神秘的太陽能無人機

趙岷

在古希臘神話中，有這樣一個故事：伊洛卡斯父子在戰(zhàn)爭中被打敗，為了逃跑，他們用繩子和蠟將羽毛固定在胳膊上，然后朝著太陽的方向飛去，在接近太陽時，因蠟被融化，羽毛脫落，墜海而死。伊洛卡斯父子懂得模仿鳥兒飛翔，但沒有想到高溫會將蠟融化，使羽毛脫落。如今真的出現(xiàn)了能朝著太陽飛，而且必須依靠陽光才能飛行的飛行器——美國航空航天局（NASA）正在秘密研制的太陽能無人機，它用現(xiàn)代復合材料代替了蠟，用復雜的結(jié)構(gòu)代替了鳥翼，可長時間地遨翔在萬里藍天。下面我們就來看一看這種神秘的太陽能無人機的近況、相關(guān)技術(shù)、主要型號及其用途。

NASA對太陽能無人機的研究

用太陽能作為飛機的能源，這種想法由來已久，也有人嘗試過，但真正開始進行型號研制并取得進展卻是近年來的事。美國航空航天局（NASA）經(jīng)過多年的研究之后，提出了一個稱為ERAST（即環(huán)境研究飛機和傳感器技術(shù)）的計劃，實際上就是美國的發(fā)展太陽能無人駕駛飛機計劃。這個計劃一直在秘密實施，直到近來才先后向外界透露了一些情況。

據(jù)介紹，目前這項計劃進展得比較順利，已經(jīng)有四種型號的太陽能無人機樣機先后問世。最早的型號是“探索者”（Pathfinder），其后是稱為“探索者＋”（PathfinderPlus）的改進型，第三種型號叫“百人隊長”（Centurion），最新的型號是“太陽神”（Helios）。

這四種型號的太陽能無人機，都是位于加里福尼亞州的大氣環(huán)境公司所制造，并且先后開始試飛。在試飛中，它們曾創(chuàng)造了兩個方面的記錄：一是首次實現(xiàn)了太陽能動力飛行；二是創(chuàng)造了螺旋槳無人機飛行高度達到20000米以上。這兩項記錄的每一項都意味著太陽能無人機向成功和實用邁出了非常重要的一步。特別是實現(xiàn)了太陽能動力飛行，標志著這種飛行器長時間、長距離的不著陸飛行將成為可能。在理論上，只要不出現(xiàn)機件損壞，它的續(xù)航時間和航程都是無限的。

最先打破這兩項記錄的是“探索者”太陽能無人機。它不但成功地使用了太陽能作為飛機的動力能源，而且能在20000米以上的高空正常使用。在此之前，飛行高度達到20000米以上仍能保持正常飛行的只有為數(shù)不多的幾種飛機，其中包括美國的U－2高空偵察機、前蘇聯(lián)的M－55高空偵察機、美國的SR－71偵察機和最近因失事而全部停飛的法英合作研制的“協(xié)和”號運輸機。況且這些都是噴氣式飛機，而螺旋槳飛機至今無人企及。這主要是因為在這個高度上空氣比較稀薄，只相當于火星表面的空氣條件，飛機長時間飛行很困難，也很危險。飛行員要穿著性能非常可靠的抗荷服，發(fā)動機要有良好的高空工作性能，螺旋槳要有在高空使用的能力。對于太陽能無人機來說，由于無人駕駛，因此無須考慮飛行員的生存和工作條件。

要想使飛機能在20000米以上的高空條件下飛行，必須提供足夠的升力。解決這個問題，對于低速飛機來說通常的辦法是選擇合適的翼型、加長翼展、加大機翼面積，以盡可能地增大飛機的升力，同時也要千方百計地減輕飛機重量。因此，我們從本文的插圖中可以看到，這些太陽能無人機的翼展都很長，翼面積非常大，而且主要是采用比較輕的新型材料制作的。

現(xiàn)在研制的幾種太陽能無人機的翼載荷都很小，如“太陽神”太陽能無人機，其翼載荷還不到3公斤/平方米。為了作到這一點，生產(chǎn)廠家不得不在機翼上全部采用新型的復合材料，如卡夫拉、碳纖維、奧美絲等，以及用優(yōu)質(zhì)的膠卷膜片作為機翼蒙皮。這樣的機翼，不但重量輕、翼載荷小，而且具有良好的柔韌性，可防止機翼在飛行中折斷。為了減輕這種飛機的重量，還不能象傳統(tǒng)飛機那樣裝很多設(shè)備，只能裝必須裝備的設(shè)備。

太陽能飛機雖然不重，但翼展很長，因此其機動性肯定比不上小型飛機。為了盡可能地提高它的機動特性，所以安裝了很多操縱面，如“百人隊長”無人機就在機翼后緣裝了60個可操縱的舵面，而“太陽神”則更多，一共有72個舵面，可算得上是舵面最多的飛機。它們主要用于操縱飛機的俯仰和滾轉(zhuǎn)運動。光有這么多舵面還不夠，有時還需要用發(fā)動機進行不對稱操縱來幫忙。

由于采取了這些技術(shù)措施，盡管太陽能無人機的翼展很大，但飛機的機動性還是不錯的。據(jù)介紹，“太陽神”太陽能無人機的轉(zhuǎn)彎角速度可達到5度/秒，其盤旋半徑只比它的翼展長度大一點。

由于是無人駕駛飛機，所以沒有供飛行員使用的駕駛艙。從現(xiàn)有四種太陽能無人機的總體設(shè)計來看，翼下都設(shè)有多個流線形的扁平吊艙。它們至少有三個作用，一是在其內(nèi)安裝設(shè)備；二是在其下安裝輪子，作起落架使用；三是可起方向穩(wěn)定作用，相當于一般飛機的垂直尾翼。此外，由于太陽能無人機的翼展很長，飛行時因為受載荷的影響兩翼外側(cè)會往上翹，這有益于提高飛機的穩(wěn)定性，相當于機翼上后角的作用。

太陽能無人機的關(guān)鍵技術(shù)

研制太陽能無人機主要有兩個關(guān)鍵技術(shù)問題要解決：一是要能有效地將太陽能收聚起來，二是如何解決夜間和陽光微弱時的能源問題。

眾所周知，利用太陽能作為動力能源早在航天器（如衛(wèi)星）上就已經(jīng)應(yīng)用。不過航天器一般都是在離地球幾百公里以上的外層空間飛行，而太陽能無人機只能在二三十公里的大氣層內(nèi)飛行，兩者的條件有很大差別。外層空間的空氣非常非常稀薄，離太陽近，陽光非常強，收聚自然容易。太陽能無人機飛行高度雖然比一般飛機要高，但仍然屬于大氣層內(nèi)，由于受大氣的影響，陽光要弱得多，而且有時還會受到云的遮擋。要想在這種條件下有效地收聚太陽能，必須有高效的太陽能電池。據(jù)介紹，他們在“探索者＋”型無人機上使用了一種由加理福尼亞太陽能動力公司研制的新型光學導電體。采用這種導電體制作的太陽能電池，可比原“探索者”無人機上使用的太陽能電池提高能量14％。

將太陽能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動飛機前進的動力，則是由電動發(fā)動機來實現(xiàn)的。美國的太陽能無人機上裝的發(fā)動機，是由大氣環(huán)境公司生產(chǎn)的無電刷電動發(fā)動機。每個發(fā)動機重5公斤。在地面上，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分；而在最大高度時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可達2000轉(zhuǎn)/分。為保證飛機高空飛行的可靠性，發(fā)動機采用了固定式的螺旋槳。

由于從地面起飛，陽光相對較弱，飛機的爬升速度很小，只有100米/秒左右，飛機要爬升到巡航高度通常需要3個多小時。而且起飛時間，一般要安排到早上，才能達到最高飛行高度。起飛時要選擇風小、晴朗的天氣，使太陽能發(fā)動機能產(chǎn)生足夠的推力。如果要在有云的天氣里安排起飛，就要靠電瓶的供電來維持，直到飛機穿出云層。這種飛機的起飛速度和著陸速度都很小，基本上與運動員騎自行車的速度差不多。

按設(shè)計要求，將來投入實用的太陽能無人機需要在天上飛行幾個星期，甚至數(shù)月。這時必然經(jīng)過夜間飛行，即使是在白天，如果飛行高度不夠高的話，也可能遇到有云遮擋，陽光較弱的情況。如何解決在夜間和陽光微弱條件下的能源，是太陽能無人機必須解決的又一個技術(shù)問題。NASA采用的是一種稱為“頭盒”的技術(shù)使這一問題得到解決。經(jīng)過研究表明，現(xiàn)有的鋰鋁電池還不能滿足飛機整個夜間飛行的能源需要，必須有一種能提供200瓦/小時的高能電池。于是，NASA了解到其它無人機采用的一項技術(shù)，即一種長效燃料電池。這種電池的工作原理是通過氧和氫來發(fā)電的，并已被航天器和汽車所廣泛應(yīng)用。為了滿足太陽能無人機的需要，美國大氣環(huán)境公司對這種電池進行了進一步地改進。改進后的燃料電池具有可還原性。也就是說，使用后可還原，還原后再使用。只要飛機攜帶有液態(tài)氫和氧氣儲存器，存儲器不斷地向燃料電池輸出液態(tài)燃料，就可為飛機的夜間飛行提供電能。掌握這種技術(shù)的除美國外，法國也能制造這種可還原性燃料電池。據(jù)說，美國大氣環(huán)境公司在研制這種可還原性燃料電池時，還采用了特制的電解材料，用這種材料產(chǎn)生電能可使可還原性燃料電池達到前所未有的水平。不過，目前這種電池的穩(wěn)定性不好，尤其是在高空低溫條件下有工作不正常的情況，以及高空條件下結(jié)冰等問題，有待進一步完善。NASA認為，這些問題估計要到2003年才能全部解決。到那時，太陽能無人機就可以在20000米以上高空連續(xù)飛行近百小時。

另外值得一提的是太陽能無人機的飛行控制問題。由于它飛得高，且連續(xù)飛行時間非常長，因此地面控制相對比一般無人機的難度要大。好在大多數(shù)情況太陽能無人機是靠預先輸入的程序控制飛行的，只有在起飛和著陸時才需要地面操縱者進行遙控。不僅如此，如果太陽能無人機與地面控制中心失去聯(lián)絡(luò)，飛機有能力自行返航著陸。它還裝有一個傘降系統(tǒng)和一個定位信標系統(tǒng)，以備應(yīng)急情況下使用。

正在試飛的四種太陽能無人機

花了近十年的時間，美國NASA研制了四種太陽能無人機原型機，目前正在進行第一階段的試飛計劃。這四種太陽能無人機有類似的之處，但又各有不同，下面分別作一簡要介紹。

第一種型號“探索者”是于1993年首飛的。它采用平直翼和雙吊艙設(shè)計，是四個型號中最小的一種。翼展29.5米，展弦比12，機長3.6米，翼面積71平方米。共裝6臺發(fā)動機，單臺功率1.5千瓦。起飛重量252公斤，有效載荷45公斤。飛行速度30公里/小時，升限21000米，續(xù)航時間14～15小時。1995年，“探索者”太陽能無人機曾創(chuàng)造過15530米的飛行距離和19970米的飛行高度記錄。后來，在夏威夷上空，又創(chuàng)造飛行高度21600米的記錄。

第二種型號“探索者＋”太陽能無人機，是在“探索者”基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，1998年出廠，同年首次試飛。該機仍然采用平直翼、雙吊艙設(shè)計，但尺寸更大。翼展36.3米，展弦比15，機長3.6米，翼面積87平方米。共裝8臺發(fā)動機，單臺功率仍然為1.5千瓦。起飛重量315公斤，有效載荷67.5公斤。飛行速度為30公里/小時，升限為24000米，續(xù)航時間白天可達到14～15小時、夜間為2～5小時。改進型“探索者＋”有許多新特點，不管是在氣動特性，還是動力系統(tǒng)上都有所突破。飛機采用的翼型也更適合高空飛行。特別是在機翼上表面安裝了新型的太陽能電池板。這種電池板采用了由加里福尼亞太陽能動力公司研制的新型光學導電體。采用這種導電體制作的太陽能電池，其能量比在“探索者”上用的太陽能電池提高了14％。使“探索者＋”獲得的能量，從8千瓦提高到12.5千瓦。這個能量足可以供兩臺發(fā)動機工作使用。另外，在操縱系統(tǒng)方面也進行了改進。由于采取了這些改進措施，在1998年的試飛中，使它的飛行高度達到了24800米。

第三種型號是“百人隊長”，已經(jīng)開始試飛。這種太陽能無人機尺寸更大，飛高度更高，航程也更遠。該機采用了由五段矩形翼組成的大展弦比機翼，底下有4個吊艙，機翼前安裝了14臺發(fā)動機。其翼展達到了61.8米，是“探索者”太陽能無人機翼展的兩倍。為了避免飛機在起飛、著陸以及轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生翼尖失速，外段機翼設(shè)計了10度左右的上反角。由于“百人隊長”采用了4個翼下吊艙，內(nèi)部可攜更多的有效載荷或設(shè)備。在30000米高度飛行時，它的有效載荷為50公斤；在24000米高度時，有效載荷則可達到600公斤。目前，“百人隊長”還沒有裝太陽能電池板。在1998年的試飛中，爬升到24800米高度的能量是用機載鋰鋁電池所提供的。未裝太陽能電池就進行試飛，主要為了檢驗加大翼展后的機翼結(jié)構(gòu)和采用各種新系統(tǒng)后的工作情況?，F(xiàn)在生產(chǎn)廠家已經(jīng)接到太陽能電池板，正在安裝過程中。預計裝太陽能電池的“百人隊長”太陽能無人機，將要到2001初才能試飛。

第四種型號“太陽神”太陽能無人機，是1999年出廠的。它的外形與“百人隊長”差不多，但尺寸達到了創(chuàng)記錄的水平，翼展達75米，比美國目前最大的兩種大型運輸機C－5和波音747的翼展還要大。翼下吊艙也由4個增加到5個。與“百人隊長”相比，“太陽神”的機翼長了13.2米，多了一個機艙和一個起落架。據(jù)設(shè)計人員介紹，它集中了前幾種太陽能無人機的優(yōu)點。飛機的結(jié)構(gòu)全部采用碳纖維復合材料制造。碳纖維材料的柔韌性比較好，使機翼在飛行過程中能保持良好的狀態(tài)，適應(yīng)飛機向上或向下的飛行。翼盒還用奧美絲、卡夫拉和環(huán)氧樹脂等材料進行了加強，機翼前緣內(nèi)用泡沫填充，整個飛機外表用一層堅固的塑料膠片加固。在1999年夏天，“太陽神”無人機進行了6次超過500米的低空飛行試驗。它和“百人隊長”一樣，這些試飛都使用的是鋰鋁電池供電，要等到2001年才能使用太陽能電池。全機系統(tǒng)試驗，估計要到2003年才能實施。那時，將進行續(xù)航時間達96小時的遠距離飛行試驗。按設(shè)計者要求，這種太陽能無人機可經(jīng)常在15000米左右的高度上執(zhí)行任務(wù)。飛機上共裝14臺發(fā)動機，但現(xiàn)在的試飛只有8臺可以工作，其余6臺只是擺樣子的。據(jù)說，這主要是為了節(jié)約能量。

太陽能無人機的應(yīng)用前景

NASA認為，太陽能無人機的用途廣泛，發(fā)展前景樂觀。由于這種無人機主要利用太陽能提供能源，具有飛得高、續(xù)航時間長和飛行距離遠的特點，是一個理想的空中飛行平臺。完全可以用于科學觀測，作為人造地球衛(wèi)星的補充，也能執(zhí)行監(jiān)視空中目標、探測風暴、探測水下珊瑚礁（為海上航行掃除障礙）和尋找成片油田等任務(wù)。

NASA研制的第一種太陽能無人機“探索者”，目前正在夏威夷上空進行試驗飛行。上面帶有兩個阿摩斯研究中心研制的傳感器，一個是數(shù)字式高分辨率的頻譜干涉儀，另一個是能實時傳輸?shù)母叻直媛士臻g圖象系統(tǒng)，試飛完成后就可以投入應(yīng)用。

同時，NASA為了能得到每年1300萬美元的科研經(jīng)費，也在進一步拓寬太陽能無人機的使用范圍，不局限于目前的這些試驗和試用。他們發(fā)現(xiàn)，利用這種飛機的機翼可以進行全球信息的傳輸。太陽能飛機可以長期在高空飛行，完全可以用作便攜式電話通信中繼站。把它作為通信中繼站要比用人造衛(wèi)星更好，有更大的靈活性。因為它能毫不困難地從空中返回地面進行維修或更換設(shè)備，這是衛(wèi)星所無法比擬的。太陽能飛機還可以很容易地快速轉(zhuǎn)換所監(jiān)視的工作域區(qū)，比衛(wèi)星更方便，但其使用費用卻比衛(wèi)星低很多。按他們的計算，衛(wèi)星的使用費大約是1000英鎊/小時，而太陽能無人機的使用費用不到其一半。

當然，現(xiàn)在談太陽能無人機的應(yīng)用前景似乎還為是過早。何時走向?qū)嵱?，還要看NASA的試驗進展是否順利。