作者:马晓平 来源:中国科学报 发布时间:2022/9/8 17:45:45
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临近空间太阳能无人机价值几许

 

9月3日,一条航空工业一飞院研制的“启明星50”大型太阳能无人机首飞成功的新闻火遍朋友圈,引起广大科技爱好者的极大关注。太阳能无人机作为目前唯一可能实现临近空间持久飞行的飞行器,它的价值何在?有什么科技含量?发展现状和应用前景如何?我们就此作个简单分析和探讨。

低空“伪卫星”

9月5日四川泸定地震发生后,“翼龙”无人机紧急出动对灾区进行通信中继和灾情探查。但限于滞空时间和飞行高度限制,每次飞行恢复灾区通信的时间和范围有限。

大家可能还记得,2021年7月20日河南郑州突降暴雨,城市被淹,通信中断,“翼龙-II”无人机紧急出动为灾区临时恢复通信5小时。

试想,如果此时在灾区上空20千米高度有临近空间太阳能无人机持续飞行,就可以在大范围不间断恢复通信的同时,及时提供灾区的实时影像,为救灾提供重要保障。

所以,临近空间太阳能无人机在完成大容量通信中继任务时,相当于一颗低空的“伪卫星”。

临近空间一般指距海平面20~100千米的空间环境,是大气层与外层空间之间的过渡层,绝大多数的航空器都在临近空间以下飞行,而航天器则在临近空间以上飞行。也就是说,这一区域一般航空器上不去、航天器下不来。

与轨道相对固定的卫星相比,临近空间太阳能无人机覆盖范围灵活、信号损失小、精度高,可在特定区域长久驻留,执行针对性的任务。因此,临近空间太阳能无人机利用其环保、高空长航时的优势,在重大自然灾害预警、常态化海域监管偏远地区互联网接入、通讯覆盖、地理环境勘探、动植物保护、智慧农业等多种任务场景具也有广阔应用前景和发展潜力。

正因为如此,世界各航空强国都在积极发展相关技术,但面临的技术挑战也是巨大的。

四大技术挑战

我们先来看看临近空间的环境:大气密度极低,20千米高度的大气密度大约是海平面的7%,30千米高度的大气密度只有海平面的1.5%;而且昼夜温差大,夜间可降至-70℃以下,白天在太阳直射时又高达80℃以上;此外,临近空间区域各种宇宙射线也较强,对飞行器的长久驻留带来巨大挑战。

面对这样的恶劣环境,要想实现持续飞行,临近空间太阳能无人机必须解决无人机平台设计、太阳能光伏转化、储能电池蓄能、电机-螺旋桨推动、系统可靠性等一系列技术难点。

首先是临近空间无人机的高效气动设计技术。众所周知,太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,但大家容易忽略的是,太阳能也是一种不同与传统化石能源的低密度能源,任何一款飞行器要想利用太阳能在临近空间实现持久飞行,必须用极高的气动效率来降低能源消耗,也就是说必须具有很高的“升阻比”,这需要从总体布局、翼型选择、舵面配置、生产加工等多方面进行一丝不苟的优化。

其次,为了飞得高必须减轻自身重量,“为减轻1克重量而奋斗”这一设计理念在临近空间太阳能无人机上更加需要。因此,临近空间无人机大量采用碳纤维先进复合材料结构,以期用最小的重量代价完成无人机的制造。而大尺度轻质复合材料结构的设计、强度分析、制造工艺等环节均面临需要突破的技术难关。

第三,如何将太阳光高效转化为电能,白天在为无人机提供能源的同时,为储能电池充电,从而实现昼夜飞行。因此,高效的太阳能光伏电池、高能量密度低衰减储能电池、高功率密度电机和高效螺旋桨是组成高效能源动力系统的基础。在柔性高效太阳能光伏电池制造、高能量密度低衰减储能电池制造、高效电机与螺旋桨匹配、能源综合优化与管理等方面同样存在巨大技术难点。

第四,长久持续的临近空间飞行,对包括飞机结构、飞控航电、传感器、能源动力系统等在内的所有分系统可靠性都提出了极高的要求,任何一个环节的问题都可能因“木桶效应”导致不能长航时飞行甚至坠机。今年8月18日在美国亚利桑那州尤马试验场上空,一架由欧洲空客公司制造的美国陆军所属Zephyr-8太阳能无人机在飞行64天后意外坠毁就凸显了系统可靠性的重要性和复杂性。

“临空飞舞”必将到来

尽管国内外临近空间太阳能无人机的研发一波三折,在上述技术难点面前屡遭挫折,但世界各国的科学家们仍不遗余力地进行研发。

除了航空工业的“启明星50”高空长航时太阳能无人机,航天科技11院的“彩虹”系列太阳能无人机也在高空长航时飞行上取得了一系列突破。

中科院工程热物理研究所采用球载起飞高空投放的技术途径,也在积极开展临近空间太阳能无人机的研究工作,先后完成了15米和35米翼展的太阳能无人机低空飞行试验,正在向更大高度和尺度探索。

国际上,美国NASA持续发展高空长航时太阳能无人机,其代表型号 Helios在飞行中创造了29.5千米的太阳能无人机最高飞行记录。

英国的Zephyr系列高空长航时太阳能无人机持续改进,2018年Zephyr-S曾创造了26天不间断飞行的最长续航记录,这一纪录在2022年8月被Zephyr-8以64天的滞空时间打破,充分说明Zephyr系列太阳能无人机拥有充当“高空平台站”的潜力,可以在高海拔地区长时间停留,从而为下方的偏远地区提供宽带通信服务。

这一系列的技术进步使我们有理由相信,随着太阳能光伏转换效率和储能电池能量密度的提高,加之无人机气动效率、螺旋桨效率、结构效率、电机功率密度的进一步优化,系统可靠性的不断提高,太阳能无人机“临空飞舞”造福人类的日子一定会来到。

(作者系中国科学院大学博士生导师)

 
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