我国太阳能无人机可实现永不着陆美媒担心其成为东风-21D的眼睛

  在近空间飞行器领域，各国主要研究的热点聚焦在平流层飞艇、浮空气球和长航时无人机三个方面。当然这三个领域乍一听起来比较陌生，不如战斗机、轰炸机、航母等话题引人注目，但笔者想说的是，上述三个领域的研究和技术突破同样意义重大，不光是民用领域，或许军用领域的应用更重要。本文将以太阳能无人机为例，着重探讨长航时无人机话题。

  太阳能无人机，顾名思义，即以太阳能为动力的一种飞行器。说起太阳能无人机，就必须提无人机，无人机的诞生起源于第一次世界大战期间，有人说战争可以推动科技的发展和进步，其实这句话有一定的道理。一战时期，相关科研人员就在思考这样一个问题：能否研制一种这样的飞机，既能替代战斗机完成轰炸任务，又不会造成飞行员伤亡。现在来看这种思维，即无人机发展的萌芽时期。

  有了想法，自然要去实现，随后英国开始了名为“AT计划”的研究工作，经过多次试验终于成功将无线电遥控器安装在了一架小型飞机上，并且于1917年这架无人机完成了试飞。

  而世界上首架太阳能无人机由美国AstroFlight公司设计并研制，名为“Sunrise”无人机，于1974年试飞成功，但此时的太阳能无人机性能有限，当时只在距离地面100m的高度飞行了20min左右。

  不得不承认的是美国在无人机研制方面的确技术实力丰沛雄厚，以军用无人机为例，美国拥有“骑士无人机”、“影子200无人机”、“猎人无人机”等多种型号，而且美国在续航能力方面不停地改进革新，早在2002年就开启了下一代无人机的研制。

  此外，美国新一代太阳能无人机“大力神”已经试飞成功，据称这款无人机可以连续飞行6个月左右的时间，飞行高度保守估计在22800米左右。

  就太阳能无人机方面的研制，目前来说技术很成熟的有美、英两国，我国是第三个掌握这种技术的国家。

  谈到我国太阳能无人机，有两款代表型号，1）“彩虹-T4”太阳能无人机，2）“启明星50”太阳能无人机。

  首先来看“彩虹-T4”太阳能无人机，翼展达45米，极限升空高度保守估计20000米，留空时间在24小时左右。

  再来看“启明星50”太阳能无人机，于2022年9月3日成功试飞，翼展达到了惊人的50米，巡航高度至少也在20000米以上，可以说相对于“彩虹-T4”有了质的跨越。这是因为翼展越宽，无人机在上升过程中升力会越大，即升阻比有了显著提高。通过上图不难发现，其翼展很大，而机身表现为“狭长”，相对来说小很多。暂且不论这种设计下强度是不是达标，这是因为想依靠太阳能升到平流层高度，就一定要采取这样的设计，反观其他几个国家高空太阳能无人机，也是这种设计布局。“启明星50”也是继“彩虹-T4”之后，国内最先进的太阳能无人机。

  再加上未来对其持续改进，完全有可能做到飞行几个月时间，甚至更长，这也是为什么很多人称太阳能无人机可以“永不着陆”的原因。

  总的来说，发展、研制无人机有三个技术难题，分别是太阳能的有效转换、夜间以及极端环境情况下能源供应和先进的复合材料问题。

  其一、太阳能的有效转换。太阳能无人机的动力来源太阳辐射，然后太阳能电池再将太阳能转换为电能，进而驱动螺旋桨产生动力。但是，问题来了，怎么样才可以使太阳能高效转换为电能。这里引入“比功率”的概念，用其来衡量太阳能电池的转换性能，即该值越高，可更高效将太阳能转换为电能。

  这里举几种比功率较高的几款太阳能电池，CIGS柔性薄膜太阳能的转换效率为27.6%，砷化镓柔性薄膜太阳能电池的转换效率已经高达30%，而后者是很有代表性且很先进的一款太阳能电池。通过以上两个数据能够正常的看到，有效转换率依旧比较低。目前最先进的当属多结太阳能电池，其转换效率为46%，但是其技术方面的要求和造价都很高，一般常见使用于人造卫星。

  其二、夜晚以及极端情况下太阳能无人机的能源供应。在白天或者太阳直射较好的情况下，无人机不用过于担心能源问题，但是假设一种情况，夜晚或者太阳辐射强度较弱的时候，如何保证能源供应成为了第二个难题。

  此时就需要蓄电池所储存的电能来保证能源供应，目前来说太阳能无人机主要使用锂离子电池来作为蓄能系统，而且同时需要仔细考虑一个问题，即使用的蓄电池重量要足够轻，而高能量密度便能解决这一个问题。目前具有代表性的为松下生产的NCR18650b锂离子电池，其单位体积内的包含的能量达到了250Wh/kg，已经具有相当优异的性能。

  其三、先进的复合材料问题。不同于战斗机和轰炸机有动力强劲的发动机作为动力源，相对来说，太阳能无人机的动力有限，而且要长时间在平流层执行相关任务，则在无人机设计之初，就需要保证无人机在满足强度和设计标准的条件下重量足够的轻，这样才可以在动力有限的情况下上升到既定的高度。

  而复合材料则成了首选，是因为其有多种好处，如比强度高、抗疲劳能力强、热线胀系数小等优势。一款先进的无人机复合材料的使用可占总材料用量的90%以上，而且复合材料还拥有非常良好的抗腐蚀和抗老化性能，这对于太阳能无人机在复杂环境下长时间飞行很重要。举例来说明，比如碳纤维、玻璃纤维复合材料等。

  以美国“全球鹰”无人侦察机为例，整机起飞重要仅有11640kg，对外售价更是高达4.9亿美元。

  先来说笔者本人的答案，作者觉得其未来在军用领域的应用可能大于民用领域，下面来解释为什么。

  首先，就其造价成本来说，没有战斗机乃至轰炸机昂贵，而且后期的维护费用较低。其次，常规使用的寿命长，可执行多种任务。再有，太阳能无人机飞行的高度大多在平流层，这是很多战机没办法抵达的高度，而且假设用于实战，对方很难使用武器将其击落。

  就其民用来说，可以充当“卫星”的作用，比如保障偏远地区的移动通信，还可作为某些特定的程度意义上的“预警机”，比如自然灾害的预警等等。

  从军事角度来看，其应用场景范围将更广。假设在战争场景下，在战争即将开始时，可将少数的太阳能无人机升空，从而大面积收集情报，其侦察机的作用，做到对整个战局的把控，还可将其使用于海域监督等领域。

  而且就其侦查效果来看，可能在效果方面甚至比侦查卫星还要好，原因很简单，因为其距离地面近。

  回到文章开头，美媒甚至担心我方太阳能无人机成为东风-21D导弹的眼睛，从某些特定的程度上来说，有了太阳能无人机，我方导弹打击精度将会得到不小的提升，东风-21D也将成为更强大的“利剑”！

  ［1］武明建.变体太阳能无人机设计与能量优化[D].南京航空航天大学,2018.

  ［2］石庆华,曹正华.无人机复合材料设计/制造关键技术[J].航空制造技术,2010(24):40-43.

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