临近空间超长航时太阳能无人机发展及关键技术

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1、临近空问超长航时太阳能无人机发展及关键技术陶于金(西北工业大学无人机研究所，西安710065)【摘要】临近空间超长航时太阳能无人机是目前国际上研究的前沿方向，A间-s-述了目前国外临近空间太阳能无人机发展概况，梳理并分析了发展临近空间太阳能无人机亟待解决的关键技术，并对临近空间太阳能无人机的发展趋势进行了展望。关键词：临近空间；超长航时；太阳能无人机DOI：10．16080巧．issnl671-833x．2016．18．026西北工业大学无人机所高级工程师。长期从事无人机发展规划、前瞻性无人机系统总体论证、无人机平台总体气动设计、无人机飞行仿真与飞行品质研究。临近空间太阳能无人机

2、(NearSpaceSolarUnmannedAerialVehicle)是以太阳能为能量来源、飞行高度20000m以上的电动无人飞行器。其26航空制造技术·2016年第18期主要特点是：飞行高度高，位于大气平流层顶端，巡航作业不受天气和大气上下对流的影响；留空时间长，可进行长达数天甚至于数月、数年不间断飞行，作业覆盖区域广；可重复使用，可根据需要随时降落进行维修或更换有效载荷；效费比高，但其费用远低于在轨卫星；作业使用灵活，既可在指定区域长时间盘桓飞行作业，也可根据需要改变飞行航线以调整作业区域或远程自主航线作业；生存能力较强，其飞行高度超过一般战斗机和一般地面防空导弹的攻击范

3、围，不易受到攻击。临近空间太阳能无人机因其突出的优势而应用前景十分广阔。在民用领域，可进行临近空间大气研究、天气预报、环境及灾害监测、交通管制监测、互联网服务和电视服务等；在军用领域，可用于国界巡逻、战区侦察监视、通信中继、电子对抗等。不管是在军用领域还是在民用领域，临近空间太阳能无人机都有广阔的应用前景，被喻为“大气层卫星”[i-21．太阳能飞机，临近空间超长航时太阳能无人机研究情况从事太阳能飞机、临近空间太阳能无人机研究最早的国家是美国。美国在太阳能飞机方面的探索可追溯到20世纪70年代初，1974年11月4日世界上第一架用太阳能驱动的“SunriseI”在加州试飞成功，随后

4、于1977年又发展了“GossamerCondor”，1979年研制成功了“GossamerAlbatross”，1980年推出了“GossamerPenguin”和“SolarChallenger”等。近年来，瑞士著名探险家皮卡德联合洛桑联邦理工学院(EPFL)招募90多名各领域顶尖专家成立了阳光动力核心技术团队，历时13年耗资1．6亿瑞士法郎(约1．6亿美元)建成了具备环球飞行能力的“阳光动力2号”太阳能飞机，其飞行高度为1500～8500m。因该飞机只能在中空飞行，受大气紊流影响较大，飞行安全性低，而且不具备真正意义上的长时间昼夜飞行能力，因此发展应用前景有限。￡QyEBs

5、工Q旦∑．i!量盟太阳能飞行器最有发展前景的应是临近空间超长航时无人机方向。在美国国家航空航天局(NASA)“环境研究与传感器技术ERAST(EnvironmentalResearchAircraftandSensorTechnology)”研究计划的推动下，美国国家航空航天局(NASA)和航空环境公司(AeroVironment)开启了临近空间太阳能无人机的探索。当前，已经发展了四代”’31(如图1所示121)，其中第一代为“探路者(Pathfinder)”，第二代为“探路者+(Pathfinderplus)”，第三代为“百人队队长(Centurion)”，第四代为“太阳神(H

6、elios)”。“Helios”无人机翼展75．3m，弦长2．4384m，机翼面积183．576m2，空重599．6kg，总重928．973kg，载荷329．3kg，任务设备为45．36kg(30480m高空巡航4天)和272．16kg(21336m高空)，推进系统为14台永磁无刷直流电机，每台电机额定输出功率1．47kW，驱动2叶直径为2．Om的宽弦层流定距高空螺旋桨。“Helios”无人机飞行高度已达到了30000m高空，远期目标是长达6个月的昼夜飞行[2．41。鉴于临近空间超长航时太阳能无人机所具备的显著优势，世界著名信息领域企业高度重视其发展应用前景，其大力投入促进了太阳

7、能无人机从探索走向实用化的进程。Facebook与谷歌公司目前正致力于设计巡航高度为20000m、设计巡航时间达数月之久的Solara系列无人机(如图2所示)发展，拟通过搭载通信设备，从天空向用户发射无线信号，从而构建覆盖全球的无线网络。欧洲空中客车防务与航天公司正在发展Zephyr系列太阳能无人机，在20000m高空连续飞行14天，创造了新的世界纪录。图2谷歌公司Solara太阳能无人机Fig．2SolarasolarunmannedaeriavehiclesofGooglec