太陽(yáng)能助力無(wú)人機(jī)發(fā)展

引言

航空航天技術(shù)是20世紀(jì)初以來(lái)世界上發(fā)展最引人注目的技術(shù)之一。現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī))和“航空煤油”(用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))。飛行于空中的航空發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量之大非常驚人，如波音747客機(jī)每小時(shí)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(duì)有限的石油資源的大量消耗之外，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)殘余物對(duì)大氣的污染、噪聲對(duì)生活環(huán)境的干擾也是嚴(yán)重的問(wèn)題。

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

1 太陽(yáng)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(yáng)能電池是通過(guò)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(guó)研制成第一塊n/p型單晶硅太陽(yáng)能光伏電池，并用于衛(wèi)星的供電。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)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(yáng)能電池的工作原理(圖1)。太陽(yáng)能電池的制作需一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程(圖2)，由于晶體硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定性、壽命長(zhǎng)、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)異特性，目前光伏市場(chǎng)上應(yīng)用量最多。無(wú)人機(jī)對(duì)于太陽(yáng)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(yáng)能無(wú)人機(jī)的產(chǎn)生

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

世界上首架太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)由美國(guó)AstroFlight公司R.J. Boucher設(shè)計(jì)，無(wú)人機(jī)名叫“Sunrise I”。該機(jī)總重量為27.5Ibs，翼展32ft，共使用了4096塊太陽(yáng)能電池板，功率為450W。1974年11月4日，在美國(guó)加利福尼亞州試飛，無(wú)人機(jī)在100m左右的高度飛行了大約20分鐘。隨后他又設(shè)計(jì)研制一個(gè)改進(jìn)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“Sunrise II”。該無(wú)人機(jī)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(yáng)能電池板，比第一架無(wú)人機(jī)上的電池板效率提高了14%，總功率已達(dá)600W。

3 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體布局

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)通常設(shè)計(jì)有大展弦比機(jī)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(jī)翼上表面能夠鋪設(shè)更多的太陽(yáng)能電池板，另一方面在承載無(wú)人機(jī)必要的重量情況下以減小阻力而減少動(dòng)力能源(太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電能)的消耗。

3.2 結(jié)構(gòu)

為了減少能耗，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)比一般無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)得更輕，同時(shí)要保證足夠的強(qiáng)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(qiáng)度、比模量，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好等特點(diǎn)。

由于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的機(jī)翼長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)輕，細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的剛度小。無(wú)人機(jī)飛行中的空氣動(dòng)力和無(wú)人機(jī)機(jī)體彈性結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，這就叫作“氣動(dòng)彈性”。在較大飛行速度下，無(wú)人機(jī)機(jī)翼上的氣動(dòng)力(包括氣動(dòng)力矩)和結(jié)構(gòu)變形會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)飛行速度大到一定值時(shí)就有可能發(fā)生“靜氣動(dòng)彈性發(fā)散”或“顫振”，而導(dǎo)致機(jī)翼或機(jī)身斷裂。美國(guó)早期的“太陽(yáng)神”無(wú)人機(jī)就曾經(jīng)因機(jī)翼發(fā)生靜氣動(dòng)彈性變形發(fā)散，而在空中解體。

因此，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)要精心設(shè)計(jì)，如可通過(guò)碳纖維鋪層分布和鋪層方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)克服氣動(dòng)彈性(空氣動(dòng)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(wèn)題，避免無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)“氣動(dòng)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(wú)人機(jī)的太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源。適于無(wú)人機(jī)的太陽(yáng)能電池與日常用于光伏發(fā)電站和家用的太陽(yáng)能電池不一樣。無(wú)人機(jī)用的太陽(yáng)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(jī)翼或其他機(jī)體的外表面。

太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能飛機(jī)上使用的多半為薄膜單晶硅太陽(yáng)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(yáng)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(guò)反應(yīng)濺射、熱蒸發(fā)、清洗、激光切割和封裝等精細(xì)加工過(guò)程。為了適于安裝于無(wú)人機(jī)表面，太陽(yáng)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(yáng)能電池的效率是決定太陽(yáng)能飛機(jī)動(dòng)力和承載能力的基礎(chǔ)。所謂太陽(yáng)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(yáng)能電池板吸收光能后可以轉(zhuǎn)化為電能的效率。目前太陽(yáng)能電池板的效率通常在10%-30%，因此要不斷提高太陽(yáng)能電池板的效率才有望減小飛機(jī)面積或增加承載重量。

3.4 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的夜間航行

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)要實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)飛行，晚上沒(méi)有太陽(yáng)光要靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)把白天吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的多余電能存儲(chǔ)起來(lái)(如鋰電池)，以備夜間飛行使用。夜間無(wú)人機(jī)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(wú)動(dòng)力“滑翔飛行”和有動(dòng)力飛行相結(jié)合的方式。由于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有大展弦比機(jī)翼和輕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此具備優(yōu)良的滑翔能力。當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行一定滑翔角飛行時(shí)，由于相對(duì)氣流產(chǎn)生的“迎角”，即使沒(méi)有動(dòng)力，也會(huì)產(chǎn)生一定的升力，從而節(jié)約能量。當(dāng)然，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)必須具有先進(jìn)的自主控制飛行與導(dǎo)航能力。夜間飛行還需要無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)有執(zhí)行滑翔飛行的自動(dòng)控制程序和不同飛行模式之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能。

3.5 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的電子系統(tǒng)

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)與其他無(wú)人機(jī)一樣都需要先進(jìn)的電子系統(tǒng)。目前人們普遍接受美國(guó)在“無(wú)人機(jī)系統(tǒng)線路圖”提出的概念，用“無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS：Unmanned Aircraft System)”代替原來(lái)的“無(wú)人機(jī)(UAV)”的提法。換句話說(shuō)，通常我們說(shuō)“無(wú)人機(jī)”，應(yīng)是對(duì)“無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是指無(wú)人機(jī)空中平臺(tái)及與其配套的任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈、地面測(cè)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(wú)人機(jī)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(jī)，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(wú)人機(jī)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(jì)的不同機(jī)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(jué)傳感器是無(wú)人機(jī)最基本的任務(wù)傳感器。還包括對(duì)任務(wù)設(shè)備的控制，如任務(wù)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，跟蹤目標(biāo)控制模塊等。信息傳輸包括機(jī)載信息和地面信息的數(shù)據(jù)處理。

太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)由于飛行時(shí)間更長(zhǎng)，以及要適應(yīng)晝夜飛行和其他環(huán)境影響，因此對(duì)電子系統(tǒng)的功能和可靠性要求更高。

4 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的發(fā)展

由于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有長(zhǎng)航時(shí)與無(wú)污染能源的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展受到各國(guó)的重視。目前，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)主要計(jì)劃用于高空長(zhǎng)航時(shí)偵察或監(jiān)視，可在幾萬(wàn)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(yáng)能無(wú)人機(jī)是美國(guó)NASA資助AeroVironment公司研制的 “太陽(yáng)神”號(hào)無(wú)人機(jī)。該機(jī)是矩形飛翼式布局，翼展75米，身長(zhǎng)2.4米。裝有65000片太陽(yáng)能電池塊，可提供40千瓦電能驅(qū)動(dòng)14個(gè)螺旋槳，能以每小時(shí)30至50公里的巡航速度飛行，經(jīng)過(guò)10小時(shí)17分的飛行，可達(dá)到22800米的高度。2013年美國(guó)Titan Aerospace公司推出兩種solara太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)：50型和60型，計(jì)劃連續(xù)飛行5年。

還有另外一些大型的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)如表1中所列。世界上多種小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研制更加活躍，其中成功進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)飛行試驗(yàn)的如表2所示。

英國(guó)“西風(fēng)7”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，是目前實(shí)際連續(xù)飛行最長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)，由3～4人手持起飛，最大飛行高度可以達(dá)到40000米，續(xù)航時(shí)間已達(dá)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(guó)也有多個(gè)單位在研制多種太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。圖7是南京航空航天大學(xué)研制的 “靈翼”小型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，翼展有4.5米和6米兩種，其中“靈翼”II型機(jī)翼還可以進(jìn)行部分變形以增加太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度。這兩種無(wú)人機(jī)安裝的是性能優(yōu)良的銅銦鎵硒柔性薄膜太陽(yáng)能電池，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了僅依靠太陽(yáng)能的長(zhǎng)時(shí)間飛行。

隨著對(duì)新能源的需求和太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能飛機(jī)也會(huì)不斷提高其飛行能力和承載重量。太陽(yáng)能飛行器已經(jīng)從無(wú)人機(jī)發(fā)展到太陽(yáng)能載人飛機(jī)。由瑞士陽(yáng)光動(dòng)力公司研制“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”有人駕駛太陽(yáng)能飛機(jī)正在進(jìn)行環(huán)球飛行。該飛機(jī)機(jī)翼上安裝有1.7萬(wàn)塊超薄高效的太陽(yáng)能電池板，翼展72米，平均時(shí)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(shí)現(xiàn)連續(xù)飛行80小時(shí)。“陽(yáng)光動(dòng)力”公司預(yù)測(cè)，30多年后，能承載300名乘客的全太陽(yáng)能飛機(jī)有望正式投入運(yùn)營(yíng)。人類將真正實(shí)現(xiàn)無(wú)燃油環(huán)保飛行的夢(mèng)想。未來(lái)還可以在太空建立空間無(wú)人航行太陽(yáng)能電站，源源不斷地向地球供電。