太陽能助力無人機發(fā)展

引言

航空航天技術(shù)是20世紀(jì)初以來世界上發(fā)展最引人注目的技術(shù)之一?，F(xiàn)代飛機發(fā)動機使用的能源仍然是傳統(tǒng)的石油產(chǎn)品“航空汽油”(用于航空活塞式發(fā)動機)和“航空煤油”(用于渦輪噴氣發(fā)動機)。飛行于空中的航空發(fā)動機耗油量之大非常驚人，如波音747客機每小時耗油11噸。如果波音747從哈爾濱飛到廣州，耗油約50噸。除了對有限的石油資源的大量消耗之外，噴氣發(fā)動機殘余物對大氣的污染、噪聲對生活環(huán)境的干擾也是嚴(yán)重的問題。

人們正在尋求航空新的綠色能源，例如太陽能用于飛機為航空能源提供了一條嶄新的途徑。太陽能飛機可不耗一滴油完成長時間的飛行，并且低成本，可以無償?shù)孬@得能源。

1 太陽能電池

早在一百多年前，人們就開始研究光能產(chǎn)生電的效應(yīng)。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。1958年美國研制成第一塊n/p型單晶硅太陽能光伏電池，并用于衛(wèi)星的供電。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，光生空穴由n區(qū)流向p區(qū)，光生電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理(圖1)。太陽能電池的制作需一個復(fù)雜的過程(圖2)，由于晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定性、壽命長、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)異特性，目前光伏市場上應(yīng)用量最多。無人機對于太陽能電池在重量、厚度、柔性和效率方面提出了更高的要求。

2 太陽能無人機的產(chǎn)生

早在20世紀(jì)中葉人們就尋求設(shè)計一種以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽電池。

世界上首架太陽能無人機由美國AstroFlight公司R.J. Boucher設(shè)計，無人機名叫“Sunrise I”。該機總重量為27.5Ibs，翼展32ft，共使用了4096塊太陽能電池板，功率為450W。1974年11月4日，在美國加利福尼亞州試飛，無人機在100m左右的高度飛行了大約20分鐘。隨后他又設(shè)計研制一個改進的太陽能無人機“Sunrise II”。該無人機總重量為22.5Ibs，翼展32ft，翼面積為90ft2，在1975年9月12日首飛，使用了新的太陽能電池板，比第一架無人機上的電池板效率提高了14%，總功率已達600W。

3 太陽能無人機的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體布局

太陽能無人機通常設(shè)計有大展弦比機翼，這樣可以獲得較大的升阻比(升力與阻力之比), 一方面在機翼上表面能夠鋪設(shè)更多的太陽能電池板，另一方面在承載無人機必要的重量情況下以減小阻力而減少動力能源(太陽能轉(zhuǎn)換的電能)的消耗。

3.2 結(jié)構(gòu)

為了減少能耗，太陽能無人機結(jié)構(gòu)比一般無人機設(shè)計得更輕，同時要保證足夠的強度。目前，結(jié)構(gòu)(骨架、蒙皮)多半采用輕質(zhì)非金屬材料，其中主要承力結(jié)構(gòu)通常采用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維樹脂復(fù)合材料不但重量輕，而且具有高的比強度、比模量，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好等特點。

由于太陽能無人機的機翼長和結(jié)構(gòu)輕，細長機翼結(jié)構(gòu)的剛度小。無人機飛行中的空氣動力和無人機機體彈性結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生相互作用，這就叫作“氣動彈性”。在較大飛行速度下，無人機機翼上的氣動力(包括氣動力矩)和結(jié)構(gòu)變形會越來越大，當(dāng)飛行速度大到一定值時就有可能發(fā)生“靜氣動彈性發(fā)散”或“顫振”，而導(dǎo)致機翼或機身斷裂。美國早期的“太陽神”無人機就曾經(jīng)因機翼發(fā)生靜氣動彈性變形發(fā)散，而在空中解體。

因此，太陽能無人機的結(jié)構(gòu)要精心設(shè)計，如可通過碳纖維鋪層分布和鋪層方向的優(yōu)化設(shè)計，來克服氣動彈性(空氣動力和彈性結(jié)構(gòu)之間的相互作用)的不良影響和陣風(fēng)響應(yīng)問題，避免無人機結(jié)構(gòu)“氣動彈性發(fā)散”和“顫振”的發(fā)生，防止可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形發(fā)散而斷裂。

3.3 適于無人機的太陽能電池

太陽能電池是太陽能無人機的動力來源。適于無人機的太陽能電池與日常用于光伏發(fā)電站和家用的太陽能電池不一樣。無人機用的太陽能電池不但要求重量輕和厚度薄，而且需要有一定的柔性，以便于鋪設(shè)在機翼或其他機體的外表面。

太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為兩類：結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式。

太陽能電池按材料可分為：硅晶體電池(單晶、多晶、非晶硅) 、多元化合物薄膜電池 、聚合物多層修飾電極型電池、納米晶電池。

目前太陽能飛機上使用的多半為薄膜單晶硅太陽能電池和柔性薄膜多元化合物電池(如：砷化鎵薄膜電池 、銅銦鎵硒薄膜電池等)。柔性薄膜太陽能電池的制備工藝十分復(fù)雜，如多元化合物電池就需經(jīng)過反應(yīng)濺射、熱蒸發(fā)、清洗、激光切割和封裝等精細加工過程。為了適于安裝于無人機表面，太陽能電池需輕、薄和柔軟，電池封裝要具有極好的防水蒸汽性能，還需要具有抗紫外、抗磨損、抗老化等功能。

太陽能電池的效率是決定太陽能飛機動力和承載能力的基礎(chǔ)。所謂太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率是指電池輸出功率密度與入射光功率密度之比，也就是一定面積的太陽能電池板吸收光能后可以轉(zhuǎn)化為電能的效率。目前太陽能電池板的效率通常在10%-30%，因此要不斷提高太陽能電池板的效率才有望減小飛機面積或增加承載重量。

3.4 太陽能無人機的夜間航行

太陽能無人機要實現(xiàn)晝夜連續(xù)飛行，晚上沒有太陽光要靠儲能系統(tǒng)把白天吸收的太陽能轉(zhuǎn)化的多余電能存儲起來(如鋰電池)，以備夜間飛行使用。夜間無人機飛行要執(zhí)行與白天不一樣的飛行模式。夜間飛行，為了節(jié)約能源，通常采取無動力“滑翔飛行”和有動力飛行相結(jié)合的方式。由于太陽能無人機具有大展弦比機翼和輕結(jié)構(gòu)特點，因此具備優(yōu)良的滑翔能力。當(dāng)無人機進行一定滑翔角飛行時，由于相對氣流產(chǎn)生的“迎角”，即使沒有動力，也會產(chǎn)生一定的升力，從而節(jié)約能量。當(dāng)然，太陽能無人機必須具有先進的自主控制飛行與導(dǎo)航能力。夜間飛行還需要無人機設(shè)計有執(zhí)行滑翔飛行的自動控制程序和不同飛行模式之間自動轉(zhuǎn)換等功能。

3.5 太陽能無人機的電子系統(tǒng)

太陽能無人機與其他無人機一樣都需要先進的電子系統(tǒng)。目前人們普遍接受美國在“無人機系統(tǒng)線路圖”提出的概念，用“無人機系統(tǒng)(UAS：Unmanned Aircraft System)”代替原來的“無人機(UAV)”的提法。換句話說，通常我們說“無人機”，應(yīng)是對“無人機系統(tǒng)”的簡稱。無人機系統(tǒng)是指無人機空中平臺及與其配套的任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈、地面測控站、起飛(發(fā)射)回收裝置以及地面保障設(shè)備等的統(tǒng)稱。

無人機的自主飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)包括集多種傳感器與微處理器的控制、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，執(zhí)行飛行器姿態(tài)控制和規(guī)劃路線導(dǎo)航控制，目前向智能控制發(fā)展。

無人機信息傳輸系統(tǒng)廣義上包括任務(wù)載荷傳感器和信息傳輸。任務(wù)載荷是根據(jù)不同任務(wù)使命的微型飛行器而設(shè)計的不同機載任務(wù)設(shè)備，如偵察設(shè)備、電子干擾器、氣體采集器、聲音傳感器和其它任務(wù)傳感器。通常視覺傳感器是無人機最基本的任務(wù)傳感器。還包括對任務(wù)設(shè)備的控制，如任務(wù)設(shè)備轉(zhuǎn)動平臺，跟蹤目標(biāo)控制模塊等。信息傳輸包括機載信息和地面信息的數(shù)據(jù)處理。

太陽能無人機由于飛行時間更長，以及要適應(yīng)晝夜飛行和其他環(huán)境影響，因此對電子系統(tǒng)的功能和可靠性要求更高。

4 太陽能無人機的發(fā)展

由于太陽能無人機具有長航時與無污染能源的優(yōu)點，其發(fā)展受到各國的重視。目前，太陽能無人機主要計劃用于高空長航時偵察或監(jiān)視，可在幾萬米空中連續(xù)晝夜偵察以部分替代偵察衛(wèi)星的功能。比較著名的太陽能無人機是美國NASA資助AeroVironment公司研制的 “太陽神”號無人機。該機是矩形飛翼式布局，翼展75米，身長2.4米。裝有65000片太陽能電池塊，可提供40千瓦電能驅(qū)動14個螺旋槳，能以每小時30至50公里的巡航速度飛行，經(jīng)過10小時17分的飛行，可達到22800米的高度。2013年美國Titan Aerospace公司推出兩種solara太陽能無人機：50型和60型，計劃連續(xù)飛行5年。

還有另外一些大型的太陽能無人機如表1中所列。世界上多種小型太陽能無人機的研制更加活躍，其中成功進行長航時飛行試驗的如表2所示。

英國“西風(fēng)7”太陽能無人機，是目前實際連續(xù)飛行最長的無人機，由3～4人手持起飛，最大飛行高度可以達到40000米，續(xù)航時間已達到35天，可以從18288米的高空，精確拍攝到大小僅為25.4厘米的地面目標(biāo)。

我國也有多個單位在研制多種太陽能無人機。圖7是南京航空航天大學(xué)研制的 “靈翼”小型太陽能無人機，翼展有4.5米和6米兩種，其中“靈翼”II型機翼還可以進行部分變形以增加太陽光的照射強度。這兩種無人機安裝的是性能優(yōu)良的銅銦鎵硒柔性薄膜太陽能電池，已經(jīng)實現(xiàn)了僅依靠太陽能的長時間飛行。

隨著對新能源的需求和太陽能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能飛機也會不斷提高其飛行能力和承載重量。太陽能飛行器已經(jīng)從無人機發(fā)展到太陽能載人飛機。由瑞士陽光動力公司研制“陽光動力2號”有人駕駛太陽能飛機正在進行環(huán)球飛行。該飛機機翼上安裝有1.7萬塊超薄高效的太陽能電池板，翼展72米，平均時速為50～100千米，最大飛行高度為8500米，重量為2300千克，乘員為一名飛行員，可在白天和夜間連續(xù)飛行，目前已實現(xiàn)連續(xù)飛行80小時。“陽光動力”公司預(yù)測，30多年后，能承載300名乘客的全太陽能飛機有望正式投入運營。人類將真正實現(xiàn)無燃油環(huán)保飛行的夢想。未來還可以在太空建立空間無人航行太陽能電站，源源不斷地向地球供電。