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國產太陽能無人機技術躋身國際前列

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新華社北京2月7日電 題:超高空、長航時、易保障——國產太陽能無人機技術躋身國際前列

一架翼展40多米、表面布滿太陽能電池板的螺旋槳飛機,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,將于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系列后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。憑借超高空、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。

飛得高,難點是氣動布局無模板

太陽能無人機通常采用大展弦比機翼,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。現代大型飛機多采用大展弦比機翼,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,對于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,關鍵在于解決氣動布局優化設計問題,以提高飛機的升阻比。

他介紹,由于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。

相比而言,完成環球飛行的瑞士“陽光動力2號”太陽能飛機由于需要搭載人員和相關設備,總載重約為100公斤,設計巡航高度范圍在1.5千米至8.5千米,飛行受氣象條件影響較大。

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。

2009年,美國國防部預研局啟動“禿鷹”計劃,旨在研制一種可保持在18.3千米至27.4千米高度、攜帶450千克有效載荷、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,為美軍提供持久的情報、監視、偵察和通信中繼能力。太陽能無人機成為其計劃首選。

“陽光動力2號”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。

石文介紹,由于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。由于航時超長,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于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,現有航空平臺飛控系統的傳感器、作動器也還無法滿足超長航時飛行等要求,后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,以固定平臺與機動平臺的高低搭配形式,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。

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責任編輯: 閆月

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