太陽(yáng)能無(wú)人機

摘要：本文整理太陽(yáng)能電池對無(wú)人機發(fā)展的影響，匯總了當今世界多種小型太陽(yáng)能無(wú)人機翼展、續航時(shí)間、起飛重量，總結了國內外太陽(yáng)能無(wú)人機的發(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。