一、太陽能無人機(jī)概述

近年來，隨著飛控、導(dǎo)航、氣動等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）被廣泛用于前沿的工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域，無人機(jī)的種類也越來越多、越來越精分細(xì)化，并且發(fā)展速度異常強(qiáng)勁。太陽能無人機(jī)作為一種能源綠色環(huán)保的無人飛行器，憑借自身獨(dú)特的性能優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外眾多工程師的青睞與研究。太陽能無人機(jī)的特點(diǎn)是通過太陽能提供能源，來增加自身的續(xù)航時(shí)間，使其可在廣闊的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)，功能相當(dāng)于空中衛(wèi)星。近年來，太陽能無人機(jī)在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的功能，例如，有些國家把太陽能無人機(jī)用在天氣預(yù)測、高空巡視監(jiān)管、自然環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)、移動通信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及地形測繪等。現(xiàn)階段，越來越多的國家都積極投身于發(fā)掘與探索太陽能無人機(jī)，以期在未來無人飛行器研究領(lǐng)域占得一席優(yōu)勢地位。

目前，關(guān)于太陽能飛機(jī)的相關(guān)研究雖取得了一定的階段性成果，但對飛機(jī)的氣動特性、結(jié)構(gòu)重量、強(qiáng)度等方面的要求愈加苛刻，這無疑給太陽能無人機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了更大的挑戰(zhàn)，從而迫使其在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做出進(jìn)一步的改變。

復(fù)合材料的明顯優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、有較高的比強(qiáng)度和比剛度，現(xiàn)已成為航空領(lǐng)域中必不可少的材料，也是無人機(jī)結(jié)構(gòu)減重的最佳選擇。復(fù)合材料與其它結(jié)構(gòu)材料最大的不同是它可以進(jìn)行更多復(fù)雜的設(shè)計(jì)，具體表示為通過不同的鋪疊方式來實(shí)現(xiàn)。

世界上第一架以太陽能為動力的無人機(jī)“Sunrise I”誕生于美國，開啟了人類歷史上對太陽能無人機(jī)研究的序幕。隨著時(shí)間的推移，越來越多國家的研究者發(fā)現(xiàn)無人機(jī)可以通過太陽能來實(shí)現(xiàn)長時(shí)間飛行的重要性，此后英國、意大利、瑞士、中國等國家也相繼開始對太陽能無人機(jī)展開相關(guān)研究。

2019 年，瑞士制造的 “陽光動力” 2 號太陽能無人機(jī)如圖 1.1 所示，經(jīng)過一系列優(yōu)化改造再次完成了飛行測試，它比之前其它類型的太陽能無人機(jī)更大、更重，有著 72 米展長的機(jī)翼，整個(gè)翼面鋪滿了 2KW 的太陽能電池板，其飛行高度可達(dá) 14,000 米，飛機(jī)負(fù)載重量達(dá) 362 千克，可以持續(xù)飛行 30-90 天，飛行時(shí)間由實(shí)際的緯度，陽光的強(qiáng)度和太陽能電池板產(chǎn)生的能量決定。飛機(jī)主要用于科學(xué)研究及環(huán)保監(jiān)測，包括大氣探測及通信中繼等，也可在自然災(zāi)害期間提供環(huán)境檢測和地理空間測繪的支持。

2020 年 2 月，英國某公司開發(fā)了一款翼展長達(dá) 35 米的新型太陽能無人機(jī)，并在某試 驗(yàn)基地完成了首次飛行測驗(yàn)，如圖 所示為 PHASA-35 無人機(jī)。它具備飛行高度高和續(xù) 航時(shí)間久的特點(diǎn)，依靠自身的電池壽命和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)可在高度為 21 千米的空中持續(xù)飛 行數(shù)月，整機(jī)總重可達(dá) 150 千克，并且可以額外裝載 15 千克的通用設(shè)備，整體機(jī)身采用 了特殊的復(fù)合材料。在高空作業(yè)時(shí)具有較高的靈活性，可在特殊緊急情況下迅速取得聯(lián)絡(luò)，也能為偏遠(yuǎn)山區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。此無人機(jī)可在平流層飛行，并且不受天氣和空中交通管制影響，因此可以在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間觀測。

2020 年 8 月，韓國某研究所研制了一種大展比輕質(zhì)太陽能無人機(jī)，并在本土完成了空中飛行測試。如圖 1.3 所示為 EAV-3 號太陽能無人機(jī)，其翼展為 20m，機(jī)身為 9m，機(jī)翼表面鋪覆了大量的太陽能電池板。它的飛行高度為 22 千米，創(chuàng)造了韓國無人機(jī)在平流層飛行高度的歷史記錄，并且擁有超高輕的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。

2021 年 9 月，空客公司的新型西風(fēng)系列太陽能無人機(jī)通過不斷升級改造，順利的結(jié) 束了最新一輪的飛行工作，其翼展為 25m，整個(gè)翼面幾乎全部鋪覆太陽能電池板，“西風(fēng)” S 號太陽能無人機(jī)在高空巡航時(shí)如圖 1.4 所示，其搭載了先進(jìn)的系統(tǒng)載荷且具有更優(yōu)態(tài)勢 感知的作戰(zhàn)價(jià)值，此次它的飛行高度為 23，000 米，創(chuàng)造了無人機(jī)飛行高度新的世界紀(jì)錄， 也預(yù)示著太陽能無人機(jī)相關(guān)研究取得了重大進(jìn)展。

目前，國內(nèi)對太陽能無人機(jī)的探索大部分集中在高校和科研院所，標(biāo)志的有西工大的“魅影”號、南航的“靈翼”號、航天十一院的“彩虹”太陽能無人機(jī)等，大部分針對可持續(xù)飛行相關(guān)問題進(jìn)行研究，并且近年來都取得了些許成果。

三、復(fù)合材料在太陽能無人機(jī)中的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料以其特有的優(yōu)良性能在航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛使用，尤其是近年來，隨著工業(yè)制造的迅速發(fā)展、研究方法的不斷深入、技術(shù)成型工藝逐漸成熟以及高科技設(shè)備的挖掘使用，使復(fù)合材料的整體性能大大提高，并且其成本與金屬材料相比也在逐漸降低。

起初，復(fù)合材料主要用于小型非主體結(jié)構(gòu)，隨著復(fù)合材料的特性和優(yōu)勢的發(fā)展，越來越多的復(fù)合材料被用于制造大型主承力部件，如今，復(fù)合材料被用于飛行器的整體結(jié)構(gòu)上，反映了當(dāng)今航空工業(yè)中復(fù)合材料先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造水平。

在國外，新型 F-22 飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)使用的超輕復(fù)合材料超過了 24%；歐洲國家研發(fā)的“惡魔”無人機(jī)，其主要受力部件全部由復(fù)合材料制成，此外，波音 787 飛機(jī)的復(fù)合材料使用約占 52%。2015 年 1 月，由 ArcturusUAV 公司設(shè)計(jì)和制造的 T-20 固定翼無人機(jī)如圖1.8 所示，機(jī)身整體使用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)形式，使整體結(jié)構(gòu)重量顯著降低。

復(fù)合材料是無人機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的材料，在減輕機(jī)體重量、增加有效載荷、提升飛行時(shí)長等方面占據(jù)著重要地位，比如著名的 “全球鷹”大展比無人機(jī)，整體使用的復(fù)合材料約為 65%，它代表了現(xiàn)階段大展弦比無人機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用趨勢。

由 Facebook 公司開發(fā)的 Aquila 無人機(jī)如圖 1.9 所示，它是一種全碳纖維復(fù)合材料的太陽能無人機(jī)，已成功完成了兩次飛行試驗(yàn)，其目標(biāo)是用一種全新的設(shè)計(jì)打破未來無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，此設(shè)計(jì)最大限度地借助了先進(jìn)復(fù)合材料的優(yōu)勢。

四、市場現(xiàn)狀

國際太陽能無人機(jī)的發(fā)展至今經(jīng)歷了4個(gè)主要階段，目前正在努力朝著第5個(gè)階段——全面應(yīng)用階段發(fā)展，即機(jī)體、能源系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)很長的使用壽命，太陽能無人機(jī)將擁有長達(dá)數(shù)月乃至數(shù)年的留空能力。

我國雖然發(fā)展時(shí)間短，但在國家的重視下，同樣碩果累累，已在太陽能無人機(jī)市場上占有一席之地。2015年問世的墨子號，由上海一家公司與同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合研制，該機(jī)翼展14m，太陽能電池板鋪設(shè)面積約10m2，有效載荷7kg，于2016年順利首飛。“彩虹”T4環(huán)保型太陽能無人機(jī)的誕生，意味著我國成為世界上除了美國之外，第二個(gè)能夠研制超長航時(shí)太陽能無人機(jī)的國家。其采用太陽能作為動力源，最大特征是續(xù)航時(shí)間長和巡航高度高。

太陽能無人機(jī)兼具航空飛行器和航天飛行器的部分優(yōu)點(diǎn)，具有高空飛行、持久留空、質(zhì)量輕、節(jié)能環(huán)保、使用維護(hù)費(fèi)用低，方便靈活的特點(diǎn)，飛行于臨近空間，堪比“準(zhǔn)衛(wèi)星”，可以作為低軌道人造地球衛(wèi)星的替代方案，提供比目前低地球軌道衛(wèi)星更經(jīng)濟(jì)、更通用的各種服務(wù)。從國內(nèi)外太陽能無人機(jī)的發(fā)展成果和應(yīng)用規(guī)劃看，其不僅在通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有廣闊的前景，在巡視監(jiān)測、探測預(yù)警、情報(bào)收集及其他軍民領(lǐng)域也將發(fā)揮重大作用。2020年我國太陽能無人機(jī)市場規(guī)模為22359萬元，2022年我國太陽能無人機(jī)市場規(guī)模32331萬元。

五、小結(jié)

隨著技術(shù)進(jìn)步，太陽能無人機(jī)（UAV）成為研究焦點(diǎn)，特別是其在長時(shí)間飛行和環(huán)保方面的潛力。本文概述了太陽能無人機(jī)的發(fā)展歷程、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、以及在減輕結(jié)構(gòu)重量、提升飛行時(shí)長等方面復(fù)合材料的關(guān)鍵作用。介紹了多個(gè)國家在太陽能無人機(jī)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，包括瑞士的“陽光動力2號”、英國的PHASA-35等，并強(qiáng)調(diào)了中國在這一領(lǐng)域取得的成就。太陽能無人機(jī)以其高空飛行、持久留空的特點(diǎn)，被視為低軌道衛(wèi)星的替代方案，預(yù)示著在通信、監(jiān)測、探測等多個(gè)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。