近日，航空工業(yè)一飛院研制的“啟明星50”大型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)首飛成功的新聞火遍朋友圈，引起廣大科技愛(ài)好者的極大關(guān)注。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)作為目前唯一可能實(shí)現(xiàn)臨近空間持久飛行的飛行器，它的價(jià)值何在?有什么科技含量?發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景如何?我們就此作個(gè)簡(jiǎn)單分析和探討。
低空“偽衛(wèi)星”
9月5日四川瀘定地震發(fā)生后，“翼龍”無(wú)人機(jī)緊急出動(dòng)對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行通信中繼和災(zāi)情探查。但受滯空時(shí)間和飛行高度限制，無(wú)人機(jī)每次飛行恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信的時(shí)間和范圍有限。
大家可能還記得，2021年7月20日河南鄭州突降暴雨，城市被淹，通信中斷，“翼龍-II”無(wú)人機(jī)緊急出動(dòng)為災(zāi)區(qū)臨時(shí)恢復(fù)通信5小時(shí)。
試想，如果此時(shí)在災(zāi)區(qū)上空20千米高度有臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)持續(xù)飛行，就可以在大范圍不間斷恢復(fù)通信的同時(shí)，提供災(zāi)區(qū)的實(shí)時(shí)影像，為救災(zāi)提供重要保障。
所以，臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在完成大容量通信中繼任務(wù)時(shí)相當(dāng)于一顆低空的“偽衛(wèi)星”。臨近空間一般指距海平面20~100千米的空間環(huán)境，是大氣層與外層空間之間的過(guò)渡層，絕大多數(shù)航空器都在臨近空間以下飛行，而航天器則在臨近空間以上飛行。也就是說(shuō)，這一區(qū)域一般航空器上不去、航天器下不來(lái)。
與軌道相對(duì)固定的衛(wèi)星相比，臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)覆蓋范圍靈活、信號(hào)損失小、精度高，可在特定區(qū)域長(zhǎng)久駐留，執(zhí)行針對(duì)性任務(wù)。臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)因其環(huán)保、高空長(zhǎng)航時(shí)的優(yōu)勢(shì)，在重大自然災(zāi)害預(yù)警、常態(tài)化海域監(jiān)管、偏遠(yuǎn)地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)接入、通信覆蓋、地理環(huán)境勘探、動(dòng)植物保護(hù)、智慧農(nóng)業(yè)等多種任務(wù)場(chǎng)景具有廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
正因如此，世界各航空強(qiáng)國(guó)都在積極發(fā)展相關(guān)技術(shù)，但面臨的挑戰(zhàn)巨大。
四大技術(shù)挑戰(zhàn)
我們先來(lái)看看臨近空間環(huán)境：大氣密度極低，20千米高度的大氣密度大約是海平面的7%，30千米高度的大氣密度只有海平面的1.5%;晝夜溫差大，夜間溫度可降至-70℃以下，白天太陽(yáng)直射時(shí)溫度又高達(dá)80℃以上;臨近空間區(qū)域各種宇宙射線較強(qiáng)，給飛行器的長(zhǎng)久駐留帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。
在這樣惡劣的環(huán)境下，要想實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行，臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)必須解決無(wú)人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)能電池蓄能、電機(jī)—螺旋槳推動(dòng)、系統(tǒng)可靠性保障等一系列技術(shù)難點(diǎn)。
首先是臨近空間無(wú)人機(jī)的高效氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)。眾所周知，太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，但大家容易忽略的是，太陽(yáng)能也是一種不同于傳統(tǒng)化石能源的低密度能源。任何一款飛行器要想利用太陽(yáng)能在臨近空間實(shí)現(xiàn)持久飛行，必須用極高的氣動(dòng)效率來(lái)降低能源消耗，也就是說(shuō)必須具有很高的“升阻比”，這需要從總體布局、翼型選擇、舵面配置、生產(chǎn)加工等多方面進(jìn)行一絲不茍的優(yōu)化。
其次，為了飛得高必須減輕自身重量，“為減輕1克重量而奮斗”這一設(shè)計(jì)理念在臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)上更加凸顯。因此，臨近空間無(wú)人機(jī)大量采用碳纖維先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以期用最小的重量完成無(wú)人機(jī)的制造。而大尺度輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、制造工藝等環(huán)節(jié)均要突破相應(yīng)的技術(shù)難關(guān)。
再次，如何將太陽(yáng)光高效轉(zhuǎn)化為電能，白天在為無(wú)人機(jī)提供能源的同時(shí)為儲(chǔ)能電池充電，從而實(shí)現(xiàn)晝夜飛行。高效太陽(yáng)能光伏電池、高能量密度低衰減儲(chǔ)能電池、高功率密度電機(jī)和高效螺旋槳是組成高效能源動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在柔性高效太陽(yáng)能光伏電池制造、高能量密度低衰減儲(chǔ)能電池制造、高效電機(jī)與螺旋槳匹配、能源綜合優(yōu)化與管理等方面同樣存在巨大技術(shù)難點(diǎn)。
最后，長(zhǎng)久持續(xù)的臨近空間飛行，對(duì)包括飛機(jī)結(jié)構(gòu)、飛控航電、傳感器、能源動(dòng)力系統(tǒng)等在內(nèi)的所有分系統(tǒng)的可靠性提出了極高要求，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)不能長(zhǎng)航時(shí)飛行甚至墜機(jī)。今年8月18日在美國(guó)亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場(chǎng)上空，一架由歐洲空客公司制造的美國(guó)陸軍所屬Zephyr-8太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在飛行64天后意外墜毀，就凸顯了系統(tǒng)可靠性的重要性和復(fù)雜性。
“臨空飛舞”必將到來(lái)
盡管國(guó)內(nèi)外臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研發(fā)一波三折，在上述技術(shù)難點(diǎn)面前屢屢受挫，但世界各國(guó)的科學(xué)家們?nèi)圆贿z余力地進(jìn)行研發(fā)。
除了航空工業(yè)的“啟明星50”高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)外，航天科技集團(tuán)公司第十一研究院的“彩虹”系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)也在高空長(zhǎng)航時(shí)飛行上取得了一系列突破。
中科院工程熱物理研究所采用球載起飛高空投放的技術(shù)途徑，積極開(kāi)展臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的研究工作，先后完成了15米和35米翼展的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)低空飛行試驗(yàn)，正在向更大高度和尺度探索。
國(guó)際上，美國(guó)宇航局持續(xù)發(fā)展高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，其代表型號(hào)Helios在飛行中創(chuàng)造了29.5千米的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)最高飛行紀(jì)錄。
英國(guó)的Zephyr系列高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)持續(xù)改進(jìn)，2018年Zephyr-S曾創(chuàng)造了26天不間斷飛行的最長(zhǎng)續(xù)航紀(jì)錄，這一紀(jì)錄在2022年8月被Zephyr-8以64天的滯空時(shí)間打破，充分說(shuō)明Zephyr系列太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)擁有充當(dāng)“高空平臺(tái)站”的潛力，它們可以在高海拔地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間停留，從而為下方的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶通信服務(wù)。
這一系列的技術(shù)進(jìn)步使我們有理由相信，隨著太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換效率和儲(chǔ)能電池能量密度的提高，加之無(wú)人機(jī)氣動(dòng)效率、螺旋槳效率、結(jié)構(gòu)效率、電機(jī)功率密度的進(jìn)一步優(yōu)化，系統(tǒng)可靠性的不斷提高，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“臨空飛舞”造福人類的日子一定會(huì)來(lái)到。(作者馬曉平系中科院工程熱物理研究所研究員)
