高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的技術(shù)可靠性研究

崔勁　李文博　李晗

關(guān)鍵詞：高空長(zhǎng)航時(shí)；太陽能無人機(jī)；技術(shù)可靠性

近年來，無人機(jī)技術(shù)在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域從農(nóng)業(yè)、氣象觀測(cè)，到城市規(guī)劃和軍事領(lǐng)域。其中，高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸引起研究者和工程師們的注意。它能夠在高空進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的飛行任務(wù)，同時(shí)利用太陽能作為主要的能源來源，為其帶來幾乎無限的續(xù)航能力。這種技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集、無線通信覆蓋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。然而，如何確保無人機(jī)在高空長(zhǎng)時(shí)間飛行的過程中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，以及如何在各種極端環(huán)境中進(jìn)行有效操作，都是高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)面臨的挑戰(zhàn)。此外，太陽能供電系統(tǒng)、高效的能量管理與存儲(chǔ)技術(shù)，以及航空電子與通訊系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的可靠性，也直接決定了這類無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的效果[1]。基于上述背景，本文對(duì)高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的技術(shù)特性、主要挑戰(zhàn)及提高其技術(shù)可靠性的策略進(jìn)行研究，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用提供參考和啟示。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)是利用太陽能為主要能源進(jìn)行持續(xù)飛行的無人機(jī)。其設(shè)計(jì)原理基于兩個(gè)核心要素：太陽能轉(zhuǎn)換效率與輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。太陽能電池板布置于無人機(jī)的翼身上，通過收集日光并轉(zhuǎn)化為電能，為無人機(jī)的飛行提供持續(xù)動(dòng)力。為了確保持續(xù)飛行，無人機(jī)同時(shí)裝配有儲(chǔ)存電池組，貯存多余的電能以供夜間或低光照環(huán)境使用[2]。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)主要由以下幾部分組成。太陽能電池板：這是無人機(jī)獲取能源的主要途徑，通常使用高效的單晶或多晶硅太陽能電池。儲(chǔ)存電池組：用于存儲(chǔ)多余電能，確保無人機(jī)在沒有陽光或低光照環(huán)境下仍能持續(xù)飛行。主控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)整機(jī)的飛行控制、能量管理以及與地面控制中心的通信。推進(jìn)系統(tǒng)：由電機(jī)和螺旋槳組成，為無人機(jī)提供推進(jìn)力。通信與導(dǎo)航系統(tǒng)：確保無人機(jī)與地面控制中心的通信暢通，并提供準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航信息。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是其持續(xù)性、長(zhǎng)航時(shí)和廣覆蓋范圍，這使得它在多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。具體如下：

氣象觀測(cè)：由于其可以在高空長(zhǎng)時(shí)間飛行，使得它成為進(jìn)行高層大氣觀測(cè)的理想工具，為氣象預(yù)測(cè)和氣候研究提供重要數(shù)據(jù)。

通信中繼：在偏遠(yuǎn)地區(qū)或大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，無人機(jī)可以作為通信中繼站，為地面用戶提供通信信號(hào)覆蓋。

環(huán)境監(jiān)測(cè)：用于森林火災(zāi)、污染源追蹤等環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)，為環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

邊境巡邏與監(jiān)控：針對(duì)邊境地區(qū)，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、廣范圍的巡邏和監(jiān)控，提高安全效率。

農(nóng)業(yè)：對(duì)于大型農(nóng)場(chǎng)，無人機(jī)可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的作物生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策支持。

? 二、技術(shù)可靠性的核心因素

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)可靠性工作面臨 “極小樣子、臨近空間復(fù)雜環(huán)境、技術(shù)成熟度低” 的特點(diǎn)，可靠性工作應(yīng)遵循以下基本原則開展：需求牽引、預(yù)防為主、權(quán)衡協(xié)調(diào)、全壽命管控。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)在設(shè)計(jì)和制造過程中，對(duì)材料與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著嚴(yán)格的要求，因?yàn)檫@直接關(guān)系到無人機(jī)的飛行性能、安全性以及經(jīng)濟(jì)效益。從材料方面來看，無人機(jī)需要使用輕質(zhì)且強(qiáng)度和剛度高的材料。輕質(zhì)材料可以確保無人機(jī)有更長(zhǎng)的航時(shí)和更高的升空能力，而材料的強(qiáng)度與剛度則關(guān)系到無人機(jī)在復(fù)雜氣候條件下的穩(wěn)定性和耐久性。常見的材料如碳纖維復(fù)合材料、鋁合金和鈦合金，在經(jīng)過精密加工后，不僅具備輕量化特點(diǎn)，還擁有優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠承受極端的溫度變化和機(jī)械沖擊[3]。此外，太陽能電池板也需要具有高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，以確保在不同的光照條件下都能夠持續(xù)為無人機(jī)提供足夠的電能。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要。無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要確保其在飛行中具有高的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少風(fēng)阻，提高飛行效率。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還需要考慮到無人機(jī)在高空長(zhǎng)航時(shí)的飛行環(huán)境。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使無人機(jī)在這些變化中保持穩(wěn)定的飛行態(tài)勢(shì)，減少能量消耗，確保任務(wù)的順利完成。

高空無人機(jī)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是夜間或陽光不足的環(huán)境中如何保持持續(xù)飛行。為了解決這個(gè)問題，無人機(jī)需要配備高效、大容量且壽命長(zhǎng)的電池。鋰聚合物電池和鋰硫電池由于其高的能量密度和充放電效率，成為當(dāng)前的主流選擇。這些電池能在短時(shí)間內(nèi)快速儲(chǔ)存大量的能量，并在夜間或無太陽能供應(yīng)時(shí)提供穩(wěn)定的電力輸出。能量管理系統(tǒng)的任務(wù)是確保太陽能的有效轉(zhuǎn)換和電能的合理分配。系統(tǒng)首先需要對(duì)從太陽能電池板收集到的能量進(jìn)行有效管理，確保在日間最大限度地儲(chǔ)存能量，并在陽光不足時(shí)調(diào)節(jié)電池的放電。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通常都是在復(fù)雜的環(huán)境中飛行，這要求其搭載的航空電子與通信系統(tǒng)具備高度的魯棒性。航空電子系統(tǒng)，包括導(dǎo)航、定位、控制與監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵組件，它們?cè)陲w行過程中需要持續(xù)為無人機(jī)提供精確的飛行參數(shù)和狀態(tài)信息。任何的系統(tǒng)失效或數(shù)據(jù)誤差都可能導(dǎo)致無人機(jī)的飛行安全受到威脅。因此，航空電子系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)得足夠魯棒，以避免外部環(huán)境因素如溫度、濕度、輻射等對(duì)其正常工作的干擾。通信系統(tǒng)則是無人機(jī)與地面控制中心之間信息交流的關(guān)鍵。在高空長(zhǎng)航時(shí)飛行中，通信系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)由于其特殊的工作環(huán)境，經(jīng)常面臨各種極端氣象條件。從高空的低溫、低氣壓，到強(qiáng)烈的太陽輻射，再到復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)條件，這些都對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)和各種系統(tǒng)提出了極高的要求。環(huán)境適應(yīng)性主要體現(xiàn)在無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和系統(tǒng)優(yōu)化上。例如，為了應(yīng)對(duì)高空的低溫條件，無人機(jī)的部件和電路都需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和選材，確保其在低溫環(huán)境下仍能保持正常工作。而對(duì)于強(qiáng)烈的太陽輻射，無人機(jī)的外表面常采用反射或吸收涂層，以減少對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的熱量影響。在極端風(fēng)場(chǎng)條件下，無人機(jī)需要具備出色的飛行穩(wěn)定性和操控性。這要求其飛行控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知并適應(yīng)外部環(huán)境的變化，做出快速且準(zhǔn)確地調(diào)整，確保飛機(jī)的穩(wěn)定飛行。

在航空工程領(lǐng)域，材料的選擇與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是決定無人機(jī)性能的核心因素。隨著科技的發(fā)展，新型先進(jìn)材料逐漸被引入到高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的制造中，為無人機(jī)帶來了更輕盈的結(jié)構(gòu)、更高的耐受力和更長(zhǎng)的使用壽命。此外，納米技術(shù)的應(yīng)用也為無人機(jī)提供了更好的熱防護(hù)和防輻射性能。在氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)可以模擬無人機(jī)在各種飛行條件下的氣動(dòng)性能，幫助優(yōu)化機(jī)翼形狀和機(jī)身，達(dá)到更高的氣動(dòng)效率。此外，模塊化和可拆裝的設(shè)計(jì)理念也逐漸被引入，使得無人機(jī)更加靈活，易于維護(hù)和升級(jí)。

高效能量管理是決定高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。為了確保持續(xù)、穩(wěn)定地飛行，無人機(jī)需要在飛行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)控其能量消耗和存儲(chǔ)，加以智能高效的能源資源調(diào)配。先進(jìn)的太陽能電池技術(shù)，如多結(jié)太陽電池，能夠有效地吸收和轉(zhuǎn)化來自太陽的輻射能量，為無人機(jī)提供持續(xù)的動(dòng)力來源。隨著技術(shù)的進(jìn)步，太陽電池的轉(zhuǎn)化效率也在不斷提高，使得無人機(jī)在飛行中能夠獲得更多的能量。與此同時(shí)，高性能的電池存儲(chǔ)技術(shù)也是不可或缺的。現(xiàn)代鋰離子電池和鋰硫電池等，因其高的能量密度和長(zhǎng)時(shí)間的放電特性，成為無人機(jī)的首選。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要依賴精密的航空電子系統(tǒng)來保障其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在此背景下，自適應(yīng)航空電子系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注。這種系統(tǒng)能夠根據(jù)無人機(jī)的飛行環(huán)境、任務(wù)要求以及機(jī)身狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整其操作參數(shù)，確保飛行的穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)傳感器或其他關(guān)鍵部件出現(xiàn)故障時(shí)，該系統(tǒng)還能自動(dòng)切換到備用模式，確保任務(wù)的連續(xù)性。在通信方面，高空無人機(jī)必須保持與地面控制站的穩(wěn)定連接。因此，自適應(yīng)通信系統(tǒng)顯得尤為重要。

為了確保高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，技術(shù)維護(hù)和更新策略顯得尤為重要。首先，定期的健康檢查和預(yù)防性維護(hù)是不可或缺的。通過使用先進(jìn)的診斷工具和技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障，從而提前進(jìn)行干預(yù)，避免事故的發(fā)生。其次，隨著科技的進(jìn)步，新的技術(shù)和材料不斷涌現(xiàn)。為了確保無人機(jī)保持領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，定期的技術(shù)更新是必要的。

隨著高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的發(fā)展，其在地理探測(cè)、氣象觀測(cè)及通信覆蓋等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，這些無人機(jī)的應(yīng)用不僅僅依賴技術(shù)的先進(jìn)性，其技術(shù)的可靠性更是保障其持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。而就無人機(jī)各個(gè)技術(shù)而言，其所面臨的挑戰(zhàn)是多樣的，包括材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、能量管理、航空電子和通信系統(tǒng)以及環(huán)境適應(yīng)性等方面的問題。為了克服這些挑戰(zhàn)，提高其技術(shù)可靠性，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和技術(shù)、智能的能量管理、自適應(yīng)的航空電子系統(tǒng)以及針對(duì)性的技術(shù)維護(hù)策略是必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張健，王江三，耿延升等.高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（04）：14-20.

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[3]段卓毅，王偉，耿建中等.高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)高效氣動(dòng)力設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2017，35（02）：156-171.

（作者單位：中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院）