国产太阳能无人机技术跻身世界前列

2017-02-08 10:39:14来源: 科技日报

    新华社记者 董瑞丰 白国龙

    一架翼展40多米、表面布满太阳能电池板的螺旋桨飞机,静静地停在中国航天空气动力技术研究院的机库里。这架彩虹系列太阳能无人机已完成飞行试验,将于今年测试临近空间高度飞行。

    空气动力技术研究院无人机总工程师石文介绍,这是美国NASA系列后世界上最大的太阳能无人机,性能指标和技术能力为国际前三。凭借超高空、长航时、易保障这三大“法宝”,太阳能无人机未来有望承担起长时间空中预警、大面积空中侦察以及灾害监测、气象观测、通信中继等任务。

    飞得高,难点是气动布局无模板

    太阳能无人机通常采用大展弦比机翼,可升至20千米至30千米高度。这一空域大气稀薄,气象条件稳定,飞行因此可以更平稳、快速。

    展弦比是指机翼长度的平方除以机翼面积。现代大型飞机多采用大展弦比机翼,以减小能耗。同样一架太阳能飞机,飞行高度越高,所需功率就越大,对于光伏吸收和推进系统效率、机体结构与蓄电池组的轻质化等要求也就更高。

    石文说,太阳能无人机的气动布局和翼型,无法套用成熟的常规飞机模板,关键在于解决气动布局优化设计问题,以提高飞机的升阻比。

    他介绍,由于依靠太阳能提供的电力飞行,目前翼展60米量级的太阳能无人机提供的有效载荷能力大致在50千克量级。

    相比而言,完成环球飞行的瑞士“阳光动力2号”太阳能飞机由于需要搭载人员和相关设备,总载重约为100公斤,设计巡航高度范围在1.5千米至8.5千米,飞行受气象条件影响较大。

    飞得久,目标是数月可以不停飞

    太阳能无人机无燃油消耗,有望实现数月甚至更长时间的超长航时飞行。

    2009年,美国国防部预研局启动“秃鹰”计划,旨在研制一种可保持在18.3千米至27.4千米高度、携带450千克有效载荷、续航时间超过5年、可在99%的时间内保持在任务空域中的固定翼飞行器,为美军提供持久的情报、监视、侦察和通信中继能力。太阳能无人机成为其计划首选。

    “阳光动力2号”在2015年至2016年环球飞行期间,最多曾达到118小时不间断飞行。

    石文介绍,由于太阳能电池转化效率和储能电池能重比不足,推进能力有限,目前太阳能无人机高空飞行速度一般在150千米/小时至200千米/小时。

    他表示,高效高能量密度太阳能及储能能源系统是决定太阳能无人机性能水平的关键领域,因此需要大量关注新兴技术,包括超高效柔性薄膜太阳电池及轻质组阵技术、先进光电转换技术、高比能量储能电池技术等。

    易保障,前提是系统技术可靠性高

    太阳能无人机具有较高的运行效费比。其机载系统简单,对跑道长度要求不高,也无需加油等保障设备。由于航时超长,完成持久性任务无需频繁更替轮换。

    不过,石文告诉记者,太阳能无人机总体设计技术在国内外尚未形成成熟的设计体系,技术和工程设计上也有别于常规的固定翼无人机。

    比如,临近空间飞行环境对电机装置的性能要求兼备高效率、高功率密度、高可靠性、高稳定性,现有航空平台飞控系统的传感器、作动器也还无法满足超长航时飞行等要求,后续需要大量设计试验和实飞验证。

    但相比卫星,太阳能无人机具有成本低、部署灵活等优势。此外,可与高空巨型飞艇配合,以固定平台与机动平台的高低搭配形式,形成区域全覆盖的不间断态势感知、通信和中继网络。

    石文说,他带领的科研团队已初步探索出太阳能飞机的关键技术点,未来研究将向更高难度、更深层次挺进。

    (新华社北京2月7日电)

 

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