臨近空間太陽能無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用

趙 煒，趙 錢，黃江流，侯振乾，杜澤弘

(1. 上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2. 上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引 言

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)與軍事理論的不斷發(fā)展，武器系統(tǒng)逐漸朝著網(wǎng)絡(luò)化、體系化、智能化的方向發(fā)展。信息作為戰(zhàn)爭(zhēng)要素之一，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著極為重要的作用?，F(xiàn)代軍用信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由地基、?；?、空基與天基等系統(tǒng)組成[1-2]。其中，空基信息一般由預(yù)警機(jī)提供，天基信息則由衛(wèi)星作為主要平臺(tái)，而海拔20～100 km之間的臨近空間則缺少有效的任務(wù)載體。臨近空間太陽能無人機(jī)的出現(xiàn)可以有效填補(bǔ)這一區(qū)域的任務(wù)空白，為地基、天基等信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供有效補(bǔ)充。

臨近空間太陽能無人機(jī)具有航時(shí)長(zhǎng)、高度高等優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于情報(bào)搜集、通信中繼、偵察監(jiān)控等軍事任務(wù)。各軍事強(qiáng)國都爭(zhēng)相開發(fā)以臨近空間太陽能無人機(jī)為平臺(tái)的高空偽衛(wèi)星項(xiàng)目[3-4]，如美國的“太陽神(Helios)”系列[5]、英國的“西風(fēng)(Zephyr)”系列[6]等。國內(nèi)各研究院與高校也均已展開太陽能無人機(jī)的研制工作[7]，并取得了重大進(jìn)展。

本文首先介紹了國內(nèi)外太陽能無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀；之后基于臨近空間太陽能無人機(jī)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，對(duì)4個(gè)典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景作了初步設(shè)想；最后分析了其發(fā)展過程中有待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 臨近空間太陽能無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外臨近空間太陽能無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1) 太陽神

“太陽神”是美國航空環(huán)境(AeroVironment)公司在美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的環(huán)境研究飛機(jī)和傳感技術(shù)項(xiàng)目(the environmental research aircaft and sensor technology, ERAST)資助下設(shè)計(jì)制造的第4代飛翼布局太陽能無人機(jī)。前3代型號(hào)分別為“探路者(Pathfinder)”、“探路者改進(jìn)型(Pathfinder Plus)”、“百人隊(duì)長(zhǎng)(Centurion)”。“太陽神(Helios)”是這個(gè)系列的最終型號(hào)，希望達(dá)到30 km的飛行高度以及至少24 h的連續(xù)飛行時(shí)間。太陽神根據(jù)配置不同分為高空型和長(zhǎng)航時(shí)型，分別用于高空飛行和長(zhǎng)航時(shí)飛行的技術(shù)驗(yàn)證。高空型太陽神HP01于2001年8月13日創(chuàng)造了29.5 km的飛行高度記錄，留空時(shí)間18h 01min。ERAST項(xiàng)目資助下的系列太陽能無人機(jī)均采用了飛翼布局。為了追求更高的氣動(dòng)效率，其機(jī)翼保持弦長(zhǎng)為2.4 m不變，各代機(jī)型的展長(zhǎng)不斷增加，展弦比從“探路者”的12.3一直增加到了“太陽神”的30.4。高空版太陽神太陽能無人機(jī)HP01，翼展達(dá)到了驚人的75.3 m，而整機(jī)質(zhì)量?jī)H為720 kg。圖1為“太陽神”無人機(jī)。

圖1 “太陽神”無人機(jī)Fig.1 “Helios” solar powered UAV

2) 西風(fēng)

“西風(fēng)計(jì)劃”誕生于一項(xiàng)打破載人氣球飛行高度世界紀(jì)錄的拍攝活動(dòng)。該計(jì)劃失敗之后，英國防務(wù)公司QinetiQ以此為基礎(chǔ)繼續(xù)開展研究，于2001年將其應(yīng)用于軍事、通信以及地球觀察，驗(yàn)證質(zhì)量低于7 kg的超輕同溫層飛機(jī)的可行性，并改名為“Zephyr 2”。2008年，根據(jù)非官方報(bào)道，“Zephyr 6”創(chuàng)造了82 h的飛行時(shí)間記錄。這一記錄大約是由全球鷹創(chuàng)造的30 h無人飛行官方世界記錄的3倍。此外，“Zephyr 6”的最大飛行高度也達(dá)到了18.3 km。2010年，“Zephyr 7”更是創(chuàng)下了最長(zhǎng)的空中連續(xù)飛行時(shí)間記錄，長(zhǎng)達(dá)2周。2013年3月，“Zephyr”太陽能無人機(jī)項(xiàng)目被空中客車防務(wù)與航天公司從QinetiQ手中買下，并作為其高空偽衛(wèi)星項(xiàng)目的重要組成部分繼續(xù)開展研究。2018年8月，空中客車防務(wù)與航天公司宣布旗下的第一架量產(chǎn)型太陽能無人機(jī)“Zephyr S”進(jìn)行了超過25 d的飛行。從理論上講，在零件可靠性足夠高的情況下，太陽能無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)永久飛行。圖2為西風(fēng)系列太陽能無人機(jī)發(fā)展圖。

圖2 “西風(fēng)”系列太陽能無人機(jī)發(fā)展圖Fig.2 “Zephyr” solar powered UAV development map

3) 天鷹

“天鷹(Aquila)”太陽能無人機(jī)是Facebook公司“Internet.org”項(xiàng)目的組成部分，該項(xiàng)目旨在為全球2/3的人口提供可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，如圖3所示。天鷹太陽能無人機(jī)采用“V"型飛翼布局，翼展達(dá)到了43 m，與波音737相當(dāng)，而整機(jī)質(zhì)量只有約454 kg。天鷹太陽能無人機(jī)于2016年6月28日實(shí)現(xiàn)了首飛。它白天飛行在27.432 km的高度，吸收和儲(chǔ)存太陽能，而夜間則飛行于18.288 km的高度，通過合理的航路規(guī)劃實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)飛行的目的。

圖3 “天鷹”太陽能無人機(jī)Fig.3 “Aquila” solar powered UAV

1.2 國內(nèi)臨近空間太陽能無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1) “彩虹”太陽能無人機(jī)

“彩虹”太陽能無人機(jī)是由我國自主研制的臨近空間太陽能無人機(jī)，采用雙尾撐雙垂尾布局，翼展達(dá)45 m，采用了由大量碳纖維復(fù)合材料組成的大展弦比輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示?！安屎纭碧柲軣o人機(jī)飛行高度為20～30 km，航時(shí)可達(dá)數(shù)月甚至更長(zhǎng)，是繼美國“太陽神”系列后世界上最大的太陽能無人飛行器。該機(jī)由8臺(tái)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳提供動(dòng)力，其高效率高功率密度一體化無刷直流電機(jī)由我國自主研發(fā)，能滿足苛刻的環(huán)境要求，電機(jī)效率達(dá)到了91%以上?！安屎纭碧柲軣o人機(jī)在2017年9月20日?qǐng)A滿完成了臨近空間飛行試驗(yàn)，飛行高度達(dá)到了20 km，標(biāo)志著我國成為繼英美之后第3個(gè)掌握該項(xiàng)技術(shù)的國家。

圖4 “彩虹”太陽能無人機(jī)Fig.4 “Rainbow” solar powered UAV

2) “魅影”太陽能無人機(jī)

“魅影”太陽能無人機(jī)是由我國高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)研制的臨近空間太陽能無人機(jī)，采用全翼式布局，具有超輕的結(jié)構(gòu)面密度與優(yōu)異的氣動(dòng)性能，如圖5所示。目前已完成了夏季高光照度以及秋冬低光照度條件下的連續(xù)飛行試驗(yàn)，并創(chuàng)造了國內(nèi)太陽能無人機(jī)最長(zhǎng)連續(xù)飛行航時(shí)27h 37min的新記錄。

圖5 “魅影”太陽能無人機(jī)Fig.5 Phantom solar powered UAV

2 臨近空間太陽能無人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

臨近空間太陽能無人機(jī)具有飛行時(shí)間長(zhǎng)、飛行高度高等優(yōu)勢(shì)，可以有效填補(bǔ)常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)與低軌道衛(wèi)星之間的任務(wù)空白區(qū)域。它兼具傳統(tǒng)常規(guī)航空器、航天器的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此又被稱為“高機(jī)動(dòng)性偽衛(wèi)星”。

2.1 優(yōu)異的長(zhǎng)航時(shí)平臺(tái)

臨近空間太陽能無人機(jī)以太陽能作為消耗能源，依靠其安裝的太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，一方面為動(dòng)力系統(tǒng)以及機(jī)上設(shè)備供電，另一方面可以將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，白天依靠轉(zhuǎn)換的電能維持正常運(yùn)行，晚上依靠蓄電池存儲(chǔ)的電能飛行。通過提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率、提升二次能源能量密度以及基于能量管理的最優(yōu)航路規(guī)劃等途徑，臨近空間太陽能無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)跨晝夜的連續(xù)飛行。此外，與衛(wèi)星相比，太陽能無人機(jī)發(fā)射難度較低，容易部署，且能夠多次回收重復(fù)利用，使用成本低，維護(hù)方便。

2.2 常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)與低軌道衛(wèi)星任務(wù)空白區(qū)域的有效填補(bǔ)者

臨近空間介于外層空間與國家領(lǐng)空之間，不受國際法保護(hù)，可自由通行，是一條“公共走廊”。同時(shí)，臨近空間基本處于絕大多數(shù)有人戰(zhàn)斗機(jī)升限及大多數(shù)小型防空武器的殺傷區(qū)范圍之外，因此臨近空間太陽能無人機(jī)具有極強(qiáng)的生存能力，活動(dòng)范圍極其廣泛。

由于高空發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失和空氣稀薄等原因，常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)的靜升限通常在20 km以下，而低軌道間諜衛(wèi)星的軌道則在100 km以上，因此在20～100 km之間的臨近空間缺乏有效的任務(wù)執(zhí)行器。臨近空間太陽能無人機(jī)的飛行高度在20～30 km，可以有效填補(bǔ)這一區(qū)域的空白。在臨近空間這一區(qū)域，太陽能無人機(jī)可以對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的高分辨率觀測(cè)以及通信覆蓋，與低軌道衛(wèi)星相比，具有更高的分辨率、更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間以及更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力；與地面通信中繼站相比，擁有更大的覆蓋區(qū)域；與通信衛(wèi)星相比，具有更低的信號(hào)延時(shí)和衰減。

2.3 強(qiáng)大的機(jī)體、載荷一體化設(shè)計(jì)潛力

臨近空間太陽能無人機(jī)在滿足高空長(zhǎng)航時(shí)飛行的前提下，可以根據(jù)不同的軍事需求，進(jìn)行無人機(jī)機(jī)體與任務(wù)載荷一體化設(shè)計(jì)。由于太陽能無人機(jī)本身的系統(tǒng)復(fù)雜度不高，因此可以配合任務(wù)需求進(jìn)行改制。例如將雷達(dá)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，配合聯(lián)結(jié)翼布局的太陽能無人機(jī)，可以制造出一架臨近空間太陽能傳感器無人機(jī)，實(shí)時(shí)進(jìn)行360°全向探測(cè)。

3 潛在應(yīng)用場(chǎng)景

作戰(zhàn)需求是無人機(jī)發(fā)展的頭號(hào)牽引力，也同樣牽引著太陽能無人機(jī)的發(fā)展。臨近空間太陽能長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)具有飛行高度高、工作壽命長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、執(zhí)行任務(wù)的空間/時(shí)間分辨率高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)飛機(jī)平臺(tái)飛行高度低、工作時(shí)間短和衛(wèi)星平臺(tái)成本高、偵察密度低的缺點(diǎn)，是執(zhí)行情報(bào)偵察、目標(biāo)監(jiān)視以及通信中繼等軍事任務(wù)的理想空中平臺(tái)。

3.1 巡查監(jiān)視

臨近空間太陽能無人機(jī)由于具有夜以繼日留空的能力，可以對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行持續(xù)巡查監(jiān)視。當(dāng)其搭載電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相機(jī)等偵察設(shè)備時(shí)，可在國土邊境或防空識(shí)別區(qū)內(nèi)編隊(duì)巡邏飛行。既能在固定地點(diǎn)上空盤旋飛行，進(jìn)行定點(diǎn)偵察，又可以選擇不同的偵察航路，對(duì)途經(jīng)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)搜索探測(cè)，可大幅提高偵察任務(wù)的時(shí)空覆蓋度，降低偵察成本。英國“西風(fēng)”太陽能無人機(jī)在18 km高空飛行時(shí)所拍攝的高清晰度偵察照片的分辨率達(dá)到了25 cm，與美國的偵察衛(wèi)星相當(dāng)，但是衛(wèi)星需按特定的軌道運(yùn)行，存在視線盲區(qū)，且其制造與發(fā)射成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽能無人機(jī)的制造與發(fā)射成本。太陽能無人機(jī)一方面可以避免衛(wèi)星成本過高和偵察密度不足的問題，另一方面又可以彌補(bǔ)飛機(jī)飛行高度和巡航能力方面的不足，顯示出了太陽能無人偵察機(jī)的巨大潛力。圖6為臨近空間太陽能無人機(jī)邊境線上空巡查監(jiān)視示意圖。

圖6 臨近空間太陽能無人機(jī)邊境線上空巡查監(jiān)視示意圖Fig.6 Schematic of surveillance patrols by a near space solar powered UAV over a border

3.2 電子偵察/干擾

隨著科技的發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)發(fā)生了深刻的變化——從過去的機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)。信息這一要素在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著日益重要的作用，因此現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)情報(bào)的獲取與保護(hù)提出了更高的要求。將電子偵察設(shè)備裝于太陽能無人機(jī)，可以偵辨雷達(dá)和其他無線電設(shè)備的位置和特性，竊聽遙測(cè)和通信等機(jī)密信息。目前，美、英的電子偵察設(shè)備均能在2 000 km范圍內(nèi)進(jìn)行偵察，完全可以將搭載電子偵察設(shè)備的太陽能無人機(jī)布置在個(gè)別重點(diǎn)關(guān)注國家的領(lǐng)空邊緣地帶進(jìn)行全程、全天候監(jiān)控。此外，臨近空間太陽能長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)還可攜帶電子干擾設(shè)備前出到敵軍事力量附近空域，實(shí)施電子干擾，致盲甚至癱瘓敵武器系統(tǒng)，開辟后續(xù)進(jìn)攻通道。圖7為臨近空間太陽能無人機(jī)進(jìn)行電子偵察/干擾示意圖。

圖7 臨近空間太陽能無人機(jī)進(jìn)行電子偵察/干擾示意圖Fig.7 Schematic diagram of electronic reconnaissance/jamming by near space solar powered UAV

3.3 信息中繼

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)大多數(shù)的戰(zhàn)術(shù)通信都采用成本較低的視距通信。而超視距通信需要依賴于性能較差的短波設(shè)備和衛(wèi)星通信，這兩種超視距通信方式的裝備部署容易受到限制，且衛(wèi)星中繼通信實(shí)時(shí)性差，被干擾的風(fēng)險(xiǎn)大。而無人機(jī)空中中繼通信可提高超視距通信覆蓋率，是目前最有效的衛(wèi)星通信備份方式之一。無人機(jī)信息中繼的工作原理與衛(wèi)星通信類似，但其飛行高度低于衛(wèi)星，具有比衛(wèi)星更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，因而使用靈活，部署成本更低。

臨近空間太陽能長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)搭載輕型多頻段機(jī)載電臺(tái)等通信中繼載荷，可以解決作戰(zhàn)部隊(duì)在執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)時(shí)的超視距通信問題以及高空戰(zhàn)場(chǎng)通信中繼轉(zhuǎn)接問題。通常情況下，戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)配備的短波通信電臺(tái)信號(hào)穿透能力弱，很容易被戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的障礙物遮擋而喪失基本的通信功能。利用多架無人機(jī)搭載通信中繼載荷分布在戰(zhàn)場(chǎng)附近高空，形成通信鏈路，可有效滿足超視距通信需求。搭載通信中繼載荷的太陽能無人機(jī)還可作為戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)載通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)四代機(jī)、三代機(jī)、預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)等各個(gè)空中平臺(tái)的互聯(lián)互通。同時(shí)，由于無人機(jī)平臺(tái)使用靈活度高，可根據(jù)需要隨時(shí)部署，因此其提供的通信中繼服務(wù)在拒止戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖8為臨近空間太陽能無人機(jī)作為信息中繼站示意圖。

圖8 臨近空間太陽能無人機(jī)作為信息中繼站示意圖Fig.8 Schematic diagram of near space solar powered UAV as information relay station

3.4 高空預(yù)警

利用地球曲率遮蔽的低空突防是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要突防樣式。當(dāng)面臨敵方導(dǎo)彈打擊時(shí)，由于受到地球曲率的影響，只有當(dāng)導(dǎo)彈爬升到一定高度時(shí)，地面雷達(dá)才能有效捕捉到目標(biāo)，留給地面雷達(dá)的預(yù)警時(shí)間非常短。將臨近空間太陽能長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)搭載紅外或雷達(dá)載荷部署在重點(diǎn)空域，充分利用其高空、長(zhǎng)航時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，多站協(xié)同探測(cè)，并與地基雷達(dá)配合，能夠有效提高對(duì)敵方來襲導(dǎo)彈的探測(cè)距離，與地基雷達(dá)相互補(bǔ)充，大幅增加地面預(yù)警時(shí)間，為防御武器爭(zhēng)取到更多的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方誘餌干擾的有效辨別以及對(duì)敵低空突防目標(biāo)的有效探測(cè)，大幅提高武器探測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力和綜合防御能力。圖9為臨近空間太陽能無人機(jī)進(jìn)行高空預(yù)警示意圖。

圖9 臨近空間太陽能無人機(jī)進(jìn)行高空預(yù)警示意圖Fig.9 Schematic diagram of high altitude early warning by near space solar powered UAV

4 臨近空間太陽能無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

臨近空間太陽能無人機(jī)的工作過程本質(zhì)上是能量的收集、管理、存儲(chǔ)和耗散的過程，它無需自帶燃料，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)飛行。與傳統(tǒng)飛行器不同，臨近空間太陽能無人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不是飛行速度快、載重量大，而是飛行高度足夠高、連續(xù)飛行時(shí)間足夠長(zhǎng)以及可靠性足夠高。因此，臨近空間太陽能無人機(jī)的發(fā)展需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 高效的太陽能電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

高效的太陽能電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)是支撐太陽能無人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行的關(guān)鍵。

在太陽能電池方面，目前廣泛使用的單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率約為20%，而且受到材料特性的影響，后續(xù)進(jìn)一步提升的空間有限。轉(zhuǎn)換效率更高的砷化鎵太陽能電池受工藝、設(shè)備等影響，價(jià)格昂貴，目前一般只應(yīng)用在衛(wèi)星等航天器上。同時(shí)，航空領(lǐng)域?qū)μ柲茈姵氐囊蟛粌H僅是具有較高的轉(zhuǎn)換效率，它還要求具有良好的物理特性，如耐高/低溫變化、耐輻射、耐腐蝕、高可靠性等。此外，當(dāng)太陽能電池應(yīng)用于飛機(jī)平臺(tái)上時(shí)，它既是產(chǎn)生電能的功能原件，又作為蒙皮的一部分承載氣動(dòng)載荷，其自身厚度小、剛度差、易碎易裂，很難適應(yīng)弦長(zhǎng)較小的機(jī)翼曲面環(huán)境。當(dāng)飛行中機(jī)翼彎曲變形較大時(shí)，電池片將嚴(yán)重受損。因此，臨近空間太陽能無人機(jī)對(duì)太陽能電池板本身特性和封裝工藝提出了極高的要求。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)方面，目前國外太陽能無人機(jī)在概念設(shè)計(jì)階段都提出儲(chǔ)能器應(yīng)選擇高能量密度、高效率的燃料電池，個(gè)別小型太陽能無人機(jī)則選用了性能較好的鋰聚合物電池。盡管燃料電池已成功應(yīng)用于大型飛行器，但對(duì)于輕、微型飛行器，燃料電池現(xiàn)有的體積和重量仍無法滿足要求。太陽神無人機(jī)加裝燃料電池后全機(jī)增重362.88 kg，占無人機(jī)起飛重量的34.8%。儲(chǔ)能系統(tǒng)占整機(jī)質(zhì)量的比重偏大會(huì)影響無人機(jī)最終的氣動(dòng)布局和幾何尺寸，也大大減弱了飛機(jī)的載重能力。因此，研發(fā)一套擁有高電能轉(zhuǎn)換效率與高能量密度的能源系統(tǒng)是未來太陽能無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。

4.2 高空低雷諾數(shù)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)

由于飛行高度高、空氣稀薄，臨近空間太陽能無人機(jī)的飛行雷諾數(shù)較小，具有嚴(yán)重的低雷諾數(shù)效應(yīng)[8-9]。目前，高性能翼型更多是根據(jù)航程和速度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并不特別適合太陽能長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，因此需要針對(duì)低雷諾數(shù)條件下的層流分離、轉(zhuǎn)捩、再附等特性進(jìn)行專門的翼型設(shè)計(jì)。而且，目前針對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)的數(shù)值模擬方法尚有不足，數(shù)值模擬結(jié)果偏差較大，需要進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)來進(jìn)一步研究低雷諾數(shù)流動(dòng)特性。

4.3 大展弦比機(jī)翼超低結(jié)構(gòu)面密度技術(shù)

太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率較低，需要較大的機(jī)翼面積鋪設(shè)太陽能電池組件，這導(dǎo)致太陽能無人機(jī)的翼展較大，例如，“太陽神”高空型HP01的翼展達(dá)到了75 m。同時(shí)，臨近空間太陽能無人機(jī)的機(jī)翼比較柔軟，因此在正常飛行條件下機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生大變形，從而導(dǎo)致氣動(dòng)載荷重新分布，對(duì)全機(jī)性能產(chǎn)生較大影響[10]。這種氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)耦合的特點(diǎn)對(duì)飛行速度和飛行品質(zhì)具有較大影響，機(jī)翼的自然頻率和氣動(dòng)彈性特性發(fā)生明顯變化也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力變差，從而造成穩(wěn)定性與安全性低等問題。因此，開展大展弦比無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的綜合布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究極為重要。

5 結(jié)束語

臨近空間太陽能無人機(jī)在航時(shí)、飛行高度等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在巡查監(jiān)視、電子偵察、信息中繼、高空預(yù)警等軍事領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。隨著太陽能電池與二次電池的進(jìn)一步發(fā)展，太陽能無人機(jī)的負(fù)載能力將得到有效提升，臨近空間太陽能無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用必將更加廣闊。