研发一款长航时太阳能无人机难在哪里？

Jorliman

9月3日，我国研制的第一款以太阳能为唯一动力能源的全电大型无人机平台——“启明星50”大型太阳能无人机成功首飞。


作为一款能够在高空连续飞行的“伪卫星”，“启明星50”采用双机身设计，巡航高度达2万米以上，能够在高空持续执行高空侦察、森林火情监测、大气环境监测、地理测绘、通信中继等任务。


此前，航空工业一飞院针对“启明星”项目进行了两个阶段的技术验证工作。
2016年，航空工业一飞院成功研制出10米翼展技术验证机。
通过近两年对高效气动布局、轻质结构和能源综合管理等关键技术的深化验证，自主飞行、全系统验证试飞、长航时试飞等试飞科目持续开展，于2018年9月实现了长航时连续飞行。


2018年5月，首架20米翼展验证机机体完成制造，并于当年完成了系统功能试验、结构刚度和模态耦合试验、滑行试验和遥控首飞，以及太阳能电池板铺设等工作。


作为能够在临近空间长时间飞行的“伪卫星”，太阳能无人机平台用途甚广：
在军事方面，太阳能无人机飞行高度很高，可以避免地面攻击，又同时具备卫星与飞机的对地测绘能力；
在民用方面，太阳能无人机可以作为空中中继平台，提供通信服务。
此外，由于经济成本的方面的优势，太阳能无人机还可以在某些方面作为卫星功能的替代品。因此，近些年来各国航空制造业都在大力推进太阳能无人机的研发工作。
美国与欧洲
8月19日，空客公司主导研制的“西风”（Zephyr）无人机在美国亚利桑那州的试验场坠毁。在坠毁前，“西风”已经不间断飞行了64天。



“西风”太阳能无人机

“西风”的此次飞行源于由空客防务公司和美陆军未来司令部（Army Futures Command）所共同组织的一次平流层飞行试验。
“西风”并不是空客公司原创的项目，而是购买自英国QinetiQ公司。
2013年，空客防务公司从QinetiQ公司购买了“西风”无人机项目。在这一项目流失后，一些工程师离开了QinetiQ公司，成立了棱镜（Prismatic）公司，并研发出了“西风”的竞争机型PHASA-35，“PHASA”代表持久的高空太阳能飞机，数字35代表翼展。
2019年，英国BAE系统公司收购了棱镜公司，该项目也正式转入BAE系统门下。2020年2月，PHASA-35在澳大利亚完成首飞。目前依然在研发改进中，目标性能是搭配锂离子电池和超轻型砷化镓太阳能电池，令其在2万米高度停留长达12个月。



PHASA-35太阳能无人机概念图

按照空客的设想，“西风”无人机在“视觉和感知”领域至少有12种应用，能够搭载各种传感器，包括红外和高光谱成像、雷达成像、激光成像探测和测距（LIDAR）、无源射频监测（如SIGINT）和海上自动识别系统（AIS）等。
目前，空客似乎认为通信服务是“西风”最有前景的发展方向之一，毕竟与卫星相比，这种高空“伪卫星”的制造成本更低，而且覆盖范围灵活，没有固定轨道。
2021年1月，空客与日本电报电话公司（NTT）、日本移动电话运营商Docomo以及日本广播卫星运营商SKY Perfect JSAT签署了一份谅解备忘录。备忘录约定，三方将综合使用“西风”和卫星合作研发一个宽带连接生态系统，为各种终端设备，尤其是乡村、应急和海上等地区和场景下提供通信服务。



“西风”太阳能无人机

此外，2015年，空客曾就通信应用与英国国防部签署了一份合同，为英国国防部所需要的军事通信提供服务。服务使用了三款“西风”无人机，但在2019年，其中两架飞机在从西澳大利亚温德姆起飞时坠毁……此后的2021年，空客在澳大利亚建立了一个能够专门运营无人机起降的机场。
在空客之外，美国政府也正在通过“广撒网”的方式大力资助和推进太阳能无人机项目的发展，目前孵化项目包括“探路者”、“太阳鹰”和“太阳神”等。但截至目前，这些项目并没有较大的进展。



“探路者”



“太阳鹰”



“太阳神”

美国空军旗下的HiSentinel飞艇和HALE-D飞艇等太阳能飞艇项目也以失败告终。



HiSentinel



HALE-D

印度
2021年，印度民营公司NewSpace与国有公司合作，启动了一项名为“无限”（Infinity）的太阳能无人机项目。
按照规划，该无人机的设计巡航高度为1.9万米，可在平流层中停留长达90天。作为印度斯坦航空有限公司（HAL）2025年空中作战集群系统（CATS）的子项目，“无限”无人机计划在三到五年间完成制造并投入使用。
按照HAL的设想，“无限”无人机作为CATS计划的一部分，将在敌方领土深处执行监视和通讯任务，并与CATS计划内的其他有人和无人系统协作。当然，HAL也为“无限”设计了多种民用功能，包括为灾害救援管理、自然资源管理和沿海航道监测等任务提供图像和视频。


日本
2018年，日本航空环境公司与日本电信公司SoftBankCorp成立了合资公司HAPS Mobile，专门开发商业用途的太阳能高空长航时无人机。
2020年9月，HAPS Mobile公司在美国新墨西哥州，对具有基站功能的Sunglider太阳能无人机进行了测试。
据称，Sunglider翼展78米，飞行时长在20小时以上，是全球首个能在离地20千米的平流层同地面实现“LTE通信”的空中基站。


随着全球各国对长航时太阳能无人机的研发推进，可以预测的是，在移动通信和互联网接入、灾害预警、海域监管、国家安全等方面，太阳能无人机着实大有用处。
但同时，已经发生的坠毁案例和失败项目，也从侧面表明太阳能无人机对研发设计有较高的要求。
首先，其机体结构决定了大展弦比的太阳能无人机易受不利天气条件的影响，特别是在通过对流层，进行爬升和下降的过程中。
其次，太阳能无人机对能源转换要求较高，电池转化效率要高，储能电池要保持强劲。如果这两项要求无法被满足，最终无人机会由于推力有限、续航时间不够而失去经济性。
此外，万米高空中强烈的太阳辐射和紫外线对无人机电池的耐高（低）温、耐辐射、耐腐蚀性要求也极高。
“启明星50”的首飞成功表明我国在大型太阳能无人机领域已经实现了工程能力的跃升，为将来的带载荷、长航时任务奠定了坚实基础。
来源/看航空