振奮!中國太陽能無人機成功試飛:性能國際前三

qiqiwang     2017-02-08     443     檢舉

太陽能無人機是當今世界航空工業重點研究的新興領域,美歐等國計劃都將其作為高空長航時飛行平台。

據新華社2月8日報道,一架翼展40多米、表面布滿太陽能電池板的螺旋槳飛機,目前正靜靜地停在中國航天空氣動力技術研究院的機庫里。這架彩虹系列太陽能無人機已完成飛行試驗,將於今年測試臨近空間高度飛行。

空氣動力技術研究院無人機總工程師石文介紹,這是美國NASA系列後世界上最大的太陽能無人機,性能指標和技術能力為國際前三。

憑藉超高空、長航時、易保障這三大「法寶」,太陽能無人機未來有望承擔起長時間空中預警、大面積空中偵察以及災害監測、氣象觀測、通信中繼等任務。

振奮!中國太陽能無人機成功試飛:性能國際前三

翼展逾40米的中國新一代彩虹系列太陽能無人機(圖片來源:大公網)

可實現區域持久駐留

據大公網8日報道,太陽能飛行器顧名思義是一種以太陽光能作為能源的飛行器。白天,飛行器依靠太陽電池的光電轉換效應,為動力系統、航空電子設備及任務載荷提供能量,同時將多餘的能量儲存在蓄電池中。夜晚,它再通過蓄電池的電能持續飛行。

如果不考慮部件壽命,這種飛行器理論上可以實現「永久飛行」。作為世界強國都在聚焦的太陽能無人機,則可具有數十千米的飛行高度、長達數月的巡航能力。

太陽能無人機也被稱為「大氣層衛星」,可代替低軌道衛星的部分功能。太陽能無人機可在局部形成持續的監視、信息中繼能力。與衛星的周期性訪問相比,太陽能無人機可實現區域持久駐留,其執行監視任務的時間/空間解析度更高,區域通信能力更強,且起降場地簡單,發射及運行成本更低。

太陽能無人機的研究,成為世界強國的必爭之地,在美歐等國都在發展規劃中都將太陽能無人機作為高空長航時飛行平台,並向超高空化、超長航時化、大型化、實用化方向發展。中國的彩虹系列太陽能無人機,近年來異軍突起,成為這一領域極具競爭力的選手。

據介紹,中國航天空氣動力技術研究院的太陽能無人機研究,已先後突破了平台概念研究及小型驗證機研製、關鍵技術研究和方案論證、40餘米翼展大尺度技術驗證機飛行試驗等關鍵技術。翼展長度達到40餘米的樣機,已完成多次飛行試驗,實現了小風速、劇烈垂直氣流變化、大強度水平風多種風場條件下的低空自主穩定飛行。

飛得高 難點是氣動布局無模板

太陽能無人機通常採用大展弦比機翼,可升至20千米至30千米高度。這一空域大氣稀薄,氣象條件穩定,飛行因此可以更平穩、快速。

展弦比是指機翼長度的平方除以機翼面積。現代大型飛機多採用大展弦比機翼,以減小能耗。同樣一架太陽能飛機,飛行高度越高,所需功率就越大,對於光伏吸收和推進系統效率、機體結構與蓄電池組的輕質化等要求也就更高。

石文說,太陽能無人機的氣動布局和翼型,無法套用成熟的常規飛機模板,關鍵在於解決氣動布局優化設計問題,以提高飛機的升阻比。

他介紹,由於依靠太陽能提供的電力飛行,目前翼展60米量級的太陽能無人機提供的有效載荷能力大致在50千克量級。

飛得久 目標是數月可以不停飛

太陽能無人機無燃油消耗,有望實現數月甚至更長時間的超長航時飛行。

石文介紹,由於太陽能電池轉化效率和儲能電池能重比不足,推進能力有限,目前太陽能無人機高空飛行速度一般在150千米/小時至200千米/小時。

他表示,高效高能量密度太陽能及儲能能源系統是決定太陽能無人機性能水平的關鍵領域,因此需要大量關注新興技術,包括超高效柔性薄膜太陽電池及輕質組陣技術、先進光電轉換技術、高比能量儲能電池技術等。

易保障 前提是系統技術可靠性高

太陽能無人機具有較高的運行效費比。其機載系統簡單,對跑道長度要求不高,也無需加油等保障設備。由於航時超長,完成持久性任務無需頻繁更替輪換。

不過,石文告訴記者,太陽能無人機總體設計技術在國內外尚未形成成熟的設計體系,技術和工程設計上也有別於常規的固定翼無人機。

比如,臨近空間飛行環境對電機裝置的性能要求兼備高效率、高功率密度、高可靠性、高穩定性,現有航空平台飛控系統的傳感器、作動器也還無法滿足超長航時飛行等要求,後續需要大量設計試驗和實飛驗證。

但相比衛星,太陽能無人機具有成本低、部署靈活等優勢。此外,可與高空巨型飛艇配合,以固定平台與機動平台的高低搭配形式,形成區域全覆蓋的不間斷態勢感知、通信和中繼網絡。

石文說,他帶領的科研團隊已初步探索出太陽能飛機的關鍵技術點,未來研究將向更高難度、更深層次挺進。

據大公網報道,對於太陽能無人機未來的用途,空氣動力技術研究院的專家指出,除可進行空中長時間偵察監視等軍事用途外,這種無人機還可以完成災害監測、邊境巡邏、空中和地面交通管理、通訊中繼等任務。在發生災害時,替代中斷的通信,保持災區與外界的聯絡。

太陽能飛行器研發多國競技

美國NASA太陽能無人機:截至2003年項目結束前共研製出Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios,都採用了飛翼布局。其中,Helios的翼展長度達到75.3米。

美國國防部預研局「禿鷹」計劃:目的是尋求提供一種可保持在18.3km~27.4km高度、攜帶450kg有效載荷、機上功率5kW、續航時間超過5年、可在99%的時間內保持在任務空域中的固定翼飛行器。波音/奎奈蒂克公司團隊提出的「太陽鷹」方案中標。

英國奎奈蒂克公司的Zephyr太陽能無人機計劃始於2001年。2010年7月,Zephyr在亞利桑那州的尤馬實驗場起飛,攜帶2.7kg有效載荷,飛行14天零24分鐘,起飛重量50kg,翼展22.5m。

振奮!中國太陽能無人機成功試飛:性能國際前三

「陽光動力2號」

瑞士「陽光動力2號」太陽能飛機在2015年至2016年環球飛行期間,最多曾達到118小時不間斷飛行。由於其不是無人機,需要搭載人員和相關設備,總載重約為100公斤,設計巡航高度範圍在1.5千米至8.5千米,飛行受氣象條件影響較大。