太阳能无人机的发展现状及应用前景

太阳能无人机的发展现状及应用前景

王 准 张玉巧

（陆军航空兵学院机载系 北京101114/讲师）

关键词 太阳能 无人机 应用

人类最早在飞行器上应用太阳能是在上个世纪60年代，目前正在研制太阳能无人机的国家有中国、美国、以色列和日本等。

一 太阳能无人机的现状

（一） 美国

1 NASA继续与私营公司研制太阳能无人机

美国航空航天局(NASA)与埃罗维洛恩芒公司(AeroVironment )签署一项协议，以延长它们在"环境研究飞行器与传感器技术"(ERAST)计划下合作研制太阳能无人机的伙伴关系。

ERAST计划是1993年开始实施的，通过为一些从事无人机研制的公司提供资助的方式，推动无人机技术的发展。受资助的公司之中包括位于加州的埃罗维洛恩芒公司。根据ERAST 计划安排，原来的合作关系到今年9月即将结束。新协议的签订将使这种合作关系延续到2007年。

埃罗维洛恩芒公司主要研制新型太阳能无人机，采用太阳能推进技术，白天用太阳能供电，晚上用蓄电池。根据新协议，该公司与NASA的德赖登飞行研究中心继续联合研制"太阳神"(Helios)原型机和"探索者-改"(Pathfinder Plus)无人机，以及它们所用的两种交流换热系统。据称，"太阳神"无人机采用此系统，理论上一次将能连续飞行6个月。2003年夏季，"太阳神"无人机将装备交流换热系统进行一系列长航时验证飞行。

2 美国德赖登飞行研究中心计划发展的太阳能无人机

美国国家航空航天局(NASA)的德赖登飞行研究中心正计划在今后14年内发展两种新型高空、长航时太阳能无人机。

第一种新型无人机称为"全球观察者"(Global Observer)，德赖登中心希望它2012财年上天。"全球观察者"将能够在与SOLEO同样高度上携带150千克(331磅)有效载荷，但航时将为30天或更多。它将继承为"太阳神"无人机研制的技术，使用再生太阳能动力系统。预计2008财年招标。

第二种是"重型起重机"(Heavy Lifter)，它能够借助类似"全球观察者"的再生燃料系统，在18000米(60000英尺)高空，携带10000千克(22046磅)有效载荷，飞30天或更长时间。预计"重型起重机"2018年上天。

3 军用太阳能扑翼无人机

人类很早很早就幻想如鸟儿般用翅膀飞行了，却迟迟未能如愿。虽然后来有了飞机，但仍不是用翅膀飞行的。而今，计算机技术和复合材料技术的发展正使人类的这个幻想越来越快地接近现实。加拿大的"大鸭掌" 是世界上第一架载人扑翼飞机，由加拿大多伦多大学的师生共同研制。它的机翼展开有12.5米长。在一台18千瓦活塞发动机驱动下，机翼能上下扑动，产生向前的推力和向上的升力。在跑道上滑行最高速度已达89.5公里/小时。但它的起飞还不尽如人意。“大鸭掌”的尝试给了世人一个小小的惊喜。

美国军方的研究机构对“大鸭掌”的信息很感兴趣。但它们的兴趣点在军用，而且是扑翼无人机，一种无人的军用“大鸭掌”。近年，它们正与密苏里-罗拉大学联合研制一种扑翼无人机。这种扑翼无人机不像“大鸭掌”那样带着活塞发动机，也与传统飞机设计不同。它并不依靠喷气或螺旋桨来提供动力，而是利用太阳能。它的机身上有太阳能收集器和太阳能电池板。当它收集了足够的太阳能时，它会像鸟儿那样拍动翅膀飞向高空；入夜，无阳光可采，它会像老鹰那样在空中滑翔，直到翌日迎来朝阳。研制这种扑翼无人机的技术关键是它的机翼。密苏里-罗拉大学的科研人员正在试用一种被称为“离子聚合体合金”的新材料制造机翼。这种新材料机翼在有电流通过时会发生变形，切断电流则恢复原状。通过开关电流可以控制机翼的拍动，而改变电压则可以控制机翼的形状与角度。例如在飞机爬升或滑翔时让机翼全部展开，而在高速俯冲时则将机翼折起收回。它的电能来自太阳能电池板。太阳能电池板具有良好的伸缩性，将构成机翼的外壳。

据美国传媒引用密苏里-罗拉大学教授伊萨克的话说，扑翼无人机体积比老鹰稍大，翼展在3米左右。它的巡航高度在3万~4万米之间。这个高度既可使它在云层之上更多收集太阳能，又能使它避开地面或空中的火力威胁。它的两翼可以按照需要每隔1~10秒钟扇动一下。它的最高速度将超过200公里／小时，因此能够迅速对地面和空中威胁做出反应。由于省去了发动机等机械部件，这种无人机的故障率也将大大降低，从而减少维护成本。它可由地面控制人员指引飞行，也可通过机载传感器和导航装置独立飞行。凭借充分吸取和储存的太阳能，其续航时间便可为几个星期。这种扑翼无人机可装载侦察设备或武器系统，担负起多种使命，将在未来战场上大显身手。

（二） 中国

一项名为“绿色先锋”的中国太阳能无人驾驶飞机探索研制计划已经正式启动，由珠海新概念航空器研究中心设计的世界首创的“复合飞翼”式太阳能无人机已经完成了原机

1／4大小的技术验证机试飞，明年底1／2比例的技术验证机也将腾空而起。这标志着我国在太阳能无人驾驶飞机研制方面取得了新的突破。

由于太阳能无人驾驶飞机综合了现代尖端科学技术，我国在这方面起步比较迟。在国防科工委的支持下，目前珠海新概念航空器研究中心已经启动的太阳能无人驾驶飞机研究项目（“绿色先锋”）还属技术探索性质，填补了我国在太阳能无人机研制方面的不足。

据“复合飞翼”号太阳能无人驾驶飞机总设计师李晓阳博士介绍，该机采用了与一般复式机翼不同的构造，不但起到了大翼展的气动作用，而且全机结构重量很轻。这种结构可在无人机上下两个翼面铺设太阳能光电管，上翼面接受来自太阳光的直接辐射，下翼面接受云层和大气微粒反射的阳光，从而使无人机接收太阳辐射能的效率显著提高。

该机1／2比例的技术验证机续航速度60公里／小时，续航时间大于10小时，活动半径大于10公里，设计升限5000米。相信整机实现试飞时，这些数据都将大大超过技术验证机。

二 太阳能无人机应用前景广阔

太阳能无人驾驶飞机由于能在高空长航时飞行而有着十分广阔的应用前景。这种飞机在发生地震、洪灾或者森林火灾时，可以替代中断的通信，使受灾地区与外界保持联络；还能在台风上空飞行，跟踪和检测暴风雨；此外还能到核爆现场采样，在预定空域长时间盘旋侦查敌情，校炮或者为战机指引攻击目标。

作者简介：

王 准（1971—），男，陆军航空兵学院机载系兵器教研室讲师，硕士。2001年毕业于北京理工大学力

学系，发表《飞行中弹体引信时钟轮系的受力分析》、《关于对附加广义坐标的处理》等。研究领域为多刚

体动力学。

Current Situation and Application Prospect of Solar Energy

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