像鸟一样飞行的自主化太阳能无人机

太阳能是目前世界上存在最为广泛、储量最为巨大且持续的可再生清洁能源,但也存在分散性、不稳定性和能量转化效率较低、相关技术成本较高等缺点,限制了其在工业及军事领域的大规模应用。


据美国海军官网5月17日报道,其海军研究实验室(NRL)下属的“太阳能光伏与自主化飞行”项目正与海军陆战队远征能源办公室(E2O)一起,致力于为无人平台提供性能更好、造价更低的太阳能转化、储存及供应技术,使其具备执行全时段ISR任务的能力。

NRL运载工具研发分部和光伏发电分部的科研人员正在无人机(UAV)技术快速发展的基础上验证并完善其自主化飞行概念。他们的研究主要关注如何利用太阳能光伏发电技术大幅延长无人机的续航时间,从而减少前线无人机使用单位所需携带的电池或燃料数量,提升无人机的作战半径。

航空工程专家丹·爱德华兹博士表示,NRL已经对SBXC无人滑翔机进行了改装,将太阳能光伏技术和自主飞行技术进行组合,并实施了2次超过10小时的验证飞行。他指出,NRL的研究成果包含“自主飞行算法和太阳能光伏技术如何高效捕获环境中的能源,具有极高的应用价值”。


用于验证的SBXC无人滑翔机在两翼中段安装了NRL定制的太阳能光伏阵列,替换了原先的机翼组件,该阵列由电源管理和分配系统将来自太阳能电池阵的功率转换为直流电,用于驱动推进电机和为智能电池充电。此外,无人机的自主软件算法可监测环绕飞机的局部垂直气流,控制围绕附近的上升气流盘旋——类似鸟类一样。为了单独评估太阳能光伏阵列的性能,研究人员在2次验证飞行中都关闭了自主软件算法,但允许无人机进行所谓的“被动飞行”,即在预定飞行路径上随上升气流爬升时关闭发动机。

2016年10月14日,NRL的技术人员将SunPower公司生产的太阳能光伏阵列安装在一架无人机上,使其实现了10小时50分钟的续航,该机电池电量在起飞前为95%,着陆后仍有10%之多。当天的热气流活动强度较好,40%的飞行时间，无人机都处于电机关闭状态,太阳能光伏阵在此期间为飞机电池充电。

2017年4月19日,无人机搭载Alta设备公司生产的太阳能光伏阵列再度升空,共进行了11小时2分钟的持续飞行。更令人惊讶的是,该机起飞前电量为90%,着陆时仍保留着26%的电量。而且当天热气流活动较弱,电机在整个飞行过程中几乎始终处于运行状态,飞机在正午前后仅依靠太阳能光伏阵列供电就能达到巡航速度。

爱德华兹称,两次验证飞行充分表明,“借助上升的热气流和一定的太阳辐射能够显著提升无人机的续航时间,后续测试将重点尝试提高太阳能电池效率,并对太阳能充电能力和自主飞行能力进行结合、优化和权衡”。