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近日，航空工業(yè)一飛院研制的“啟明星50”大型太陽能無人機(jī)首飛成功的新聞火遍朋友圈，引起廣大科技愛好者的極大關(guān)注。太陽能無人機(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？我們就此作個簡單分析和探討。

低空“偽衛(wèi)星”

9月5日四川瀘定地震發(fā)生后，“翼龍”無人機(jī)緊急出動對災(zāi)區(qū)進(jìn)行通信中繼和災(zāi)情探查。但受滯空時間和飛行高度限制，無人機(jī)每次飛行恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信的時間和范圍有限。

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”無人機(jī)緊急出動為災(zāi)區(qū)臨時恢復(fù)通信5小時。

試想，如果此時在災(zāi)區(qū)上空20千米高度有臨近空間太陽能無人機(jī)持續(xù)飛行，就可以在大范圍不間斷恢復(fù)通信的同時，提供災(zāi)區(qū)的實(shí)時影像，為救災(zāi)提供重要保障。

所以，臨近空間太陽能無人機(jī)在完成大容量通信中繼任務(wù)時相當(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，這一區(qū)域一般航空器上不去、航天器下不來。

與軌道相對固定的衛(wèi)星相比，臨近空間太陽能無人機(jī)覆蓋范圍靈活、信號損失小、精度高，可在特定區(qū)域長久駐留，執(zhí)行針對性任務(wù)。臨近空間太陽能無人機(jī)因其環(huán)保、高空長航時的優(yōu)勢，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、動植物保護(hù)、智慧農(nóng)業(yè)等多種任務(wù)場景具有廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?br />
正因如此，世界各航空強(qiáng)國都在積極發(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，白天太陽直射時溫度又高達(dá)80℃以上；臨近空間區(qū)域各種宇宙射線較強(qiáng)，給飛行器的長久駐留帶來巨大挑戰(zhàn)。

在這樣惡劣的環(huán)境下，要想實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行，臨近空間太陽能無人機(jī)必須解決無人機(jī)平臺設(shè)計(jì)、太陽能光伏轉(zhuǎn)化、儲能電池蓄能、電機(jī)—螺旋槳推動、系統(tǒng)可靠性保障等一系列技術(shù)難點(diǎn)。

首先是臨近空間無人機(jī)的高效氣動設(shè)計(jì)技術(shù)。眾所周知，太陽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能在臨近空間實(shí)現(xiàn)持久飛行，必須用極高的氣動效率來降低能源消耗，也就是說必須具有很高的“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能無人機(jī)上更加凸顯。因此，臨近空間無人機(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，如何將太陽光高效轉(zhuǎn)化為電能，白天在為無人機(jī)提供能源的同時為儲能電池充電，從而實(shí)現(xiàn)晝夜飛行。高效太陽能光伏電池、高能量密度低衰減儲能電池、高功率密度電機(jī)和高效螺旋槳是組成高效能源動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在柔性高效太陽能光伏電池制造、高能量密度低衰減儲能電池制造、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，長久持續(xù)的臨近空間飛行，對包括飛機(jī)結(jié)構(gòu)、飛控航電、傳感器、能源動力系統(tǒng)等在內(nèi)的所有分系統(tǒng)的可靠性提出了極高要求，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致無人機(jī)不能長航時飛行甚至墜機(jī)。今年8月18日在美國亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場上空，一架由歐洲空客公司制造的美國陸軍所屬Zephyr-8太陽能無人機(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

盡管國內(nèi)外臨近空間太陽能無人機(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”高空長航時太陽能無人機(jī)外，航天科技集團(tuán)公司第十一研究院的“彩虹”系列太陽能無人機(jī)也在高空長航時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，積極開展臨近空間太陽能無人機(jī)的研究工作，先后完成了15米和35米翼展的太陽能無人機(jī)低空飛行試驗(yàn)，正在向更大高度和尺度探索。

國際上，美國宇航局持續(xù)發(fā)展高空長航時太陽能無人機(jī)，其代表型號Helios在飛行中創(chuàng)造了29.5千米的太陽能無人機(jī)最高飛行紀(jì)錄。

英國的Zephyr系列高空長航時太陽能無人機(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天的滯空時間打破，充分說明Zephyr系列太陽能無人機(jī)擁有充當(dāng)“高空平臺站”的潛力，它們可以在高海拔地區(qū)長時間停留，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，隨著太陽能光伏轉(zhuǎn)換效率和儲能電池能量密度的提高，加之無人機(jī)氣動效率、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，太陽能無人機(jī)“臨空飛舞”造福人類的日子一定會來到。

原標(biāo)題：臨近空間太陽能無人機(jī)價值幾許