高空長航時太陽能無人機的技術挑戰(zhàn)

張健 王江三 耿延升 郭潤兆

摘要：高空長航時太陽能無人機的基本工作原理、使命任務和使用環(huán)境等與常規(guī)動力飛機不同，具有巡航高度高、續(xù)航時間長、外形尺寸大、飛機翼載小、飛行剖面簡單和綠色環(huán)保等特點，適于執(zhí)行偵察監(jiān)視、大氣監(jiān)測和通信中繼等軍民用任務。本文結合某大型太陽能無人機的工程研制，從太陽能電池轉換效率、蓄電池性能、太陽能飛機多學科優(yōu)化設計、低雷諾數氣動力設計與試驗、復合材料設計與制造、大展弦比機翼非線性氣動彈性設計、高效動力系統(tǒng)集成、大尺寸柔性翼飛機飛行控制系統(tǒng)設計、臨近空間環(huán)境適應性等多個方面剖析了高空長航時太陽能無人機研制面臨的技術挑戰(zhàn)。

關鍵詞：臨近空間飛行器；高空長航時太陽能無人機；太陽能電池；蓄電池；關鍵技術；技術挑戰(zhàn)

中圖分類號：V272文獻標識碼： ADOI： 10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.003

臨近空間是指高于普通航空器飛行高度、而低于軌道飛行器運行空間的區(qū)域，一般將距地面20～100km的空域視為臨近空間。太陽能無人機是以太陽輻射為能源的電動飛行器，為了充分利用太陽能，減小不利的大氣流動影響，更好地執(zhí)行偵察監(jiān)視等任務，太陽能無人機通常在20km左右的臨近空間飛行[1]。高空長航時太陽能無人機具有續(xù)航時間長、飛行高度高、使用靈活和無環(huán)境污染等特點，因此成為執(zhí)行情報、偵察、監(jiān)視、通信中繼和大氣科學研究等任務的理想空中平臺[2]。開展高空長航時太陽能無人機研究，突破各項關鍵技術，不僅可以帶動相關領域技術長足發(fā)展，而且有助于快速推出太陽能無人機產品，占領新能源飛機軍民用市場。

1太陽能無人機研究發(fā)展現狀

1974年11月4日，世界上第一架太陽能飛機Sunrise I在4096塊太陽能電池的驅動下緩緩離開地面，持續(xù)飛行了20min，標志著太陽能飛行時代的來臨。

Helios系列太陽能無人機[3]由美國航空環(huán)境公司研制，其發(fā)展經歷了Pathfinder、Pathfinder Plus、Centurion、Helios等多個階段。Pathfinder從1983年開始試飛，在1997年創(chuàng)新了21802m的飛行高度紀錄。Pathfinder Plus在飛行中攜帶30.8kg模擬任務載荷續(xù)航15h，最大飛行高度達到24475m。Centurion作為太陽能技術驗證機，能夠攜帶45kg的遙測傳感器和設備飛到24400m高度執(zhí)行地球環(huán)境研究任務。Helios于1999年首飛，2001年在太平洋上空達到25300m飛行高度，2003年在夏威夷上空試飛時因發(fā)生嚴重的俯仰振蕩而解體。

Solar Impulse太陽能飛機[4]是目前世界上最成功的有人駕駛太陽能飛機，該項目由Bertrand Piccard和Andre Borschberg等牽頭設計開發(fā)，2003年在多家公司和歐洲航天局的支持下Solar Impulse正式啟動，Solar Impulse 1是早期的驗證機，采用大展弦比正常式布局，翼下吊掛4臺10hp電機并配套兩葉螺旋槳，4個鋰聚合物電池組安裝在短艙內。Solar Impulse 2于2011年開始研制，翼展72m，起飛重量（質量）2300kg。2013年完成設計生產，2014年6月實現首飛。2015年3月9日從阿聯酋首都阿布扎比起飛，2016年7月26日返回并降落在阿布扎比機場，完成人類首次太陽能飛機環(huán)球飛行。

Zephyr系列太陽能無人機[5]由英國Qenitiq公司研制，后來該公司被空中客車公司收購。2010年7月9日，Zephyr-7從美國亞利桑那州起飛，創(chuàng)造了太陽能動力飛行高度21561m并持續(xù)留空14天的無人機飛行紀錄。2018年7月11日，Zephyr-S連續(xù)飛行25天23h57min，白天的飛行高度達22500m，夜晚飛行高度超過15200m，創(chuàng)造了飛行時間和飛行高度的新紀錄。英國國防部成為首個防務客戶并訂購了三架Zephyr-S，兩架于2016年2月訂購，總價值為1060萬英鎊，8月份又增加了一架，使合同總價值達到了1300萬英鎊。它們將成為運營概念演示的一部分，由英國軍方和其他政府部門評估Zephyr的能力和潛力。

在美國DARPA的領導下，波音和Qenitiq公司負責飛機方案設計的團隊贏得了Vulture計劃的第二階段合同，開展翼展達122m的Solar Eagle無人機研制。根據合同要求，Solar Eagle的巡航高度指標為19810～27432m，可攜帶454kg任務載荷，并且能夠為任務載荷提供5kW的電能，實現5年的持續(xù)留空。

Google收購了美國Titan Aerospace公司，使用Solara系列無人機實施其網絡覆蓋計劃。Solara 50太陽能無人機的飛行重量為158.9kg，可攜帶約32kg的載荷，翼展為50m，機長15.5m，飛行高度目標是達到65000ft以上。2015年5月1日Solara 50在試飛時墜毀，整個飛行過程僅僅持續(xù)了4min。

Facebook提出使用太陽能無人機在全球范圍內提供互聯網高速連接的Aquila項目，用1000架左右的無人機實現全球間的高速互聯網連接。Facebook為此收購了Ascenta無人機公司，進行18000～27000m高度可持續(xù)飛行三個月的太陽能無人機研制。Aquila翼展43m，裝載4個電機，重量454kg，在工作的時候需要先由氦氣球帶到平流層，白天飛行高度27432m以吸收和儲存太陽能，夜晚則降到18288m以節(jié)省功耗。Aquila首飛時間超過90min，但飛機在著陸時發(fā)生嚴重事故，導致機體出現結構性故障。后來Facebook發(fā)布聲明停止設計制造太陽能無人機，聲稱以后只和合作伙伴開發(fā)類似技術。

極光飛行科學公司正在波音的支持下建造大型太陽能無人機Odysseus，其翼展達74m，設計續(xù)航時間三個月，該機目前正在進行地面測試。Odysseus采用了更為簡潔的設計：有三個尾翼和6個螺旋槳；全動垂直和水平尾翼安裝在三個機身上，分別提供俯仰和偏航控制；機翼上沒有滾轉控制面，外側的兩個尾翼會使機翼彎曲以控制滾轉；采用鋰-聚合物電池和薄膜砷化鎵光伏電池。

國內航天科技集團公司第十一研究院從事太陽能無人機研究10余年，其間成功突破了總體、氣動、結構、飛行控制、能源和推進系統(tǒng)等關鍵技術，通過技術驗證及大量試驗，驗證了系統(tǒng)設計和集成技術，掌握了劇烈垂直氣流變化、大強度水平風等多種風場條件下的自主穩(wěn)定飛行技術。據報道其翼展45m的驗證機已經飛到20000m高度。該無人機采用大展弦比常規(guī)布局，雙垂尾，翼吊8臺電機驅動的螺旋槳。

2高空長航時太陽能無人機的特點

高空長航時太陽能無人機完全依賴太陽能飛行和執(zhí)行任務，其工作原理完全不同于常規(guī)動力無人機，而且由于其臨近空間的使用環(huán)境也不同于普通的航空器，因此在技術和使用上呈現出多種獨有的特點。

（1）飛行高度高

高空長航時太陽能無人機主要在臨近空間飛行，原因首先是高空太陽輻射受地球大氣影響小，其次是平流層有利于飛機穩(wěn)定飛行，最后高空有利于偵察監(jiān)視等任務設備發(fā)揮作用。

（2）續(xù)航時間長

理論上講，如果太陽能無人機白天存儲的能量超過夜晚全機能量使用需求，那么就可以持續(xù)不斷地長時間飛行，其工作時間的長短僅受限于結構、設備和電池等的壽命和可靠性。也就是說太陽能無人機一旦實現了跨晝夜飛行，隨著機載設備可靠性水平的提高，太陽能無人機的工作時間會越來越長。

（3）機體尺寸大

高空長航時太陽能無人機一般用于執(zhí)行偵察監(jiān)視等任務，為了滿足飛機飛行和任務系統(tǒng)越來越高的功率需求，需要在飛機表面鋪設大面積的太陽能電池，導致飛機的尺寸越來越大。以Zephyr系列[5]無人機為例，Zephyr-4翼展12m；Zephyr-6翼展18m；Zephyr-7翼展22.5m，Zephyr-8翼展25m，機體尺寸越來越大。

（4）翼載小

統(tǒng)計數據表明，滑翔機的起飛翼載通常在30kg/m2左右，通用航空飛機的起飛翼載在100kg/m2左右，雙發(fā)渦槳飛機的起飛翼載在200kg/m2左右，噴氣式戰(zhàn)斗機的起飛翼載在350kg/m2以上，轟炸機的起飛翼載在500kg/m2以上[6]。相比之下，太陽能無人機的翼載非常小。表1為幾種太陽能無人機的翼載，可以看出飛機的起飛翼載均在10kg/m2以下。這是因為只有翼載非常小，才能確保獲得的太陽能足以支持飛機飛行和任務載荷使用。

（5）飛行剖面簡單

高空長航時太陽能無人機飛行典型剖面如圖1所示。白天爬升到較高的高度平飛巡航，以便充分地利用太陽光，同時增加飛機的勢能。到了午后太陽輻射強度不能維持高空平飛時，巡航高度逐漸下降，下滑過程中動力系統(tǒng)基本不消耗或消耗很少的能量。到了晚上沒有太陽光時，飛機在較低高度巡航平飛，以便節(jié)省能量。理想情況下，高空長航時太陽能無人機白天和晚上都可在同一高度巡航，因此與常規(guī)飛機可適應多個巡航高度的飛行剖面相比，其飛行剖面相對簡單。

（6）使用靈活方便

衛(wèi)星只能在特定的軌道上運行，因此一顆衛(wèi)星僅能監(jiān)視覆蓋特定運行軌道所能覆蓋的區(qū)域。高空長航時太陽能無人機的使用不受區(qū)域、地形、氣候和時間等因素的限制，隨時可以起飛，到指定區(qū)域上空長時間執(zhí)行任務，特別適用于在交通不發(fā)達地區(qū)構建通信網絡，或在海洋上空執(zhí)行長期監(jiān)視和偵察任務。

（7）綠色環(huán)保

太陽能是可持續(xù)使用的清潔能源，取之不盡，用之不竭，而且太陽能無人機在飛行中不消耗燃料，沒有可造成大氣污染的排放物，因而其環(huán)保特性優(yōu)異，符合綠色航空發(fā)展方向。

3多專業(yè)領域的技術挑戰(zhàn)

盡管高空長航時太陽能無人機已歷經半個世紀的發(fā)展，但是到目前為止仍未實現工程應用。主要原因在于高空長航時太陽能無人機的研制覆蓋太陽能電池、蓄電池、飛行器設計、氣動力設計和試驗、結構強度、復合材料設計與制造、動力系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、能源綜合管理系統(tǒng)、環(huán)境適應性、飛行試驗和任務載荷等多個領域，其研制技術復雜，難度大，面臨方方面面的技術挑戰(zhàn)。

3.1太陽能光伏電池轉換效率

太陽能光伏電池的性能，尤其是轉換效率，是決定太陽能無人機性能的決定性因素之一[8]。太陽能光伏電池按基體材料的不同分為硅太陽能電池、化合物太陽能電池和有機太陽能電池。美國國家可再生能源實驗室統(tǒng)計得到的各種不同類型太陽能電池轉換效率的技術進步歷程如圖2所示，可以看出近20年來太陽能電池的效率快速提升。

硅太陽能電池是目前應用最多的太陽能電池，包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池等。單晶硅太陽能電池的性能穩(wěn)定，目前規(guī)?；a的商品電池轉換效率達16%～18%。多晶硅的轉換效率比單晶硅電池略低，可達15%～17%。非晶硅太陽能電池效率低，規(guī)模化生產的商品電池轉換效率多在5%～8%。

化合物太陽能電池是指以化合物半導體材料制成的太陽能電池，主要有單晶和多晶化合物太陽能電池。單晶化合物太陽能電池主要有砷化鎵太陽能電池，轉換效率最高超過30%，但價格昂貴。多晶化合物太陽能電池的類型很多，目前應用的主要有碲化鎘太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池等。碲化鎘太陽能電池轉換效率已經超過16%，銅銦鎵硒太陽能電池的實驗室效率已接近20%。

有機太陽能電池包括有機半導體系和染料敏化系太陽能電池。用有機半導體材料制成的太陽能電池成本低，但光電轉換效率低，穩(wěn)定性差，還未進入實際應用。染料敏化系太陽能電池同樣處于研究階段。

高空長航時太陽能無人機對太陽能光伏電池的要求不僅是高的轉化效率，還要求電池具有良好的物理特性，如耐高低溫、耐輻射、耐腐蝕和可靠性高等。同時為了保證鋪貼后不影響機翼的氣動效率，太陽能電池不僅要保證與飛機蒙皮共形，而且要保證在機翼受力變形后與蒙皮緊密貼合，所以太陽能電池的柔韌性也至關重要。

3.2蓄電池能量密度

儲能電池的性能是影響太陽能無人機技術水平的另一個決定性因素。為了滿足太陽能無人機夜間飛行和任務系統(tǒng)工作需求，提高儲能電池的能量密度是一直以來追求的目標。

雖然蓄電池的種類多種多樣，其性能也各有千秋，見表2，但目前在太陽能飛機上應用最成熟的主要是鋰電池。根據所使用的電解質材料的不同，鋰電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩大類。由于用固體電解質代替了液體電解質，與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池不會產生漏液、燃燒爆炸等安全問題，而且具有形狀可任意塑造的優(yōu)點。另外，聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池更好。

盡管目前鋰電池的能量密度已經很高，但也只能滿足太陽能無人機的基本要求，要得到高性能的高空長航時太陽能無人機，還需要大幅度提高鋰電池的能量密度，同時還要解決循環(huán)次數和電池在臨近空間使用的環(huán)境適應性問題。

3.3太陽能無人機多學科綜合優(yōu)化設計

高空長航時太陽能無人機的研制涵蓋了飛機總體設計、氣動力設計和試驗、結構設計、重量平衡與控制、全機及部件載荷計算、氣動彈性設計與試驗、新材料開發(fā)與應用、飛行控制、能源和動力技術以及任務載荷等多個學科，同時各個學科之間存在緊密的耦合關系，任何一個環(huán)節(jié)的變化都可能對飛機的整體性能產生影響。

例如，任務載荷重量（質量）和功耗影響總體設計參數，太陽能電池和蓄電池的性能影響全機的重量（質量）和性能，氣動力設計和動力系統(tǒng)的效率關系到全機的能量需求，飛機的續(xù)航能力對重量（質量）又很敏感，材料性能影響飛機的重量（質量）和變形，大的結構變形又反過來影響到氣動力，并可能產生嚴重的非線性氣動彈性問題，變形和氣動彈性問題又與飛控系統(tǒng)設計密切相關。因此，在高空長航時太陽能無人機研制過程中需要針對各學科之間較強的耦合關系，綜合開展多學科優(yōu)化設計，通過開發(fā)綜合化的集成設計平臺，提高設計質量。圖3為典型太陽能無人機多學科優(yōu)化設計流程圖[10]，綜合考慮了太陽能無人機的能量獲取和使用、氣動力、結構和動力系統(tǒng)等的綜合影響。

3.4低雷諾數氣動力設計

通過式（4）可以看出，為了降低高空長航時太陽能無人機在特定高度的平飛需用功率，一方面需要降低飛機的翼載，另一方面需要提高飛機的氣動效率。如果全機氣動效率降低，會導致平飛需用功率增大。因此高空長航時太陽能無人機氣動力設計不僅需要解決低雷諾數下翼型繞流的轉捩和層流分離等問題，而且需要采用綜合優(yōu)化設計技術。

高空長航時太陽能無人機飛行高度高、飛行速度低，飛行雷諾數很小[11]。小雷諾數情況下，氣流邊界層擾動小，機翼表面以層流為主。但這種低雷諾數下的層流是一種不穩(wěn)定的流態(tài)，各種因素（如流動速度、流場波動、壓強波動、物面粗糙度、逆壓梯度和機體振動等）都可能產生翼面分離氣泡堆積，導致流動分離。這種流動分離導致翼型前緣吸力峰減小，升力和升阻比降低，全機氣動效率降低。導致飛行需用功率增大，因此氣動力設計需要解決低雷諾數下翼型繞流的轉捩和層流分離等問題，因此高空長航時太陽能無人機氣動力設計需要采用優(yōu)化設計技術，使翼面上維持更多的層流區(qū)域，并避免后緣可能產生的流動分離。

3.5復合材料機體結構設計及制造技術

為了減輕重量并充分發(fā)揮材料的性能，高空超長航時太陽能無人機大量使用新型碳纖維、凱芙拉等高比強度和高比剛度的先進復合材料[12]。目前高空長航時太陽能無人機翼梁結構普遍采用管狀/盒狀復合材料梁、桁架肋，機身采用桁架結構（見圖4），表面覆蓋由單層復合材料或高強度超薄聚碳酸酯薄膜封裝的透明太陽能薄膜電池。

由于使用高性能的復合材料，工藝復雜，加之臨近空間惡劣的使用環(huán)境和批量小，導致高空長航時太陽能無人機的制造成本非常高，因此面臨降低成本的迫切需求。為此需要從選材、設計、工藝、制造等方面開展進一步研究。

3.6大展弦比機翼非線性氣動彈性

太陽能無人機一般采用大展弦比機翼，由于翼展較長，機翼結構柔性較大，容易出現氣動彈性問題。靜氣動彈性的主要問題是彈性變形對升力分布影響大，會引起載荷的重新分布以及機翼的扭轉發(fā)散等[13]。

大展弦比柔性機翼具有剛度低、變形大、顫振頻率低、顫振速度低、結構模態(tài)耦合嚴重等特點。輕質大展弦比柔性機翼的氣動特性和結構變形均呈現很強的非線性，建模和穩(wěn)定性分析方法都與線性問題有著很大的不同。因此需要開展大展弦比柔性機翼非線性顫振分析和試驗研究工作，避免Helios太陽能無人機在非線性氣動力、彈性力和慣性力耦合作用下發(fā)生顫振而破壞的現象（見圖5）。

3.7大展弦比柔性機體飛控系統(tǒng)設計

大尺寸高空長航時太陽能無人機機體受力后變形很大，尤其是機翼的非線性變形產生的氣動彈性效應顯著減弱操縱面的操縱效率，甚至出現反效現象，威脅飛機安全。在飛控系統(tǒng)設計過程中，必須針對太陽能無人機的飛行速度低等特點開展控制律的設計，結合柔性飛機的本體特征開展新型控制策略研究，制定柔性飛機的控制準則，明確飛機的飛行邊界，并利用多操縱面控制率重構技術等手段對飛行過程中可能遇到的問題進行考慮。

為了避免大功率電機的研制、減小動力裝置的重量，并使之適合在輕質太陽能無人機體上安裝，大型高空長航時太陽能無人機大多采用分布式動力裝置，動力裝置的數量最多可達10個以上。采用分布式動力裝置需要從全機的氣動布局、飛機的穩(wěn)定性和控制等方面開展研究，使飛控系統(tǒng)、飛機構型以及動力裝置實現一體化設計，例如，一定程度上實現主動控制技術在現代飛機設計上應用的目的。

3.8輕質高效動力系統(tǒng)集成設計

高空長航時太陽能無人機的動力系統(tǒng)一般由電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置等組成。近年來出現的永磁直流無刷電機具有速度控制精度高、可靠性好、噪聲小、壽命長等特點，在太陽能無人機上得到廣泛應用。根據高空長航時太陽能無人機的使用特點，螺旋槳仍然是適合高空低速飛行的合適的動力系統(tǒng)配套裝置。但隨著飛行高度的增加，空氣密度減小，導致螺旋槳效率變化較大，因此提高太陽能無人機巡航點的螺旋槳效率至關重要。

輕質高效的動力系統(tǒng)是太陽能無人機實現持續(xù)跨晝夜飛行的先決條件。太陽能無人機飛行高度高、速度慢，動力系統(tǒng)需要同時滿足低轉速、大扭矩、輕重量和高效率等設計條件，這要求在系統(tǒng)層面對電機、螺旋槳、電調和減速器等部件進行綜合集成設計，使各部件之間合理匹配，整體最優(yōu)。

3.9臨近空間環(huán)境適應性

臨近空間的顯著特點包括：空氣相對稀?。画h(huán)境壓力低；環(huán)境溫度變化大；臭氧和太陽輻射強；20～40km高度平均風速較小。高空長航時太陽能無人機在平流層底部長時間巡航飛行，高空低氣壓、低溫、太陽輻射、臭氧、宇宙射線等特殊使用環(huán)境，對高空長航時無人機提出新要求。隨高度增加，大氣壓力逐漸降低，密度逐漸減小。低氣壓會對機體結構和機載設備產生一定影響。溫度隨飛行高度的增加而降低，低溫幾乎對所有的基體材料都有不利的影響。高空太陽輻射的熱效應會產生熱梯度并會產生不利影響，太陽輻射還會產生光化學效應，對裝備造成一定的破壞，受影響最大的材料是非金屬復合材料，包括塑料、橡膠、紡織品纖維等。臭氧含量在22～25km處達到極大值，臭氧有很強的氧化性，有可能導致無人機的部件和蒙皮材料變脆和加速老化，嚴重影響壽命，因此在設計時就必須充分考慮對臭氧的防護。高空的宇宙輻射強烈，這些高能中子穿透力強，會造成機載電子設備安全等級降級，影響無人機的使用，因此需要采取防護措施。

4結束語

隨著世界各國對環(huán)境保護的重視和新能源技術的發(fā)展，高空長航時太陽能無人機面臨前所未有的發(fā)展機遇，但同時也面臨著嚴峻的技術挑戰(zhàn)。相信隨著太陽能電池和蓄電池技術的發(fā)展，以及總體、氣動、結構、強度和飛控等領域關鍵技術的突破，高空長航時太陽能無人機終將實現工程化。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

張?。?970-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛行器總體、氣動力和無人機系統(tǒng)設計。

Tel： 029-86832389E-mail：zhangjian_aircraft@163.com王江三（1985-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛行器總體設計。

Tel：029-86832056

E-mail：wjs4292@163.com

Technology Challenges for High Altitude Long Endurance Solar Powered UAV

Zhang Jian*，Wang Jiangsan，Geng Yansheng，Guo Runzhao AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

Abstract： HALE solar powered UAV is different from other air vehicles in basic working principle， mission and operational environment. It has many advantages such as high altitude， long endurance， large size， low wing load， compact flight profile， and environment-friendliness， etc. HALE solar powered UAV may be used to execute surveillance and reconnaissance， the atmospheric science researches and telecommunication relay missions. Combined with the development of a certain solar powered aircraft， the technology challenges are analyzed in detail in terms of efficiency of solar cell， property of battery， multi-disciplinary optimization design， low Reynolds number aerodynamic design and test， light composite material structure design and fabrication， nonlinear aero-elastic analysis of flexible wing with high aspect ratio， propulsive efficiency improvement， flight control system design of solar powered UAV with large flexible wing and near-space environmental suitability.

Key Words： near-space air vehicle； HALE solar powered UAV； solar cell； battery； key technology； technology challenges