Aquila栽在了它得意的“大翼展”上？太阳能无人机到底是什么鬼

近日，彩虹系列太阳能无人机完成飞行试验的消息一经传出，即引起关注。因为这意味着我国的太阳能无人机技术已位居世界前列。据空气动力技术研究院无人机总工程师石文介绍，这是美国NASA系列后世界上最大的太阳能无人机，性能指标和技术能力居国际前三，且有望在将来承担长时间空中预警、大面积空中侦察以及灾害监测、气象观测、通信中继等任务。据悉，彩虹系列太阳能无人机将于今年测试临近空间高度飞行，距离行业应用又近了一步。


一直以来，国外只有Google和Facebook两家公司在做民用太阳能Wi-Fi无人机。但是前不久，因为商用方面的隐忧，Google传出了砍掉Titan太阳能无人机的消息。经美国国家运输安全委员会(NTSB)调查，Facebook的Aquila太阳能无人机首飞过程中发生了一起因“结构损坏”导致的坠毁事故。虽然Facebook淡定的表示这是在测试飞机极限的“意料中”事件，后续却鲜有正面消息传出。

为什么太阳能无人机如此引发巨头关注，不惜重金投入，却又在研发过程中困难重重，最终难以实现商用的目的呢？

太阳能无人机是利用太阳光辐射能作为动力在高空连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器,它利用光电池将太阳能转化为电能,通过电动机驱动螺旋桨旋转产生飞行动力。白天,太阳能无人机依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能,维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行,同时对机载二次电源充电;夜间,太阳能无人机释放二次电源中储存的电能,维持整个系统的正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要,则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。

业内人士表示，虽然“永久”飞行在实际应用中并不存在，但这种无燃油消耗、有望实现数月甚至更长航时飞行的特点，使太阳能无人机具有较高的运行效费比。而且其机载系统较其他种类无人机更为简单，对跑道长度要求也不高。因为无燃油消耗，无需加油等保障设备。因为航时超长，可以一次性完成一些持久性的任务。

正是因为太阳能无人机具备巡航时间长,飞行高度高,覆盖区域广,可以执行多种任务,常规飞行器不可替代等优点，使其成为各国航空工业研究的热点。

但是，要研发一架这样的太阳能无人机，并非易事，需要面对诸多技术难点：

太阳能电池技术和储能系统

太阳能电池的发展水平是决定太阳能无人机性能的根本。目前在太阳能电池的研究方面进步较快,各种材质的高效电池不断涌现,但航空领域对太阳电池的要求并不仅仅是较高的转化效率,它还要求电池具有良好的物理特性,如耐高/低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。

据记者了解，研究太阳能电池技术需要的成本是非常巨大的。资料显示，美国AC公司在研制Solong无人机的4年中,，在把太阳电池与机体平台相结合的工作上花费近一年时间,其总研制费用的一半用于太阳能电池相关部分。而探路者无人机研制经费的3/4用于太阳电池相关部分。另据国外某航模网站介绍,在把A-300电池铺设于无人机翼面上的过程中,电池的损失率高达50%。

储能系统是太阳能无人机的重要组成部分，一般太阳能无人机概念设计阶段都会提出储能器应选择高能量密度、高效率的燃料电池。石文亦表示，当前高效高能量密度太阳能及储能能源系统是决定太阳能无人机性能水平的关键领域，需要密切关注大量新兴技术，包括超高效柔性薄膜太阳电池及轻质组阵技术、先进光电转换技术、高比能量储能电池技术等。

由于太阳能电池转化效率和储能电池能重比不足，推进能力有限，目前太阳能无人机高空飞行速度一般在150km/h~200km/h。

此外，一套功能强大的高效能量管理系统对于太阳能无人机来说也意义重大。通俗点说，能量管理系统的主要作用就是通过实时监测太阳能无人机各个功能组件对能源的需求量，加以合理的能量资源调配，实现让太阳能电池中吸收和储备的能量达到最佳利用，避免不合理的浪费，最终达到无人机航程与航时的最大化。

气动布局设计

太阳能无人机一般是在空气稀薄的高空飞行，飞行动压和雷诺数都比较小，此时飞机翼型的气动特性直接影响着整个飞机的气动特性，由于太阳能电池能量转化效率低，就需要较大的机翼面积和较低的翼载。如赫赫有名的Facebook的Aquila那样的巨大的翼展，是为了解决高升力带来的高诱导阻力的问题。

谈及气动布局的难题，石文表示，目前太阳能无人机的气动布局和翼型，无法套用成熟的常规飞机模板，关键在于解决气动布局优化设计问题，以提高飞机的升阻比。因为没有模板，太阳能无人机就需要有专门的设计师来设计翼型。

据悉，太阳能无人机的气动布局形势主要有常规布局和飞翼布局两种，常规布局虽然设计方法成熟，技术风险低，但仅适用于初期设计；大翼展的飞翼布局有其优势，却存在稳定性和控制性问题，太阳能无人机的气动布局设计，需要对设计多学科的先进设计方法进行综合研究。

机翼结构设计

如今国内外的太阳能无人机普遍使用轻质、高强度和刚度的复合材料结构，设计翼型的同时要满足大展弦比、低结构重量、全轻质结构和超高强度等多方面要求，是一项非常艰难的挑战。这主要是因为随着机翼结构的增大，设计变量也在增多。而且翼展越大，面临的稳定性和控制性等问题越多，在飞行过程中，大展弦比的机翼由于存在较大的柔性变形，对气动载荷的分布和全机性能造成很大影响，且这种柔性变形也会对翼面上铺设的电池造成损伤。

虽然美国国家运输安全委员会对Aquila的坠毁并未有更多具体的细节公布，但仅从“结构损坏”一词来看，估计和它138英尺的机翼脱不了干系。

由于太阳能无人机的机翼结构普遍很大，机翼的结构重量、复合材料的选择，机翼结构的布局优化等都需要综合考虑。可见，成功研发一架能够实现商用功能的太阳能无人机，不知道得薅完多少位工程师的头发啊。