國內太陽能無人機迎革命

文 鄔旖旎

太陽能無人機其實是在太陽能飛機的基礎上實現高空連續飛行的無人駕駛飛行器。

什么是太陽能無人機？

提到太陽能無人機，我們首先來了解下太陽能飛機，太陽能飛機是以太陽輻射作為推進能源的飛機。在飛機上鋪設太陽能電池板，將光能轉換為電能，驅動飛機飛行。主要采用了傳統氣動布局，這些布局已有成熟的分析方法，技術風險低。為了提高氣動效率，大多采用大展弦比機翼，尤其是高空長航時太陽能無人機，展弦比都在30左右。多數太陽能飛機采用的為轉化效率15%～20%的單晶硅太陽電池，部分采用了多晶硅太陽電池。儲能器多為能量密度200Wh/kg左右的鋰電池。為降低全機重量，能源系統多集成于機體結構中為提高系統可靠性，太陽能飛機多采用分布式推進系統，并以直驅方式為主，只在小型太陽能飛機上采用減速驅動方式以提高螺旋槳效率。

太陽能無人機其實是在太陽能飛機的基礎上實現高空連續飛行的無人駕駛飛行器。白天，太陽能無人機倚靠機體表面鋪設的太陽能電池將吸收的太陽光輻射能轉換為電能，維持動力系統、航空電子系統和有效載荷的運行，同時對機載二次電源進行充電；夜間，太陽能無人機釋放二次電源中存儲的電能，維持整個系統的正常運行。如果白天存儲的能量能夠滿足夜間飛行的需要，則太陽能無人機理論上可以實現“永久”飛行。

國內外發展現狀

·國外起步較早，進程穩步推進

其中具有代表性的包括：飛行高度紀錄保持者，由美國“太陽神”系列無人機保持，飛行高度達到30km，是世界上飛行最高的螺旋槳驅動無人機。最為先進的是瑞士Impulse太陽能飛機，2013年在美國內華達空軍基地已經完成了24小時載人晝夜測試飛行。

·國內尚處起步階段，有待大步伐前進

我國在太陽能應用技術，移動電源儲能等領域和先進航空復合材料研發上經過多年探索也已經具備了一定基礎，為我國自主研發太陽能飛機的關鍵技術上提供了基本保障，但從領域發展來看，尚處起步階段。2014年，上海市科委對太陽能無人機及其電源系統進行前瞻布局。2015年8月，由上海奧科賽飛機有限公司協同航空航天空間電源811研究所、同濟大學航力學院聯合研制的太陽能飛機“墨子號”成功實現兩款小比例驗證機型的無人試飛，全尺寸太陽能驅動的一號機預計2016年春季完成首飛。2015年3月，由中國航天空氣動力技術研究院研制的太陽能無人驗證機飛行試驗，其翼展40余米，采用大展弦比輕質結構，系繼美國NASA系列后世界上最大的太陽能無人飛行器。

·太陽能無人機核心技術亟待解決

長航時太陽能無人機作為綜合性較強飛行器，目前存在的主要技術瓶頸包括：

1.設計問題：包括適合加載太陽能基材的飛機設計、高空低雷諾數飛行氣動布局設計、大展弦比機翼結構設計、寬帶信息傳輸與無人機控制、能源與動力設計、飛行空間材料及隱身設計、多技術目標的綜合優化設計等問題。

?

2.動力問題：太陽電池陣列對于太陽輻照轉化獲得的能量是整個無人機在白天及夜晚工作的所有能量來源，太陽電池一般鋪設在無人機大展弦比機翼的上表面，設計中盡可能多地鋪著面積，同時盡量降低太陽電池帶來的鋪設重量，在設計中著重考慮太陽輻照電流的串聯失配及弱光下的電壓并聯失配問題，同時配合電源調節的要求，將電池陣列電路設計到合理配置。目前我國太陽電池存在以下問題：第一，陣列與系統的耦合研究較少。嚴重地制約了長航時無人機的電源整體論證，對無人機總體的飛行程序、任務軌跡、飛行動力的確定造成了較大的困難。第二，轉換效率較低。由于目前太陽電池的國內轉換效率還集中在18.5%～21%，電池的厚度在200～260μm，電池的轉換效率和面密度水平有優待進一步提升，從硬件上應保證電池陣列產品的較高水平。第三，能量密度較低。太陽能無人機儲能系統盡管都選用了目前較為先進的蓄電池，但其總體的能量密度還是較低。目前在幾種典型的太陽能無人機中，儲能部分重量已經占據了1/3～1/2的起飛重量。例如美國Solong無人機起飛重量為12.6kg，其中鋰電池重5.6kg，占到了全機重量的44%。2001年飛行的太陽神無人機加裝燃料電池后全機增重362.88kg，占無人機起飛

重量的34.8%。儲能系統較大的重量百分比使得其對無人機最終的氣動布局和幾何尺寸都產生了較大影響，也是設計人員在設計初始階段重點研究的參量之一。第四，能源系統的電源管理技術較薄弱。電源控制的單元的重量和對功率的調節比率還不高，對于太陽電池陣廣泛使用的最大功率跟蹤技術的算法還不完備，有待得到大跨度提高，以提升系統的能量利用率和管理效率。

3.航電系統：需要解決飛行軟件平臺同硬件匹配度不全面、飛行軟件設置實際飛行應用的實用性，方便性，功能性缺陷問題、硬件部分，元器件的協調性匹配問題、基地站控制指令發送，接收鏈接方法單一，受地形，復雜電磁環境干擾嚴重問題、數據加密，解密基本沒有等的問題。如果不能國產化，完全自主開發，由于受到國外專利、進口等問題的制約，這可能會阻礙將來產品化的進程。

4.高效的動力總成問題：由于太陽能飛機驅動能源有限，除了載體的氣動效率外，僅僅依靠產生推力的發動機和螺旋槳在效率提升上已經不能滿足，電源輸送總線，電源分配，儲能電池、電機控制器的每一個環節都將延伸納入驅動效率設計和提升。

5.遠程通訊問題：遠程和高度的通訊保障，未來太陽能飛機應用肯定在無人駕駛體系下展開，由于自動駕駛和應用任務的復雜性，良好安全的通訊鏈路保障是確保應用的，目前研發飛機階段通訊設施和手段在業余范圍，鏈路手段單一，安全性非常低，未來不能滿足專業級應用。

6.材料及工藝問題：太陽能板材同機體復合材料的兼容和結構適用性。為了減輕重量和優化結構，需要將太陽能電池板同飛機機體復合材料整體合成是一種最優化的方案。如何匹配材料的兼容性和保障整體的結構強度，疲勞壽命和施工工藝，是目前世界上各大飛機制造公司都在尋找突破的重大課題。太陽能板的基體材料同時可否在飛機機體結構上補償強度， 整體復合后對單組電池的更換可行性影響等都有待研究和突破。

啟示和建議

打造有價值的產業聯盟，形成有競爭力的產業鏈

產業鏈的創新需要獲得上下游配合和資源支持。無人機產業目前呈現企業規模小，產業集中度較低，產業鏈上下游不完整，整體效率低下，標準化程度不高，企業服務質量層次不齊等。建議建立該產業聯盟，以聯盟為產業主體，有針對性的著眼于1-2個市場應用，加強產業鏈上下游的緊密合作，促進產業技術優化重構。以產業聯盟成員各自主導的技術優勢為切入點，更有效的進行對接，促進產業鏈系統效率，推薦產業發展。

瞄準整機核心技術，以點帶面，提升整體領域水平

以上海無人機整機單位作為核心單位，圍繞核心單位著力發揮本市具有相關技術優勢的科研單位，聚焦影響制約無人機技術和產業發展的難點問題，重點攻克影響該產業發展的“攔路虎”，在整機設計、航電系統、載荷系統等一系列技術瓶頸上進行自主突破。

促進該領域機制、體制、相關政策的建設

在發展無人機行業的同時，需加快相應的體制、機制的建設工作，為該領域的發展提供創新科技服務，創造助推無人機產業發展的良好環境。例如：由于太陽能飛機存在高、慢、大的飛行性能，實際試飛數據采集和飛行時間是保障太陽能飛機研發相當重要的環節，試飛場地和試飛空域是太陽能飛機研發和應用的必備要素。建議相關部門為核心企業提供相應的條件支撐。