張健 王江三 耿延升 郭潤(rùn)兆

摘要：高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的基本工作原理、使命任務(wù)和使用環(huán)境等與常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)不同，具有巡航高度高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、外形尺寸大、飛機(jī)翼載小、飛行剖面簡(jiǎn)單和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，適于執(zhí)行偵察監(jiān)視、大氣監(jiān)測(cè)和通信中繼等軍民用任務(wù)。本文結(jié)合某大型太陽能無人機(jī)的工程研制，從太陽能電池轉(zhuǎn)換效率、蓄電池性能、太陽能飛機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、低雷諾數(shù)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)與試驗(yàn)、復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造、大展弦比機(jī)翼非線性氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)、高效動(dòng)力系統(tǒng)集成、大尺寸柔性翼飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、臨近空間環(huán)境適應(yīng)性等多個(gè)方面剖析了高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)研制面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：臨近空間飛行器；高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)；太陽能電池；蓄電池；關(guān)鍵技術(shù)；技術(shù)挑戰(zhàn)

中圖分類號(hào)：V272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ADOI： 10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.003

臨近空間是指高于普通航空器飛行高度、而低于軌道飛行器運(yùn)行空間的區(qū)域，一般將距地面20～100km的空域視為臨近空間。太陽能無人機(jī)是以太陽輻射為能源的電動(dòng)飛行器，為了充分利用太陽能，減小不利的大氣流動(dòng)影響，更好地執(zhí)行偵察監(jiān)視等任務(wù)，太陽能無人機(jī)通常在20km左右的臨近空間飛行[1]。高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行高度高、使用靈活和無環(huán)境污染等特點(diǎn)，因此成為執(zhí)行情報(bào)、偵察、監(jiān)視、通信中繼和大氣科學(xué)研究等任務(wù)的理想空中平臺(tái)[2]。開展高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)研究，突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展，而且有助于快速推出太陽能無人機(jī)產(chǎn)品，占領(lǐng)新能源飛機(jī)軍民用市場(chǎng)。

1太陽能無人機(jī)研究發(fā)展現(xiàn)狀

1974年11月4日，世界上第一架太陽能飛機(jī)Sunrise I在4096塊太陽能電池的驅(qū)動(dòng)下緩緩離開地面，持續(xù)飛行了20min，標(biāo)志著太陽能飛行時(shí)代的來臨。

Helios系列太陽能無人機(jī)[3]由美國(guó)航空環(huán)境公司研制，其發(fā)展經(jīng)歷了Pathfinder、Pathfinder Plus、Centurion、Helios等多個(gè)階段。Pathfinder從1983年開始試飛，在1997年創(chuàng)新了21802m的飛行高度紀(jì)錄。Pathfinder Plus在飛行中攜帶30.8kg模擬任務(wù)載荷續(xù)航15h，最大飛行高度達(dá)到24475m。Centurion作為太陽能技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，能夠攜帶45kg的遙測(cè)傳感器和設(shè)備飛到24400m高度執(zhí)行地球環(huán)境研究任務(wù)。Helios于1999年首飛，2001年在太平洋上空達(dá)到25300m飛行高度，2003年在夏威夷上空試飛時(shí)因發(fā)生嚴(yán)重的俯仰振蕩而解體。

Solar Impulse太陽能飛機(jī)[4]是目前世界上最成功的有人駕駛太陽能飛機(jī)，該項(xiàng)目由Bertrand Piccard和Andre Borschberg等牽頭設(shè)計(jì)開發(fā)，2003年在多家公司和歐洲航天局的支持下Solar Impulse正式啟動(dòng)，Solar Impulse 1是早期的驗(yàn)證機(jī)，采用大展弦比正常式布局，翼下吊掛4臺(tái)10hp電機(jī)并配套兩葉螺旋槳，4個(gè)鋰聚合物電池組安裝在短艙內(nèi)。Solar Impulse 2于2011年開始研制，翼展72m，起飛重量（質(zhì)量）2300kg。2013年完成設(shè)計(jì)生產(chǎn)，2014年6月實(shí)現(xiàn)首飛。2015年3月9日從阿聯(lián)酋首都阿布扎比起飛，2016年7月26日返回并降落在阿布扎比機(jī)場(chǎng)，完成人類首次太陽能飛機(jī)環(huán)球飛行。

Zephyr系列太陽能無人機(jī)[5]由英國(guó)Qenitiq公司研制，后來該公司被空中客車公司收購。2010年7月9日，Zephyr-7從美國(guó)亞利桑那州起飛，創(chuàng)造了太陽能動(dòng)力飛行高度21561m并持續(xù)留空14天的無人機(jī)飛行紀(jì)錄。2018年7月11日，Zephyr-S連續(xù)飛行25天23h57min，白天的飛行高度達(dá)22500m，夜晚飛行高度超過15200m，創(chuàng)造了飛行時(shí)間和飛行高度的新紀(jì)錄。英國(guó)國(guó)防部成為首個(gè)防務(wù)客戶并訂購了三架Zephyr-S，兩架于2016年2月訂購，總價(jià)值為1060萬英鎊，8月份又增加了一架，使合同總價(jià)值達(dá)到了1300萬英鎊。它們將成為運(yùn)營(yíng)概念演示的一部分，由英國(guó)軍方和其他政府部門評(píng)估Zephyr的能力和潛力。

在美國(guó)DARPA的領(lǐng)導(dǎo)下，波音和Qenitiq公司負(fù)責(zé)飛機(jī)方案設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)贏得了Vulture計(jì)劃的第二階段合同，開展翼展達(dá)122m的Solar Eagle無人機(jī)研制。根據(jù)合同要求，Solar Eagle的巡航高度指標(biāo)為19810～27432m，可攜帶454kg任務(wù)載荷，并且能夠?yàn)槿蝿?wù)載荷提供5kW的電能，實(shí)現(xiàn)5年的持續(xù)留空。

Google收購了美國(guó)Titan Aerospace公司，使用Solara系列無人機(jī)實(shí)施其網(wǎng)絡(luò)覆蓋計(jì)劃。Solara 50太陽能無人機(jī)的飛行重量為158.9kg，可攜帶約32kg的載荷，翼展為50m，機(jī)長(zhǎng)15.5m，飛行高度目標(biāo)是達(dá)到65000ft以上。2015年5月1日Solara 50在試飛時(shí)墜毀，整個(gè)飛行過程僅僅持續(xù)了4min。

Facebook提出使用太陽能無人機(jī)在全球范圍內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)高速連接的Aquila項(xiàng)目，用1000架左右的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)全球間的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。Facebook為此收購了Ascenta無人機(jī)公司，進(jìn)行18000～27000m高度可持續(xù)飛行三個(gè)月的太陽能無人機(jī)研制。Aquila翼展43m，裝載4個(gè)電機(jī)，重量454kg，在工作的時(shí)候需要先由氦氣球帶到平流層，白天飛行高度27432m以吸收和儲(chǔ)存太陽能，夜晚則降到18288m以節(jié)省功耗。Aquila首飛時(shí)間超過90min，但飛機(jī)在著陸時(shí)發(fā)生嚴(yán)重事故，導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性故障。后來Facebook發(fā)布聲明停止設(shè)計(jì)制造太陽能無人機(jī)，聲稱以后只和合作伙伴開發(fā)類似技術(shù)。

極光飛行科學(xué)公司正在波音的支持下建造大型太陽能無人機(jī)Odysseus，其翼展達(dá)74m，設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間三個(gè)月，該機(jī)目前正在進(jìn)行地面測(cè)試。Odysseus采用了更為簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)：有三個(gè)尾翼和6個(gè)螺旋槳；全動(dòng)垂直和水平尾翼安裝在三個(gè)機(jī)身上，分別提供俯仰和偏航控制；機(jī)翼上沒有滾轉(zhuǎn)控制面，外側(cè)的兩個(gè)尾翼會(huì)使機(jī)翼彎曲以控制滾轉(zhuǎn)；采用鋰-聚合物電池和薄膜砷化鎵光伏電池。

國(guó)內(nèi)航天科技集團(tuán)公司第十一研究院從事太陽能無人機(jī)研究10余年，其間成功突破了總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、飛行控制、能源和推進(jìn)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，通過技術(shù)驗(yàn)證及大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成技術(shù)，掌握了劇烈垂直氣流變化、大強(qiáng)度水平風(fēng)等多種風(fēng)場(chǎng)條件下的自主穩(wěn)定飛行技術(shù)。據(jù)報(bào)道其翼展45m的驗(yàn)證機(jī)已經(jīng)飛到20000m高度。該無人機(jī)采用大展弦比常規(guī)布局，雙垂尾，翼吊8臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳。

2高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的特點(diǎn)

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)完全依賴太陽能飛行和執(zhí)行任務(wù)，其工作原理完全不同于常規(guī)動(dòng)力無人機(jī)，而且由于其臨近空間的使用環(huán)境也不同于普通的航空器，因此在技術(shù)和使用上呈現(xiàn)出多種獨(dú)有的特點(diǎn)。

（1）飛行高度高

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)主要在臨近空間飛行，原因首先是高空太陽輻射受地球大氣影響小，其次是平流層有利于飛機(jī)穩(wěn)定飛行，最后高空有利于偵察監(jiān)視等任務(wù)設(shè)備發(fā)揮作用。

（2）續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)

理論上講，如果太陽能無人機(jī)白天存儲(chǔ)的能量超過夜晚全機(jī)能量使用需求，那么就可以持續(xù)不斷地長(zhǎng)時(shí)間飛行，其工作時(shí)間的長(zhǎng)短僅受限于結(jié)構(gòu)、設(shè)備和電池等的壽命和可靠性。也就是說太陽能無人機(jī)一旦實(shí)現(xiàn)了跨晝夜飛行，隨著機(jī)載設(shè)備可靠性水平的提高，太陽能無人機(jī)的工作時(shí)間會(huì)越來越長(zhǎng)。

（3）機(jī)體尺寸大

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)一般用于執(zhí)行偵察監(jiān)視等任務(wù)，為了滿足飛機(jī)飛行和任務(wù)系統(tǒng)越來越高的功率需求，需要在飛機(jī)表面鋪設(shè)大面積的太陽能電池，導(dǎo)致飛機(jī)的尺寸越來越大。以Zephyr系列[5]無人機(jī)為例，Zephyr-4翼展12m；Zephyr-6翼展18m；Zephyr-7翼展22.5m，Zephyr-8翼展25m，機(jī)體尺寸越來越大。

（4）翼載小

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，滑翔機(jī)的起飛翼載通常在30kg/m2左右，通用航空飛機(jī)的起飛翼載在100kg/m2左右，雙發(fā)渦槳飛機(jī)的起飛翼載在200kg/m2左右，噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的起飛翼載在350kg/m2以上，轟炸機(jī)的起飛翼載在500kg/m2以上[6]。相比之下，太陽能無人機(jī)的翼載非常小。表1為幾種太陽能無人機(jī)的翼載，可以看出飛機(jī)的起飛翼載均在10kg/m2以下。這是因?yàn)橹挥幸磔d非常小，才能確保獲得的太陽能足以支持飛機(jī)飛行和任務(wù)載荷使用。

（5）飛行剖面簡(jiǎn)單

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)飛行典型剖面如圖1所示。白天爬升到較高的高度平飛巡航，以便充分地利用太陽光，同時(shí)增加飛機(jī)的勢(shì)能。到了午后太陽輻射強(qiáng)度不能維持高空平飛時(shí)，巡航高度逐漸下降，下滑過程中動(dòng)力系統(tǒng)基本不消耗或消耗很少的能量。到了晚上沒有太陽光時(shí)，飛機(jī)在較低高度巡航平飛，以便節(jié)省能量。理想情況下，高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)白天和晚上都可在同一高度巡航，因此與常規(guī)飛機(jī)可適應(yīng)多個(gè)巡航高度的飛行剖面相比，其飛行剖面相對(duì)簡(jiǎn)單。

（6）使用靈活方便

衛(wèi)星只能在特定的軌道上運(yùn)行，因此一顆衛(wèi)星僅能監(jiān)視覆蓋特定運(yùn)行軌道所能覆蓋的區(qū)域。高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的使用不受區(qū)域、地形、氣候和時(shí)間等因素的限制，隨時(shí)可以起飛，到指定區(qū)域上空長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)，特別適用于在交通不發(fā)達(dá)地區(qū)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，或在海洋上空?qǐng)?zhí)行長(zhǎng)期監(jiān)視和偵察任務(wù)。

（7）綠色環(huán)保

太陽能是可持續(xù)使用的清潔能源，取之不盡，用之不竭，而且太陽能無人機(jī)在飛行中不消耗燃料，沒有可造成大氣污染的排放物，因而其環(huán)保特性優(yōu)異，符合綠色航空發(fā)展方向。

3多專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)已歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，但是到目前為止仍未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。主要原因在于高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的研制覆蓋太陽能電池、蓄電池、飛行器設(shè)計(jì)、氣動(dòng)力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造、動(dòng)力系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、能源綜合管理系統(tǒng)、環(huán)境適應(yīng)性、飛行試驗(yàn)和任務(wù)載荷等多個(gè)領(lǐng)域，其研制技術(shù)復(fù)雜，難度大，面臨方方面面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率

太陽能光伏電池的性能，尤其是轉(zhuǎn)換效率，是決定太陽能無人機(jī)性能的決定性因素之一[8]。太陽能光伏電池按基體材料的不同分為硅太陽能電池、化合物太陽能電池和有機(jī)太陽能電池。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)得到的各種不同類型太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)進(jìn)步歷程如圖2所示，可以看出近20年來太陽能電池的效率快速提升。

硅太陽能電池是目前應(yīng)用最多的太陽能電池，包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池等。單晶硅太陽能電池的性能穩(wěn)定，目前規(guī)模化生產(chǎn)的商品電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)16%～18%。多晶硅的轉(zhuǎn)換效率比單晶硅電池略低，可達(dá)15%～17%。非晶硅太陽能電池效率低，規(guī)?；a(chǎn)的商品電池轉(zhuǎn)換效率多在5%～8%。

化合物太陽能電池是指以化合物半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池，主要有單晶和多晶化合物太陽能電池。單晶化合物太陽能電池主要有砷化鎵太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率最高超過30%，但價(jià)格昂貴。多晶化合物太陽能電池的類型很多，目前應(yīng)用的主要有碲化鎘太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池等。碲化鎘太陽能電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過16%，銅銦鎵硒太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室效率已接近20%。

有機(jī)太陽能電池包括有機(jī)半導(dǎo)體系和染料敏化系太陽能電池。用有機(jī)半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池成本低，但光電轉(zhuǎn)換效率低，穩(wěn)定性差，還未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。染料敏化系太陽能電池同樣處于研究階段。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)對(duì)太陽能光伏電池的要求不僅是高的轉(zhuǎn)化效率，還要求電池具有良好的物理特性，如耐高低溫、耐輻射、耐腐蝕和可靠性高等。同時(shí)為了保證鋪貼后不影響機(jī)翼的氣動(dòng)效率，太陽能電池不僅要保證與飛機(jī)蒙皮共形，而且要保證在機(jī)翼受力變形后與蒙皮緊密貼合，所以太陽能電池的柔韌性也至關(guān)重要。

3.2蓄電池能量密度

儲(chǔ)能電池的性能是影響太陽能無人機(jī)技術(shù)水平的另一個(gè)決定性因素。為了滿足太陽能無人機(jī)夜間飛行和任務(wù)系統(tǒng)工作需求，提高儲(chǔ)能電池的能量密度是一直以來追求的目標(biāo)。

雖然蓄電池的種類多種多樣，其性能也各有千秋，見表2，但目前在太陽能飛機(jī)上應(yīng)用最成熟的主要是鋰電池。根據(jù)所使用的電解質(zhì)材料的不同，鋰電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩大類。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì)，與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池不會(huì)產(chǎn)生漏液、燃燒爆炸等安全問題，而且具有形狀可任意塑造的優(yōu)點(diǎn)。另外，聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池更好。

盡管目前鋰電池的能量密度已經(jīng)很高，但也只能滿足太陽能無人機(jī)的基本要求，要得到高性能的高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)，還需要大幅度提高鋰電池的能量密度，同時(shí)還要解決循環(huán)次數(shù)和電池在臨近空間使用的環(huán)境適應(yīng)性問題。

3.3太陽能無人機(jī)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的研制涵蓋了飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重量平衡與控制、全機(jī)及部件載荷計(jì)算、氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)、新材料開發(fā)與應(yīng)用、飛行控制、能源和動(dòng)力技術(shù)以及任務(wù)載荷等多個(gè)學(xué)科，同時(shí)各個(gè)學(xué)科之間存在緊密的耦合關(guān)系，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的變化都可能對(duì)飛機(jī)的整體性能產(chǎn)生影響。

例如，任務(wù)載荷重量（質(zhì)量）和功耗影響總體設(shè)計(jì)參數(shù)，太陽能電池和蓄電池的性能影響全機(jī)的重量（質(zhì)量）和性能，氣動(dòng)力設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)的效率關(guān)系到全機(jī)的能量需求，飛機(jī)的續(xù)航能力對(duì)重量（質(zhì)量）又很敏感，材料性能影響飛機(jī)的重量（質(zhì)量）和變形，大的結(jié)構(gòu)變形又反過來影響到氣動(dòng)力，并可能產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性氣動(dòng)彈性問題，變形和氣動(dòng)彈性問題又與飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。因此，在高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)研制過程中需要針對(duì)各學(xué)科之間較強(qiáng)的耦合關(guān)系，綜合開展多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過開發(fā)綜合化的集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。圖3為典型太陽能無人機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖[10]，綜合考慮了太陽能無人機(jī)的能量獲取和使用、氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)等的綜合影響。

3.4低雷諾數(shù)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)

通過式（4）可以看出，為了降低高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)在特定高度的平飛需用功率，一方面需要降低飛機(jī)的翼載，另一方面需要提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率。如果全機(jī)氣動(dòng)效率降低，會(huì)導(dǎo)致平飛需用功率增大。因此高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)不僅需要解決低雷諾數(shù)下翼型繞流的轉(zhuǎn)捩和層流分離等問題，而且需要采用綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)飛行高度高、飛行速度低，飛行雷諾數(shù)很小[11]。小雷諾數(shù)情況下，氣流邊界層擾動(dòng)小，機(jī)翼表面以層流為主。但這種低雷諾數(shù)下的層流是一種不穩(wěn)定的流態(tài)，各種因素（如流動(dòng)速度、流場(chǎng)波動(dòng)、壓強(qiáng)波動(dòng)、物面粗糙度、逆壓梯度和機(jī)體振動(dòng)等）都可能產(chǎn)生翼面分離氣泡堆積，導(dǎo)致流動(dòng)分離。這種流動(dòng)分離導(dǎo)致翼型前緣吸力峰減小，升力和升阻比降低，全機(jī)氣動(dòng)效率降低。導(dǎo)致飛行需用功率增大，因此氣動(dòng)力設(shè)計(jì)需要解決低雷諾數(shù)下翼型繞流的轉(zhuǎn)捩和層流分離等問題，因此高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)氣動(dòng)力設(shè)計(jì)需要采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，使翼面上維持更多的層流區(qū)域，并避免后緣可能產(chǎn)生的流動(dòng)分離。

3.5復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)

為了減輕重量并充分發(fā)揮材料的性能，高空超長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)大量使用新型碳纖維、凱芙拉等高比強(qiáng)度和高比剛度的先進(jìn)復(fù)合材料[12]。目前高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)翼梁結(jié)構(gòu)普遍采用管狀/盒狀復(fù)合材料梁、桁架肋，機(jī)身采用桁架結(jié)構(gòu)（見圖4），表面覆蓋由單層復(fù)合材料或高強(qiáng)度超薄聚碳酸酯薄膜封裝的透明太陽能薄膜電池。

由于使用高性能的復(fù)合材料，工藝復(fù)雜，加之臨近空間惡劣的使用環(huán)境和批量小，導(dǎo)致高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的制造成本非常高，因此面臨降低成本的迫切需求。為此需要從選材、設(shè)計(jì)、工藝、制造等方面開展進(jìn)一步研究。

3.6大展弦比機(jī)翼非線性氣動(dòng)彈性

太陽能無人機(jī)一般采用大展弦比機(jī)翼，由于翼展較長(zhǎng)，機(jī)翼結(jié)構(gòu)柔性較大，容易出現(xiàn)氣動(dòng)彈性問題。靜氣動(dòng)彈性的主要問題是彈性變形對(duì)升力分布影響大，會(huì)引起載荷的重新分布以及機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)發(fā)散等[13]。

大展弦比柔性機(jī)翼具有剛度低、變形大、顫振頻率低、顫振速度低、結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合嚴(yán)重等特點(diǎn)。輕質(zhì)大展弦比柔性機(jī)翼的氣動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)變形均呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性，建模和穩(wěn)定性分析方法都與線性問題有著很大的不同。因此需要開展大展弦比柔性機(jī)翼非線性顫振分析和試驗(yàn)研究工作，避免Helios太陽能無人機(jī)在非線性氣動(dòng)力、彈性力和慣性力耦合作用下發(fā)生顫振而破壞的現(xiàn)象（見圖5）。

3.7大展弦比柔性機(jī)體飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大尺寸高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)機(jī)體受力后變形很大，尤其是機(jī)翼的非線性變形產(chǎn)生的氣動(dòng)彈性效應(yīng)顯著減弱操縱面的操縱效率，甚至出現(xiàn)反效現(xiàn)象，威脅飛機(jī)安全。在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，必須針對(duì)太陽能無人機(jī)的飛行速度低等特點(diǎn)開展控制律的設(shè)計(jì)，結(jié)合柔性飛機(jī)的本體特征開展新型控制策略研究，制定柔性飛機(jī)的控制準(zhǔn)則，明確飛機(jī)的飛行邊界，并利用多操縱面控制率重構(gòu)技術(shù)等手段對(duì)飛行過程中可能遇到的問題進(jìn)行考慮。

為了避免大功率電機(jī)的研制、減小動(dòng)力裝置的重量，并使之適合在輕質(zhì)太陽能無人機(jī)體上安裝，大型高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)大多采用分布式動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置的數(shù)量最多可達(dá)10個(gè)以上。采用分布式動(dòng)力裝置需要從全機(jī)的氣動(dòng)布局、飛機(jī)的穩(wěn)定性和控制等方面開展研究，使飛控系統(tǒng)、飛機(jī)構(gòu)型以及動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，例如，一定程度上實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)上應(yīng)用的目的。

3.8輕質(zhì)高效動(dòng)力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、減速器、螺旋槳和控制裝置等組成。近年來出現(xiàn)的永磁直流無刷電機(jī)具有速度控制精度高、可靠性好、噪聲小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在太陽能無人機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)的使用特點(diǎn)，螺旋槳仍然是適合高空低速飛行的合適的動(dòng)力系統(tǒng)配套裝置。但隨著飛行高度的增加，空氣密度減小，導(dǎo)致螺旋槳效率變化較大，因此提高太陽能無人機(jī)巡航點(diǎn)的螺旋槳效率至關(guān)重要。

輕質(zhì)高效的動(dòng)力系統(tǒng)是太陽能無人機(jī)實(shí)現(xiàn)持續(xù)跨晝夜飛行的先決條件。太陽能無人機(jī)飛行高度高、速度慢，動(dòng)力系統(tǒng)需要同時(shí)滿足低轉(zhuǎn)速、大扭矩、輕重量和高效率等設(shè)計(jì)條件，這要求在系統(tǒng)層面對(duì)電機(jī)、螺旋槳、電調(diào)和減速器等部件進(jìn)行綜合集成設(shè)計(jì)，使各部件之間合理匹配，整體最優(yōu)。

3.9臨近空間環(huán)境適應(yīng)性

臨近空間的顯著特點(diǎn)包括：空氣相對(duì)稀薄；環(huán)境壓力低；環(huán)境溫度變化大；臭氧和太陽輻射強(qiáng)；20～40km高度平均風(fēng)速較小。高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)在平流層底部長(zhǎng)時(shí)間巡航飛行，高空低氣壓、低溫、太陽輻射、臭氧、宇宙射線等特殊使用環(huán)境，對(duì)高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)提出新要求。隨高度增加，大氣壓力逐漸降低，密度逐漸減小。低氣壓會(huì)對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生一定影響。溫度隨飛行高度的增加而降低，低溫幾乎對(duì)所有的基體材料都有不利的影響。高空太陽輻射的熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱梯度并會(huì)產(chǎn)生不利影響，太陽輻射還會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)，對(duì)裝備造成一定的破壞，受影響最大的材料是非金屬復(fù)合材料，包括塑料、橡膠、紡織品纖維等。臭氧含量在22～25km處達(dá)到極大值，臭氧有很強(qiáng)的氧化性，有可能導(dǎo)致無人機(jī)的部件和蒙皮材料變脆和加速老化，嚴(yán)重影響壽命，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就必須充分考慮對(duì)臭氧的防護(hù)。高空的宇宙輻射強(qiáng)烈，這些高能中子穿透力強(qiáng)，會(huì)造成機(jī)載電子設(shè)備安全等級(jí)降級(jí)，影響無人機(jī)的使用，因此需要采取防護(hù)措施。

4結(jié)束語

隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和新能源技術(shù)的發(fā)展，高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。相信隨著太陽能電池和蓄電池技術(shù)的發(fā)展，以及總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和飛控等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，高空長(zhǎng)航時(shí)太陽能無人機(jī)終將實(shí)現(xiàn)工程化。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

張?。?970-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛行器總體、氣動(dòng)力和無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Tel： 029-86832389E-mail：zhangjian_aircraft@163.com王江三（1985-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)。

Tel：029-86832056

E-mail：wjs4292@163.com

Technology Challenges for High Altitude Long Endurance Solar Powered UAV

Zhang Jian*，Wang Jiangsan，Geng Yansheng，Guo Runzhao AVIC The First Aircraft Institute，Xian 710089，China

Abstract： HALE solar powered UAV is different from other air vehicles in basic working principle， mission and operational environment. It has many advantages such as high altitude， long endurance， large size， low wing load， compact flight profile， and environment-friendliness， etc. HALE solar powered UAV may be used to execute surveillance and reconnaissance， the atmospheric science researches and telecommunication relay missions. Combined with the development of a certain solar powered aircraft， the technology challenges are analyzed in detail in terms of efficiency of solar cell， property of battery， multi-disciplinary optimization design， low Reynolds number aerodynamic design and test， light composite material structure design and fabrication， nonlinear aero-elastic analysis of flexible wing with high aspect ratio， propulsive efficiency improvement， flight control system design of solar powered UAV with large flexible wing and near-space environmental suitability.

Key Words： near-space air vehicle； HALE solar powered UAV； solar cell； battery； key technology； technology challenges