“陽光動力”2改裝后展現新能力

李悅霖

“陽光動力”2改裝的太陽能無人機可攜帶136～363kg任務載荷，在4572～13716km高度持續飛行90天，充當中空偽衛星提供全新的任務能力。

在2015至2016年，“陽光動力”2（Solar Impulse 2、SL2）太陽能飛機進行了環球飛行，其中包括安德烈·博施伯格（Andre Borschberg）歷時近5天的飛越太平洋單人飛行，這次飛行改變了人們認為太陽能飛機是華而不實飛行器的看法。

如今，這個翼展為72m的綠色能源技術典范正準備扮演一個新角色即重型長航時無人機，用于商業和政府市場。這架著名的飛機已經被美國初創企業空中居住航宇公司（Skydweller Aero，下稱空中居住公司）購買，該公司由諾斯羅普·格魯門公司特別項目組織的無人機專家組建，并得到歐洲航空航天巨頭萊昂納多公司（ Leonardo）和一些私人投資者的支持。

項目背景

陽光動力公司（Solar Impulse）由博斯伯格和貝特朗·皮卡德（BertrandPiccard）在瑞士創立，于2009年試飛了一架較小尺寸的原型機。隨后，團隊為環球飛行計劃打造了2551kg的“陽光動力”2太陽能飛機，2015年3月“陽光動力”2從阿布扎比起飛，歷經17次環球飛行后于2016年7月返回地面，飛行時長558.7h，航程42438km。

在低于海拔9144m的高度為飛行員提供長達五天的飛行支持，需要飛機本身有堅固的機身和強勁的動力系統，“陽光動力”2在環球飛行時搭載了一名體重91kg的飛行員。

太陽能無人機的技術進步為高空偽衛星（HAPS）在通信和監視等應用領域開辟了一個新市場。這些太陽能無人機可在平流層停留數天、數周或數月，不受風和天氣影響。若要在18km以上的高度飛行，太陽能無人機必須有超輕的機身，搭載小而輕的任務載荷。例如，空中客車公司研制的“西風”無人機，翼展25m、最大起飛重量75kg，僅在攜帶5kg任務載荷時才保持近26天的續航記錄。

在改裝“陽光動力”2的過程中，拆除了飛行員座椅、救生裝備、救生筏、補給、氧氣、廁所和一個布滿控制器和顯示器的駕駛艙設備，使“陽光動力”2太陽能無人機能攜帶136～363kg任務載荷并保證其在4572～13716km高度飛行，這是高空偽衛星必須非常小心通過的中等高度。空客2019年有兩架“西風”太陽能無人機在爬升中因大氣湍流而墜毀。

傳統的觀點是，太陽能無人機必須極其輕和纖巧，在平流層攜帶重量輕的任務載荷飛行，但空中居住公司打破了這種產品設計理念，其目標是使“陽光動力”2攜帶更重更強大的任務載荷在中等高度無限期地飛行。

空中居住公司的運行包線是一個由緯度、年度、高度、任務載荷重量及功率組成的矩陣。每次飛行結束后，“陽光動力”2將返回基地，配置新的任務載荷和太陽能電池，為下一年度的飛行進行設備優化。

制造一架中空偽衛星會遇到諸多技術難題，風力和天氣是最大的挑戰。不過，“陽光動力”2擁有成熟的機身并已在世界各地的中等高度成功飛行，這是一個巨大的優勢。

動力系統設計

空中居住公司將“陽光動力”2太陽能無人機描述為一種中空偽衛星（MAPS），預計可持續飛行90天，在機身、機翼和尾翼的上表面安裝了超過270m2的太陽能電池，可為任務載荷提供2～20kW的電能。空中居住公司首席技術官艾倫·加德納（Allen Gardner）表示，“陽光動力”2的任務載荷能力改變了游戲規則。

空中居住公司計劃使用太陽能電池來采集和儲存晝夜飛行所需的電能，目標是在±20。的緯度范圍內全年運行，每年從春季到秋季在±40。緯度范圍內飛行6-9個月。安裝氫燃料電池后，“陽光動力”2將能在高緯度地區全年運行，不過續航時間會減小。

根據任務需要，“陽光動力”2可安裝一個可選用的氫燃料電池作為備用能源，在需要時使用。有三種飛行任務需使用氫燃料電池，一是太陽能無人機在冬季高緯度飛行，二是向上爬升為克服風力需要大功率推力提速，三是在操作大功率任務載荷。

全新的任務能力

空客前副總裁馬爾萬·拉胡德（Marwan Lahoud）認為，大多數太陽能無人機的設計者都擔心中等高度的飛行，因為它在歷史上是死亡地帶。但“陽光動力”2在中等高度的飛行能力已被成功驗證，其機身經過多次飛行考驗，擁有諸多優勢成為中空偽衛星的理想機身，空中居住公司將利用“陽光動力”2制造一種全新平臺。

空中居住公司旨在為政府客戶提供一種持久、遠程和經濟高效的平臺，用于情報、監視、偵察（ISR）、通信中繼、定位、導航和定時。商業市場包括寬帶互聯網接人、電信回程網絡和地理空間遙感。

在寬帶互聯網市場，多數人認為無人機飛得越高，信號在地面覆蓋的范圍就越大，其實不然，關鍵參數是發射功率孔徑，覆蓋范圍是由無線電任務載荷的尺寸和功率決定。空中居住公司首席戰略官約翰·帕克斯（John Parkes hA為，利用太陽能無人機打開電信市場的關鍵是生產足夠的電能，支持新興的5G網絡任務載荷。

HAPS的任務載荷重量和功率很小，無法將寬帶網絡信號覆蓋到地面，因此它們在高空停留幾乎沒有什么功效，而空中居住公司的新型太陽能無人機，能充當中空偽衛星在中等高度運行，搭載大尺寸、大功率孔徑無線電任務載荷覆蓋更大范圍的帶寬通信。

空中居住公司稱，谷歌地圖（Google Maps）等公司在線地圖服務所使用的高分辨率圖像大多是由中低空飛機搭載功能強大的攝像機采集。標準的攝像傳感器是維克塞爾成像公司（Vexcel Imaging ）4.5億像素的高分辨率攝像機（Ultra CamEagle），它可以在4572km高空拍攝10cm分辨率的圖像，但重量高達68kg，耗電400W。空中居住公司表示，不能把一個4.5～22.7kg任務載荷的HAPS與中低空飛機的航攝能力相比，而且這種飛機的工作距離是HAPS的四倍。空中居住公司計劃在太陽能無人機上安裝高分辨率攝像傳感器。

“陽光動力”2在情報、監視與偵察市場上更像是通用原子航空系統公司的MQ-1C或MQ-9無人機而不是諾斯羅普·格魯門的RQ-4“全球鷹”。該太陽能無人機可以攜帶與MQ-1C或MQ-9相同的內部傳感器套件，基本實現靜音飛行，且能在高空持續飛行更長時間。

傳統的長航時無人機執行情報、監視與偵察任務，雖然可以在距離空軍基地數百千米的地方執行全天候任務，但缺點是需要多架無人機。

空中居住公司表示，假設一架長航時無人機能在93km處停留8h，那么至少需要3架無人機持續盤旋才能執行24h任務，再加上周轉時間和維修保養，則最終每個運行軌道需要4到5架無人機。空中居住公司的新型平臺只需使用一架太陽能無人機即可提供全天候持續執行任務，降低后勤保障成本。

通過減少每個軌道所需的無人機數量、人力、維修和燃油等成本，空中居住公司的無人機可顯著降低成本。最重要的是，有望完全消除建立前沿作戰基地的需要，從而消除人員風險以及在外國領土上建立、配備和維持基地的費用。

美國是為數不多的幾個擁有政治和財政資源的國家之一，可以在世界各地建立和運營軍用飛機前沿作戰基地（FOB）。即使是續航時間為5-10天的飛機，如極光飛行科學公司的“獵戶座”（Orion）或波音的“幻影眼”（PhantomEye）.也需要建立前沿基地和設置多架飛機。

制造出一架攜帶重型任務載荷的長航時太陽能無人機，將會對全球無人機動力系統產生重大影響。空中居住公司正在制造這種新型無人機，預計2020年實現機上無人駕駛飛行。