中國需要更大太陽能無人機(jī)

劉揚(yáng) 劉煊尊

60米級翼展太陽能無人機(jī)呼之欲出?

《環(huán)球時報》記者根據(jù)公開資料梳理了一下國產(chǎn)中大型太陽能無人機(jī)的發(fā)展脈絡(luò)。目前中國在研型號至少包括“彩虹”T4太陽能無人機(jī)、“啟明星-50”太陽能無人機(jī)、“墨子II型”太陽能飛機(jī)等。其中，作為中國首款完成首飛的大型太陽能無人機(jī)“彩虹”T4太陽能無人機(jī)2017年完成首次試飛，持續(xù)飛行15小時左右后平穩(wěn)降落，成功完成2萬米以上高空飛行試驗。這也讓我國繼英美之后，躋身太陽能無人機(jī)領(lǐng)域的世界前三。根據(jù)公開資料，“彩虹”T4無人機(jī)翼展達(dá)到45米量級。

熟悉無人機(jī)的專家對《環(huán)球時報》記者表示，這個翼展級別為國產(chǎn)太陽能無人機(jī)發(fā)展奠定了非常高的起點。45米的翼展大約相當(dāng)于25輛小轎車并列排放的寬度，飛行高度達(dá)到2萬米相當(dāng)于將48個天津電視塔疊放的總高。該型太陽能無人機(jī)安裝有8個發(fā)動機(jī)，機(jī)翼上方基本上全部覆蓋太陽能電池板，其核心關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。

據(jù)央視報道，今年9月初首飛的“啟明星-50”太陽能無人機(jī)翼展達(dá)到50米量級、飛行高度可達(dá)2萬米。該機(jī)是中國航空工業(yè)研制的首款超大展弦比高空低速無人機(jī)，也首次采用雙機(jī)身布局的大型無人機(jī)、第一款以太陽能為唯一動力能源的全電大型無人機(jī)。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，“啟明星-50”大型太陽能無人機(jī)首飛成功，不僅提振了各方對太陽能無人機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的信心，也將進(jìn)一步推動我國在新能源、復(fù)合材料、飛行控制等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。一名熟悉無人機(jī)的中國專象對.《環(huán)球時報》記者表示，通過對比公開資料，“彩虹”T4無人機(jī)與“啟明星-50”無人機(jī)的尺寸差不多，發(fā)動機(jī)數(shù)量也總體相當(dāng)，應(yīng)該說能力基本相當(dāng)。

那么國產(chǎn)太陽能無人機(jī)矩陣中，還有翼展更大的機(jī)型嗎？

《環(huán)球時報》記者發(fā)現(xiàn)，在之前的多次珠海航展上，“彩虹”公司都展出了一個縮比的太陽能無人機(jī)模型。根據(jù)2021年珠海航展上“彩虹”公司發(fā)布的宣傳材料，該太陽能無人機(jī)翼展達(dá)到60米量級，升限超過2萬米，最大續(xù)航時間超過30天，任務(wù)載荷重量達(dá)30公斤。

中國航空專家傅前哨接受《環(huán)球時報》記者采訪時預(yù)測，按照太陽能無人機(jī)發(fā)展的規(guī)律以及相關(guān)型號發(fā)展周期，擁有更大翼展、更大載荷的我國新型太陽能無人機(jī)有望在今年珠海航展亮相。

大翼展——太陽能無人機(jī)的關(guān)鍵

國際上太陽能無人機(jī)發(fā)展也經(jīng)歷了翼展尺寸逐漸增大的過程。自1974年Sunrise-1太陽能無人機(jī)問世以來，各國在太陽能無人機(jī)領(lǐng)域取得多項突破。美國國家航空航天局致力于飛翼太陽能無人機(jī)研制，經(jīng)歷了Pathfinder、Centurion、Helios等多個型號，翼展從Pathfinder的30米量級增大到Helios的75.3米。Helios在2003年試飛中達(dá)到了2.95萬米的最大飛行高度，不過當(dāng)時受限于電池性能，只飛行了不到一天時間。波音子公司的“奧德修斯”(Odysseus）平流層太陽能無人機(jī)項目的翼展達(dá)到243英尺（74米）。

為什么太陽能無人機(jī)的翼展要越做越大？專家對《環(huán)球時報》記者解釋說，美國曾提出“禿鷹”無人機(jī)計劃：攜帶幾百公斤的載荷、在空飛行數(shù)年、飛行高度達(dá)到1.7萬-2.7萬米。如果同時具備以上幾個參數(shù)，這種無人機(jī)就具有很高的實用價值，但要實現(xiàn)這樣的性能需要極高的升阻比、極輕的結(jié)構(gòu)重量、效率極蒿的能源系統(tǒng)等。

傅前哨表示，太陽能無人機(jī)不斷發(fā)展，翼展越做越大，目的是使其可以在長達(dá)一個月甚至數(shù)個月的長航時任務(wù)中，攜帶并使用重量更大、耗電量更大的載荷。太陽能無人機(jī)想具備長航時，尤其是不間斷跨晝夜飛行能力，就需要把太陽能無人機(jī)的翼面做大，安裝更多的光伏電池，攜帶多個電機(jī)，讓無人機(jī)有足夠的功率在高空進(jìn)行巡航。如果晝間儲存的電量不能滿足越夜使用，那么無人機(jī)的留空時間就非常受限。

傅前哨解釋說，如果無人機(jī)攜帶的載荷小，可能難以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，所以這也要求太陽能無人機(jī)通過增大翼展盡'量增大發(fā)電能力。另外，大展弦比機(jī)翼飛機(jī)的升阻比一般比較高，升阻比高的飛機(jī)通常留空時間也會比較長、巡航距離也就比較遠(yuǎn)。綜合這幾個角度考慮，太陽能無人機(jī)的翼展會做得越來越大。不過，在無人機(jī)放飛以及爬升時，越細(xì)長的機(jī)翼受外界氣流干擾的影響就越大，如果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題沒有解決，無人機(jī)可能還沒有達(dá)到任務(wù)高度，機(jī)翼就折斷了。所以想要增加翼展，還需要解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。

傅前哨認(rèn)為，除去翼展的增加，新款太陽能無人機(jī)使用的光伏電池的性能也會有顯著提升，這也將提升無人機(jī)的發(fā)電能力。在太陽能光伏發(fā)電這個技術(shù)領(lǐng)域，我國不但是全球第一，而且技術(shù)進(jìn)步比較快。整體而言，我國大型太陽能無人機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。

無人機(jī)研究專家、南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院副總工程師黃大慶教授表示，我國在太陽能無人機(jī)領(lǐng)域，無論大型、小型，技術(shù)水平都處在國際領(lǐng)先的第一梯隊，“接下來要看誰的產(chǎn)業(yè)化做得更好，誰先投入商業(yè)應(yīng)用”。

有國內(nèi)太陽能無人機(jī)項目的負(fù)責(zé)人認(rèn)為，中國的太陽能飛機(jī)硬件沒有問題，關(guān)鍵在于氣象保障、航路計劃等“軟件”尚顯不足。

“偽衛(wèi)星”前景值得期待

一位匿名專家對《環(huán)球時報》記者表示，歐美的太陽能無人機(jī)一般設(shè)計飛行3個月左右，美國“禿鷹”計劃設(shè)計要飛5年。如果具備這樣的留空時間，太陽能無人機(jī)攜帶相應(yīng)載荷，就可以執(zhí)行偵察監(jiān)視、通信中繼、森林防火、海洋監(jiān)視等多重任務(wù)，無論是在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，都能發(fā)揮非常重要的作用，因為它的留空時間是其他所有航空器都做不到的。與衛(wèi)星等航天器相比，太陽能無人機(jī)信號傳輸損失小、精度高，可實現(xiàn)理論上的目標(biāo)區(qū)域永久駐留，不存在重返周期問題，生產(chǎn)和運(yùn)營成本低；與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，它的覆蓋區(qū)域廣，留空時間長；與浮空器相比，它的操控性好，機(jī)動性強(qiáng)。因此，未來超長航時太陽能無人機(jī)將成為空中力量的重要補(bǔ)充，進(jìn)一步促進(jìn)空天一體化發(fā)展。

上述專家表示，如果一架太陽能無人機(jī)可以連續(xù)飛行100天，每天飛行3000公里，就可以飛行30萬公里。當(dāng)然受限于發(fā)電效率，太陽能無人機(jī)目前還無法在全球使用，它們通常只在南北緯度45度之間使用。要想研制出一架可以實現(xiàn)越夜飛行，特別是擁有在1.7萬-2.7萬米的大風(fēng)層以上越夜能力的無人機(jī)，要求非常高。因為只有長時間保持在大風(fēng)層之上才能保證完成任務(wù)的能方，否則遇到雨雪、大風(fēng)等天氣，無人機(jī)沒法執(zhí)行任務(wù)，可用性將大大受限。而要實現(xiàn)在這樣的高度長時間巡航則要解決總體、氣動、結(jié)構(gòu)、動力能源等技術(shù)難題。

將來這些問題全部解決之后，是否就可以實現(xiàn)“偽衛(wèi)星”的定位呢？上述專家認(rèn)為，這種前景是非常值得期待的，未來長航時大型太陽能無人機(jī)主要有兩種應(yīng)用模武：一種模式是定點小半徑盤旋，“掛”荏天上盯著某個地區(qū)；另一種模式是一天跑兩三千公里，進(jìn)行巡邏，并在巡邏過程中根據(jù)需要再次進(jìn)行定點觀測。如果多架太陽能無人機(jī)組合，就可以形成一個非常有效的信息獲取系統(tǒng)。而且太陽能無人機(jī)站得高看得遠(yuǎn)，如果在2萬米的高空巡航，視距就可以達(dá)到500公里，相當(dāng)于可以覆蓋幾十萬平方公里的面積。多機(jī)組合可以攜帶不同的載荷，包括無線電信號、光學(xué)信號、多光譜傳感器等，以應(yīng)付不同的環(huán)境與氣候條件、滿足不同任務(wù)需求。這樣的綜合費(fèi)效比就會很高。

如果太陽能無人機(jī)與衛(wèi)星組合使用的效果會更好，衛(wèi)星可以實現(xiàn)多顆、廣域、大視野，太陽能無人機(jī)則可以實現(xiàn)詳查，長時間盯著一個區(qū)域。在民用領(lǐng)域可以進(jìn)行通信，以較好的費(fèi)效比滿足通信覆蓋困難的高山地區(qū)、特殊地區(qū)的通信需求。比如，在人煙稀少的地區(qū)，如果要布設(shè)基站費(fèi)效比很差，可以在當(dāng)?shù)馗呖铡皰臁币患芴柲軣o人機(jī),并動態(tài)分配傳輸速率。

該專家認(rèn)為，在區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行通信保障等任務(wù)時，高空長航時太陽能無人機(jī)可能在性能、費(fèi)效比方面都要優(yōu)于美國的“星鏈”衛(wèi)星?！?/p>