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科工力量:既是飞机又像卫星,我国临近空间太阳能无人机打破美英垄断
关键字: 太阳能无人机彩虹系列太阳能无人机根据太阳能飞机的基本飞行原理,为了降低对功率的需求,应减小平飞速度,减小翼载。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。假设一天内平均太阳辐射功率为260w每平米,以目前硅太阳能电池的转换效率为20%左右计算,飞机实现昼夜持续飞行的翼载不能超过6kg每平米。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。
可见,太阳能无人机设计的目标主要不是飞得快、载得多,而是飞得高、飞得久和可靠性。技术和工程设计上有别于常规的固定翼无人机,总体设计技术在国内外尚未形成成熟的设计体系。据空气动力技术研究院无人机总工程师石文介绍,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、作动器无法满足超长航时飞行等要求,因此需要大量设计试验和实飞验证。
太阳能无人机的几种布局形式
太阳能无人机的气动布局和翼型,也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。临近空间长航时太阳能无人机一般都用来执行侦察通信等任务,为了满足任务系统和动力系统的功率需求,翼面往往需要铺设大面积的太阳能电池,因此需要有大面积的机翼。设计上采用很大的展弦比,能尽可能减小飞机的诱导阻力,从而提高升阻比,提高气动效率。相比各种类型的飞机,大型临近空间长航时太阳能无人机的升阻比极大,已经超过30。
不同类型飞机的升阻比和速度范围
最后,介绍一下国外太阳能飞机的发展现状。
国外开展太阳能无人机研究的主要为美国和欧盟国家,比较著名的有Helios、Solong、Zephyr、HELIPLAT、Sky-Sailor,以及正在全球飞行的瑞士太阳能飞机——阳光动力2。
美国NASA太阳能无人机:截至2003年项目结束前共研制出Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios,都采用了飞翼布局。其中,Helios的翼展长度达到75.3米。
美国国防部预研局“秃鹰”计划:目的是寻求提供一种可保持在18.3km~27.4km高度、携带450kg有效载荷、机上功率5kW、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。波音/奎奈蒂克公司团队提出的“太阳鹰”方案中标。
“太阳鹰”初步方案设想
英国奎奈蒂克公司的Zephyr太阳能无人机计划始于2001年。2010年7月,Zephyr在亚利桑那州的尤马实验场起飞,携带2.7kg有效载荷,飞行14天零24分钟,起飞重量50kg,翼展22.5m。
2009年Zephyr飞行照片
瑞士“阳光动力2号”太阳能飞机在2015年至2016年环球飞行期间,最多曾达到118小时不间断飞行。由于其不是无人机,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。
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- 责任编辑:孙武
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