太阳能无人机

引言航空航天技术是20世纪初以来世界上发展最引人注目的技术之一。现代飞机发动机使用的能源仍然是传统的石油产品“航空汽油”(用于航空活塞式发动机)和“航空煤油”(用于涡轮喷气发动机)。飞行于空中的航空发动机耗油量之大非常惊人，如波音747客机每小时耗油11吨。如果波音747从哈尔滨飞到广州，耗油约50吨。除了对有限的石油资源的大量消耗之外，喷气发动机残余物对大气的污染、噪声对生活环境的干扰也是严重的问题。人们正在寻求航空新的绿色能源，例如太阳能用于飞机为航空能源提供了一条崭新的途径。太阳能飞机可不耗一滴油完成长时间的飞行，并且低成本，可以无偿地获得能源。1

太阳能电池早在一百多年前，人们就开始研究光能产生电的效应。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。1958年美国研制成第一块n/p型单晶硅太阳能光伏电池，并用于卫星的供电。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理(图1)。太阳能电池的制作需一个复杂的过程(图2)，由于晶体硅太阳能电池转换效率高、工作稳定性、寿命长、技术发展成熟等优异特性，目前光伏市场上应用量最多。无人机对于太阳能电池在重量、厚度、柔性和效率方面提出了更高的要求。2太阳能无人机的产生早在20世纪中叶人们就寻求设计一种以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池。世界上首架太阳能无人机由美国AstroFlight公司R.J.Boucher设计，无人机名叫“SunriseI”。该机总重量为27.5Ibs，翼展32ft，共使用了4096块太阳能电池板，功率为450W。1974年11月4日，在美国加利福尼亚州试飞，无人机在100m左右的高度飞行了大约20分钟。随后他又设计研制一个改进的太阳能无人机“SunriseII”。该无人机总重量为22.5Ibs，翼展32ft，翼面积为90ft2，在1975年9月12日首飞，使用了新的太阳能电池板，比第一架无人机上的电池板效率提高了14%，总功率已达600W。3太阳能无人机的关键技术3.1总体布局太阳能无人机通常设计有大展弦比机翼，这样可以获得较大的升阻比(升力与阻力之比),一方面在机翼上表面能够铺设更多的太阳能电池板，另一方面在承载无人机必要的重量情况下以减小阻力而减少动力能源(太阳能转换的电能)的消耗。3.2结构为了减少能耗，太阳能无人机结构比一般无人机设计得更轻，同时要保证足够的强度。目前，结构(骨架、蒙皮)多半采用轻质非金属材料，其中主要承力结构通常采用碳纤维复合材料。碳纤维树脂复合材料不但重量轻，而且具有高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好等特点。由于太阳能无人机的机翼长和结构轻，细长机翼结构的刚度小。无人机飞行中的空气动力和无人机机体弹性结构之间会产生相互作用，这就叫作“气动弹性”。在较大飞行速度下，无人机机翼上的气动力(包括气动力矩)和结构变形会越来越大，当飞行速度大到一定值时就有可能发生“静气动弹性发散”或“颤振”，而导致机翼或机身断裂。美国早期的“太阳神”无人机就曾经因机翼发生静气动弹性变形发散，而在空中解体。因此，太阳能无人机的结构要精心设计，如可通过碳纤维铺层分布和铺层方向的优化设计，来克服气动弹性(空气动力和弹性结构之间的相互作用)的不良影响和阵风响应问题，避免无人机结构“气动弹性发散”和“颤振”的发生，防止可能导致结构变形发散而断裂。3.3适于无人机的太阳能电池太阳能电池是太阳能无人机的动力来源。适于无人机的太阳能电池与日常用于光伏发电站和家用的太阳能电池不一样。无人机用的太阳能电池不但要求重量轻和厚度薄，而且需要有一定的柔性，以便于铺设在机翼或其他机体的外表面。太阳能电池按材料可分为：硅晶体电池(单晶、多晶、非晶硅)、多元化合物薄膜电池、聚合物多层修饰电极型电池、纳米晶电池。目前太阳能飞机上使用的多半为薄膜单晶硅太阳能电池和柔性薄膜多元化合物电池(如：砷化镓薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池等)。柔性薄膜太阳能电池的制备工艺十分复杂，如多元化合物电池就需经过反应溅射、热蒸发、清洗、激光切割和封装等精细加工过程。为了适于安装于无人机表面，太阳能电池需轻、薄和柔软，电池封装要具有极好的防水蒸汽性能，还需要具有抗紫外、抗磨损、抗老化等功能。太阳能电池的效率是决定太阳能飞机动力和承载能力的基础。所谓太阳能电池板的转换效率是指电池输出功率密度与入射光功率密度之比，也就是一定面积的太阳能电池板吸收光能后可以转化为电能的效率。目前太阳能电池板的效率通常在10%-30%，因此要不断提高太阳能电池板的效率才有望减小飞机面积或增加承载重量。3.4太阳能无人机的夜间航行太阳能无人机要实现昼夜连续飞行，晚上没有太阳光要靠储能系统把白天吸收的太阳能转化的多余电能存储起来(如锂电池)，以备夜间飞行使用。夜间无人机飞行要执行与白天不一样的飞行模式。夜间飞行，为了节约能源，通常采取无动力“滑翔飞行”和有动力飞行相结合的方式。由于太阳能无人机具有大展弦比机翼和轻结构特点，因此具备优良的滑翔能力。当无人机进行一定滑翔角飞行时，由于相对气流产生的“迎角”，即使没有动力，也会产生一定的升力，从而节约能量。当然，太阳能无人机必须具有先进的自主控制飞行与导航能力。夜间飞行还需要无人机设计有执行滑翔飞行的自动控制程序和不同飞行模式之间自动转换等功能。3.5太阳能无人机的电子系统太阳能无人机与其他无人机一样都需要先进的电子系统。目前人们普遍接受美国在“无人机系统线路图”提出的概念，用“无人机系统(UAS：UnmannedAircraftSystem)”代替原来的“无人机(UAV)”的提法。换句话说，通常我们说“无人机”，应是对“无人机系统”的简称。无人机系统是指无人机空中平台及与其配套的任务设备、数据链、地面测控站、起飞(发射)回收装置以及地面保障设备等的统称。无人机的自主飞行控制与导航系统包括集多种传感器与微处理器的控制、卫星导航接收机，执行飞行器姿态控制和规划路线导航控制，目前向智能控制发展。无人机信息传输系统广义上包括任务载荷传感器和信息传输。任务载荷是根据不同任务使命的微型飞行器而设计的不同机载任务设备，如侦察设备、电子干扰器、气体采集器、声音传感器和其它任务传感器。通常视觉传感器是无人机最基本的任务传感器。还包括对任务设备的控制，如任务设备转动平台，跟踪目标控制模块等。信息传输包括机载信息和地面信息的数据处理。太阳能无人机由于飞行时间更长，以及要适应昼夜飞行和其他环境影响，因此对电子系统的功能和可靠性要求更高。4太阳能无人机的发展由于太阳能无人机具有长航时与无污染能源的优点，其发展受到各国的重视。目前，太阳能无人机主要计划用于高空长航时侦察或监视，可在几万米空中连续昼夜侦察以部分替代侦察卫星的功能。比较著名的太阳能无人机是美国NASA资助AeroVironment公司研制的“太阳神”号无人机。该机是矩形飞翼式布局，翼展75米，身长2.4米。装有65000片太阳能电池块，可提供40千瓦电能驱动14个螺旋桨，能以每小时30至50公里的巡航速度飞行，经过10小时17分的飞行，可达到22800米的高度。2013年美国TitanAerospace公司推出两种solara太阳能无人机：50型和60型，计划连续飞行5年。还有另外一些大型的太阳能无人机如表1中所列。世界上多种小型太阳能无人机的研制更加活跃，其中成功进行长航时飞行试验的如表2所示。英国“西风7”太阳能无人机，是目前实际连续飞行最长的无人机，由3～4人手持起飞，最大飞行高度可以达到40000米，续航时间已达到35天，可以从18288米的高空，精确拍摄到大小仅为25.4厘米的地面目标。我国也有多个单位在研制多种太阳能无人机。图7是南京航空航天大学研制的“灵翼”小型太阳能无人机，翼展有4.5米和6米两种，其中“灵翼”II型机翼还可以进行部分变形以增加太阳光的照射强度。这两种无人机安装的是性能优良的铜铟镓硒柔性薄膜太阳能电池，已经实现了仅依靠太阳能的长时间飞行。随着对新能源的需求和太阳能电池技术的不断发展，太阳能飞机也会不断提高其飞行能力和承载重量。太阳能飞行器已经从无人机发展到太阳能载人飞机。由瑞士阳光动力公司研制“阳光动力2号”有人驾驶太阳能飞机正在进行环球飞行。该飞机机翼上安装有1.7万块超薄高效的太阳能电池板，翼展72米，平均时速为50～100千米，最大飞行高度为8500米，重量为2300千克，乘员为一名飞行员，可在白天和夜间连续飞行，目前已实现连续飞行80小时。“阳光动力”公司预测，30多年后，能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运