太陽(yáng)能助力無(wú)人機發(fā)展

引言

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

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

1 太陽(yáng)能電池

早在一百多年前，人們就開(kāi)始研究光能產(chǎn)生電的效應。太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應或者光化學(xué)效應直接把光能轉化成電能的裝置。1958年美國研制成第一塊n/p型單晶硅太陽(yáng)能光伏電池，并用于衛星的供電。太陽(yáng)光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場(chǎng)的作用下，光生空穴由n區流向p區，光生電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽(yáng)能電池的工作原理(圖1)。太陽(yáng)能電池的制作需一個(gè)復雜的過(guò)程(圖2)，由于晶體硅太陽(yáng)能電池轉換效率高、工作穩定性、壽命長(cháng)、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)異特性，目前光伏市場(chǎng)上應用量最多。無(wú)人機對于太陽(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)人機的產(chǎn)生

早在20世紀中葉人們就尋求設計一種以太陽(yáng)輻射作為推進(jìn)能源的飛機。太陽(yáng)能飛機的動(dòng)力裝置由太陽(yáng)能電池組、直流電動(dòng)機、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，飛機上應有較大的攝取陽(yáng)光的表面積，以便鋪設太陽(yáng)電池。

世界上首架太陽(yáng)能無(wú)人機由美國AstroFlight公司R.J. Boucher設計，無(wú)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(yáng)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(wú)人機在100m左右的高度飛行了大約20分鐘。隨后他又設計研制一個(gè)改進(jìn)的太陽(yáng)能無(wú)人機“Sunrise II”。該無(wú)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(yáng)能電池板，比第一架無(wú)人機上的電池板效率提高了14%，總功率已達600W。

3 太陽(yáng)能無(wú)人機的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體布局

太陽(yáng)能無(wú)人機通常設計有大展弦比機翼，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更多的太陽(yáng)能電池板，另一方面在承載無(wú)人機必要的重量情況下以減小阻力而減少動(dòng)力能源(太陽(yáng)能轉換的電能)的消耗。

3.2 結構

為了減少能耗，太陽(yáng)能無(wú)人機結構比一般無(wú)人機設計得更輕，同時(shí)要保證足夠的強度。目前，結構(骨架、蒙皮)多半采用輕質(zhì)非金屬材料，其中主要承力結構通常采用碳纖維復合材料。碳纖維樹(shù)脂復合材料不但重量輕，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(diǎn)。

由于太陽(yáng)能無(wú)人機的機翼長(cháng)和結構輕，細長(cháng)機翼結構的剛度小。無(wú)人機飛行中的空氣動(dòng)力和無(wú)人機機體彈性結構之間會(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)人機機翼上的氣動(dòng)力(包括氣動(dòng)力矩)和結構變形會(huì )越來(lái)越大，當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”，而導致機翼或機身斷裂。美國早期的“太陽(yáng)神”無(wú)人機就曾經(jīng)因機翼發(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)人機的結構要精心設計，如可通過(guò)碳纖維鋪層分布和鋪層方向的優(yōu)化設計，來(lái)克服氣動(dòng)彈性(空氣動(dòng)力和彈性結構之間的相互作用)的不良影響和陣風(fēng)響應問(wèn)題，避免無(wú)人機結構“氣動(dòng)彈性發(fā)散”和“顫振”的發(fā)生，防止可能導致結構變形發(fā)散而斷裂。

3.3 適于無(wú)人機的太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能無(wú)人機的動(dòng)力來(lái)源。適于無(wú)人機的太陽(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，以便于鋪設在機翼或其他機體的外表面。

太陽(yáng)能電池按結晶狀態(tài)可分為兩類(lèi)：結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式。

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雜，如多元化合物電池就需經(jīng)過(guò)反應濺射、熱蒸發(fā)、清洗、激光切割和封裝等精細加工過(guò)程。為了適于安裝于無(wú)人機表面，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)能飛機動(dòng)力和承載能力的基礎。所謂太陽(yáng)能電池板的轉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面積或增加承載重量。

3.4 太陽(yáng)能無(wú)人機的夜間航行

太陽(yáng)能無(wú)人機要實(shí)現晝夜連續飛行，晚上沒(méi)有太陽(yáng)光要靠?jì)δ芟到y把白天吸收的太陽(yáng)能轉化的多余電能存儲起來(lái)(如鋰電池)，以備夜間飛行使用。夜間無(wú)人機飛行要執行與白天不一樣的飛行模式。夜間飛行，為了節約能源，通常采取無(wú)動(dòng)力“滑翔飛行”和有動(dòng)力飛行相結合的方式。由于太陽(yáng)能無(wú)人機具有大展弦比機翼和輕結構特點(diǎn)，因此具備優(yōu)良的滑翔能力。當無(wú)人機進(jìn)行一定滑翔角飛行時(shí)，由于相對氣流產(chǎn)生的“迎角”，即使沒(méi)有動(dòng)力，也會(huì )產(chǎn)生一定的升力，從而節約能量。當然，太陽(yáng)能無(wú)人機必須具有先進(jìn)的自主控制飛行與導航能力。夜間飛行還需要無(wú)人機設計有執行滑翔飛行的自動(dòng)控制程序和不同飛行模式之間自動(dòng)轉換等功能。

3.5 太陽(yáng)能無(wú)人機的電子系統

太陽(yáng)能無(wú)人機與其他無(wú)人機一樣都需要先進(jìn)的電子系統。目前人們普遍接受美國在“無(wú)人機系統線(xiàn)路圖”提出的概念，用“無(wú)人機系統(UAS：Unmanned Aircraft System)”代替原來(lái)的“無(wú)人機(UAV)”的提法。換句話(huà)說(shuō)，通常我們說(shuō)“無(wú)人機”，應是對“無(wú)人機系統”的簡(jiǎn)稱(chēng)。無(wú)人機系統是指無(wú)人機空中平臺及與其配套的任務(wù)設備、數據鏈、地面測控站、起飛(發(fā)射)回收裝置以及地面保障設備等的統稱(chēng)。

無(wú)人機的自主飛行控制與導航系統包括集多種傳感器與微處理器的控制、衛星導航接收機，執行飛行器姿態(tài)控制和規劃路線(xiàn)導航控制，目前向智能控制發(fā)展。

無(wú)人機信息傳輸系統廣義上包括任務(wù)載荷傳感器和信息傳輸。任務(wù)載荷是根據不同任務(wù)使命的微型飛行器而設計的不同機載任務(wù)設備，如偵察設備、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)人機最基本的任務(wù)傳感器。還包括對任務(wù)設備的控制，如任務(wù)設備轉動(dòng)平臺，跟蹤目標控制模塊等。信息傳輸包括機載信息和地面信息的數據處理。

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

4 太陽(yáng)能無(wú)人機的發(fā)展

由于太陽(yáng)能無(wú)人機具有長(cháng)航時(shí)與無(wú)污染能源的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展受到各國的重視。目前，太陽(yáng)能無(wú)人機主要計劃用于高空長(cháng)航時(shí)偵察或監視，可在幾萬(wàn)米空中連續晝夜偵察以部分替代偵察衛星的功能。比較著(zhù)名的太陽(yáng)能無(wú)人機是美國NASA資助AeroVironment公司研制的 “太陽(yáng)神”號無(wú)人機。該機是矩形飛翼式布局，翼展75米，身長(cháng)2.4米。裝有65000片太陽(yáng)能電池塊，可提供40千瓦電能驅動(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，可達到22800米的高度。2013年美國Titan Aerospace公司推出兩種solara太陽(yáng)能無(wú)人機：50型和60型，計劃連續飛行5年。

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

英國“西風(fēng)7”太陽(yáng)能無(wú)人機，是目前實(shí)際連續飛行最長(cháng)的無(wú)人機，由3～4人手持起飛，最大飛行高度可以達到40000米，續航時(shí)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。

我國也有多個(gè)單位在研制多種太陽(yáng)能無(wú)人機。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，翼展有4.5米和6米兩種，其中“靈翼”II型機翼還可以進(jìn)行部分變形以增加太陽(yáng)光的照射強度。這兩種無(wú)人機安裝的是性能優(yōu)良的銅銦鎵硒柔性薄膜太陽(yáng)能電池，已經(jīng)實(shí)現了僅依靠太陽(yáng)能的長(cháng)時(shí)間飛行。

隨著(zhù)對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)人機發(fā)展到太陽(yáng)能載人飛機。由瑞士陽(yáng)光動(dòng)力公司研制“陽(yáng)光動(dòng)力2號”有人駕駛太陽(yáng)能飛機正在進(jìn)行環(huán)球飛行。該飛機機翼上安裝有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飛行，目前已實(shí)現連續飛行80小時(shí)。“陽(yáng)光動(dòng)力”公司預測，30多年后，能承載300名乘客的全太陽(yáng)能飛機有望正式投入運營(yíng)。人類(lèi)將真正實(shí)現無(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。