一架翼展40多米、表面布滿太陽(yáng)能電池板的螺旋槳飛機(jī)，靜靜地停在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的機(jī)庫(kù)里。這架彩虹系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)已完成飛行試驗(yàn)，將于今年測(cè)試臨近空間高度飛行。空氣動(dòng)力技術(shù)研究院無(wú)人機(jī)總工程師石文介紹，這是美國(guó)NASA系列后世界上最大的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，性能指標(biāo)和技術(shù)能力為國(guó)際前三。
憑借超高空、長(zhǎng)航時(shí)、易保障這三大“法寶”，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)未來(lái)有望承擔(dān)起長(zhǎng)時(shí)間空中預(yù)警、大面積空中偵察以及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、氣象觀測(cè)、通信中繼等任務(wù)。
飛得高，難點(diǎn)是氣動(dòng)布局無(wú)模板
太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)通常采用大展弦比機(jī)翼，可升至20千米至30千米高度。這一空域大氣稀薄，氣象條件穩(wěn)定，飛行因此可以更平穩(wěn)、快速。
展弦比是指機(jī)翼長(zhǎng)度的平方除以機(jī)翼面積。現(xiàn)代大型飛機(jī)多采用大展弦比機(jī)翼，以減小能耗。同樣一架太陽(yáng)能飛機(jī)，飛行高度越高，所需功率就越大，對(duì)于光伏吸收和推進(jìn)系統(tǒng)效率、機(jī)體結(jié)構(gòu)與蓄電池組的輕質(zhì)化等要求也就更高。
石文說(shuō)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局和翼型，無(wú)法套用成熟的常規(guī)飛機(jī)模板，關(guān)鍵在于解決氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，以提高飛機(jī)的升阻比。
他介紹，由于依靠太陽(yáng)能提供的電力飛行，目前翼展60米量級(jí)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)提供的有效載荷能力大致在50千克量級(jí)。
相比而言，完成環(huán)球飛行的瑞士“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”太陽(yáng)能飛機(jī)由于需要搭載人員和相關(guān)設(shè)備，總載重約為100公斤，設(shè)計(jì)巡航高度范圍在1.5千米至8.5千米，飛行受氣象條件影響較大。
飛得久，目標(biāo)是數(shù)月可以不停飛
太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)無(wú)燃油消耗，有望實(shí)現(xiàn)數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間的超長(zhǎng)航時(shí)飛行。
2009年，美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局啟動(dòng)“禿鷹”計(jì)劃，旨在研制一種可保持在18.3千米至27.4千米高度、攜帶450千克有效載荷、續(xù)航時(shí)間超過(guò)5年、可在99%的時(shí)間內(nèi)保持在任務(wù)空域中的固定翼飛行器，為美軍提供持久的情報(bào)、監(jiān)視、偵察和通信中繼能力。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)成為其計(jì)劃首選。
“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”在2015年至2016年環(huán)球飛行期間，最多曾達(dá)到118小時(shí)不間斷飛行。
石文介紹，由于太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率和儲(chǔ)能電池能重比不足，推進(jìn)能力有限，目前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)高空飛行速度一般在150千米/小時(shí)至200千米/小時(shí)。
他表示，高效高能量密度太陽(yáng)能及儲(chǔ)能能源系統(tǒng)是決定太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能水平的關(guān)鍵領(lǐng)域，因此需要大量關(guān)注新興技術(shù)，包括超高效柔性薄膜太陽(yáng)電池及輕質(zhì)組陣技術(shù)、先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、高比能量?jī)?chǔ)能電池技術(shù)等。
易保障，前提是系統(tǒng)技術(shù)可靠性高
太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有較高的運(yùn)行效費(fèi)比。其機(jī)載系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)跑道長(zhǎng)度要求不高，也無(wú)需加油等保障設(shè)備。由于航時(shí)超長(zhǎng)，完成持久性任務(wù)無(wú)需頻繁更替輪換。
不過(guò)，石文告訴記者，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外尚未形成成熟的設(shè)計(jì)體系，技術(shù)和工程設(shè)計(jì)上也有別于常規(guī)的固定翼無(wú)人機(jī)。
比如，臨近空間飛行環(huán)境對(duì)電機(jī)裝置的性能要求兼?zhèn)涓咝省⒏吖β拭芏取⒏呖煽啃浴⒏叻€(wěn)定性，現(xiàn)有航空平臺(tái)飛控系統(tǒng)的傳感器、作動(dòng)器也還無(wú)法滿足超長(zhǎng)航時(shí)飛行等要求，后續(xù)需要大量設(shè)計(jì)試驗(yàn)和實(shí)飛驗(yàn)證。
但相比衛(wèi)星，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有成本低、部署靈活等優(yōu)勢(shì)。此外，可與高空巨型飛艇配合，以固定平臺(tái)與機(jī)動(dòng)平臺(tái)的高低搭配形式，形成區(qū)域全覆蓋的不間斷態(tài)勢(shì)感知、通信和中繼網(wǎng)絡(luò)。
石文說(shuō)，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)已初步探索出太陽(yáng)能飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，未來(lái)研究將向更高難度、更深層次挺進(jìn)。