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太阳能无人机:飞在高空的“准卫星”
来源:中国航天报·飞天科普周刊     日期:2017/06/30    字体:【】【】【

近日,据中央电视台报道,由中国航天科技集团公司十一院研制的彩虹太阳能无人机成功完成2万米以上高空飞行试验,使我国成为继美、英之后,世界上第三个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家。

近年来,太阳能无人机的报道频频出现在公众视野,引起了广泛关注。那么,高空太阳能无人机有哪些优势?现阶段是否完美无缺呢?

备受各国欢迎

太阳能无人机是指采用太阳能作为能源,使用电力驱动,可进行长航时飞行的航空器。

美国是世界上最早研制高空太阳能无人机的国家。1974年11月4 日,美国研制的世界上第一架用太阳能驱动的SunriseI无人机在加州试飞成功。随后,英国、德国等国家也开始陆续开展或加大了关于高空太阳能无人机的研制工作。目前,美国宇航局、美国国防部高级研究计划局及一些私营公司都已研制出高空、临近空间太阳能无人机,其技术水平走在世界前列。

进入新世纪后,随着能源系统的升级换代,以及总体优化、轻质高强结构等学科水平的提升,太阳能无人机获得了快速发展,并逐渐发展成柔性机翼无人机和硬式机翼无人机两种技术路线。

柔性机翼技术继续沿用了超大翼展技术思路,通过增大无人机尺度以获得更强的能源采集能力,采用薄膜结构以减轻结构重量,进而实现载荷能力的提升。

硬式机翼技术则更强调无人机使用的维护性能,通过采用高效能源管理、轻质高强碳纤维结构、高升阻比气动设计等手段,将无人机翼展控制在中小尺度,并凭借高强碳纤维结构有效适应对流层环境。

由于太阳能无人机具有超长续航时间、飞行高度高、机动灵活等优势成为各国大力发展的对象。同时,太阳能无人机以太阳光作为能源,在白天将多余能量储存在蓄电池中,夜晚通过蓄电池持续飞行。和以化学燃料为能源的飞机相比,太阳能飞机不污染大气,属于真正的绿色环保飞行器。

可部分替代卫星

超长续航时间以及较高飞行高度使太阳能无人机像一颗在临近空间运行的“准卫星”一样,可执行各类遥感、通信类任务。

例如,美国谷歌、Facebook等互联网公司为开拓市场,推动实现偏远地区互联网接入,均通过收购专业无人机公司的方式来发展太阳能无人机,希望它能成为独立于卫星、地面基站外的第三种通信基础设施。利用太阳能无人机作为平台,将信号中转传输至覆盖区域,实现互联网信号接入,还可通过多机接力“组网”,实现覆盖范围的进一步拓展。

在目前我国拥有的近4亿电视用户当中,通过卫星电视接收器来收看电视节目数量占据近20%的份额。太阳能无人机相比卫星,其“发射回收”的成本更低,不需要价值数亿的运载火箭,当需要升级维护时,返回降落至地面即可。

此外,和卫星相比,在平流层飞行的太阳能无人机与地面的距离分别是地球同步轨道卫星、地球中轨道卫星和地球低轨道卫星的1/1800、1/400、1/40,其自由空间衰减与传输延时显著降低,有利于发射和接收终端的小型化、宽带化。

另外,无人机平台自身造价在百万或千万量级,与卫星的数亿量级相比,成本上也大幅降低,且可单机独立运行,因而建设周期短,初期投资少。

除了通信类应用外,太阳能无人机还可搭载高分辨率相机,对地实现0.1~0.2米分辨率的观测成像,这些图像信息可应用于土地确权、不动产登记、城市测绘、国土资源调查、灾害评估等诸多领域,具有巨大的潜在社会经济效益。

正因为太阳能无人机如此优秀,近年来各航空大国竞相研制。

亮丽的背后有短板

太阳能无人机作为一种清洁能源飞行器,在看到广阔应用前景的同时,也要清醒认识到其距离大规模应用还有较长的路要走。一是太阳能无人机自身的使用维护性能需要进一步提升,使其具备更强的环境适应性,飞行使用不必再“等天”。二是无人机载荷能力和任务设备需求要匹配,这有赖于无人机平台自身能力的提升和任务设备的进一步轻量化低功耗设计。最后是通过冗余设计、可靠性试验等手段进一步增强无人机可靠性,保障超长任务航时。

此外,还需要对该类无人机的空域申请和管理、适航认证、行业应用标准规范等“软环境”给予关注,保障太阳能无人机的顺利运用和可持续发展。

总之,太阳能无人机作为航空科学技术与新能源技术结合的产物,具有广阔的应用前景,尤其是现阶段发展的太阳能无人机,在补充卫星功能方面已向工程应用逐步接近,这让人类有理由相信,未来随着高效能源等相关技术的进一步发展,“永久飞行”的梦想终将实现,太阳能无人机这个高空“准卫星”将出现在我们生活的诸多领域。(李庆  刘晓春)

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