4“全球鷹”。該太陽能無人機(jī)可以攜帶與MQ-1C或MQ-9相同的內(nèi)部傳感器套件，基本實(shí)現(xiàn)靜音飛行，且能在高空持續(xù)飛行更長(zhǎng)時(shí)間。

傳統(tǒng)的長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視與偵察任務(wù)，雖然可以在距離空軍基地?cái)?shù)百千米的地方執(zhí)行全天候任務(wù)，但缺點(diǎn)是需要多架無人機(jī)。

空中居住公司表示，假設(shè)一架長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)能在93km處停留8h，那么至少需要3架無人機(jī)持續(xù)盤旋才能執(zhí)行24h任務(wù)，再加上周轉(zhuǎn)時(shí)間和維修保養(yǎng)，則最終每個(gè)運(yùn)行軌道需要4到5架無人機(jī)?？罩芯幼」镜男滦推脚_(tái)只需使用一架太陽能無人機(jī)即可提供全天候持續(xù)執(zhí)行任務(wù)，降低后勤保障成本。

通過減少每個(gè)軌道所需的無人機(jī)數(shù)量、人力、維修和燃油等成本，空中居住公司的無人機(jī)可顯著降低成本。最重要的是，有望完全消除建立前沿作戰(zhàn)基地的需要，從而消除人員風(fēng)險(xiǎn)以及在外國(guó)領(lǐng)土上建立、配備和維持基地的費(fèi)用。

美國(guó)是為數(shù)不多的幾個(gè)擁有政治和財(cái)政資源的國(guó)家之一，可以在世界各地建立和運(yùn)營(yíng)軍用飛機(jī)前沿作戰(zhàn)基地（FOB）。即使是續(xù)航時(shí)間為5-10天的飛機(jī)，如極光飛行科學(xué)公司的“獵戶座”（Orion）或波音的“幻影眼”（PhantomEye）.也需要建立前沿基地和設(shè)置多架飛機(jī)。

制造出一架攜帶重型任務(wù)載荷的長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)，將會(huì)對(duì)全球無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響?？罩芯幼」菊谥圃爝@種新型無人機(jī)，預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)機(jī)上無人駕駛飛行。