大陸首架臨近空間太陽能無人機 試飛成功

天境傳媒 記者 李欣怡 臺北 報導(責任編輯 郭玫蘭)
兩岸時事科技Industry兩岸時事產業科技2017-07-15
彩虹太陽能無人機成功完成20000公尺以上高空飛行試驗。
彩虹太陽能無人機成功完成20000公尺以上高空飛行試驗。

日前,大陸彩虹太陽能無人機成功完成20000公尺以上高空飛行試驗,使大陸成為繼美、英之後,第三個掌握臨近空間太陽能無人機技術的國家。

表面布滿太陽能電池板的彩虹太陽能無人機,翼展45公尺,造型奇特,未來一次飛行可達數月甚至數年,具備「准衛星」特點,應用層面非常廣闊,除可充當空中移動WIFI基地台外,也能高空實時監視定位等等。

太陽能無人機被稱為「大氣層衛星」,不僅具備超高空飛行能力,而且因航時長、偵察範圍廣、生存能力強等特點,受到世界各國的關注。大陸「中國航天空氣動力技術研究院」一直從事飛行器空氣動力綜合技術研究,近年該院利用技術優勢,將研發方向投向無人機領域,在推出彩虹系列察打一體無人機後,再次試飛首架臨近空間太陽能無人機。這架具備完全獨立自主知識產權的太陽能無人機,成為「中國智造」的又一創新之作。

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從雲下翻到雲上  「彩虹」跨越的不只是高度

在討論彩虹太陽能無人機前,可以先對比一些數據,以掌握概念——世界上最大的民航客機空客A380最大巡航高度:13000公尺;美國最先進的五代機F-22最大升限:19000公尺;彩虹太陽能無人機飛行高度:20000-30000公尺。上面數據顯示,彩虹太陽能無人機的巡航高度明顯高人一等。

翼展45公尺的彩虹太陽能無人機。
翼展45公尺的彩虹太陽能無人機。

但在科研上,爬高的過程並不簡單。彩虹太陽能無人機項目啟動之始,研發團隊便確立了超高空和長航時兩大目標,讓「彩虹」在技術性能上達到甚至超越國外同類型無人機。

彩虹造型奇特,整體設計簡約流暢,機翼如同加裝太陽能硅板的紙片,這是為了更好地提高無人機的升阻比,讓無人機飛得更高。在能源上,太陽能無人機完全依靠「吸收」太陽能維持飛行,如果白天未充飽電,晚上有能不足的情況,這樣「飛得遠」的目標便無法實現。研發人員發現,隨着緯度、海拔等條件變化,電池板吸收轉化太陽能的效率會發生改變,直接影響到無人機的飛行安全。

高空沒有加油站,能源問題是太陽能無人機研發過程中繞不過的瓶頸,研發人員多次對控制系統進行升級,從外形的微小改進到分系統的逐級優化,最後利用高效率的太陽能電池板和輕質高效的輸電電纜,延續了彩虹無人機的飛行時間。

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載重能力超過國外同類型無人機、關鍵技術實現國產化、在軍民領域有廣泛應用前景,作為中國智造的最新成果,彩虹太陽能無人機憑借超高空、長航時兩大優勢,達到世界先進水平。

從構思到首飛,中國智造追上了技術前沿

美國早在1980年便將太陽能無人機項目列入國家計劃,相繼研製出「探路者」、「太陽神」等型號無人機。作為當今太陽能無人機技術領先國家,英國在2007年試飛的「微風」無人機,空中飛行時間達到54個小時,飛行高度超過15000公尺。

在航空技術發展領域裏,最忌諱「一出生,就落后」的研發情況。但大陸在15年前太陽能無人機項目啟動時,研發團隊不得不面對技術層面上的一片空白。在拿不到、學不到國外的技術的情況下,「彩虹」完成技術追趕的任務,也充滿故事性與激勵性,研發背後的種種艱辛,盡是汗水與淚水。

「彩虹」研發進行了大量試驗和論證。從飛機外形到內部設計,甚至每一個細小零部件都要建立規劃圖和計劃表,保證技術參數全部達標。

第一架小型驗證機雖然只安裝了2個螺旋槳,但成功解決了如何「上天」的問題。「上天」並不是單純的模型測試,變幻莫測的高空環境下會出現很多無法預料的情況,即使是突如其來的一陣風,也會讓研發人員心驚肉跳。2013年時,驗證機在低空強紊流飛行時經常左搖右晃。為了解決這個問題,研發團隊在理論和工程層面展開艱難攻關,歷時一年多,才解決無人機在複雜氣象條件下精確控制的問題,不但讓飛機飛了起來,還飛得高、飛得穩。

從平台概念發展到小型驗證機,翼展從10公尺擴展到45公尺,在百餘次飛行試驗和後期改進中,研發人員積累了豐富的試驗數據和使用經驗,並逐步建立完善了太陽能無人機的設計和試驗方案。

每個零件都是減重目標 即使是幾公克也要「錙銖必較」

整架彩虹太陽能無人機沒有蒙皮和鉚釘,機身全部用一種塑料薄膜包裹。這種特殊的薄膜薄如蟬翼,具備防熱、防壓、防紫外線等功能,大大提高了無人機在臨近空間的生存能力。

此外,大陸研制無人機並不是用來挑戰極限數據,而是為了高效實用。經過科學的論證和試驗,研發團隊對無人機整體設計進行「減負」,讓彩虹飛起來更加輕盈。

彩虹太陽能無人機實用效益巨大,應用層面極其寬廣。
彩虹太陽能無人機實用效益巨大,應用層面極其寬廣。

而從「滿載」到「減負」,便是一道幾乎是解不完的「算術題」。彩虹太陽能無人機受到飛行重量的制約,要搭載更多的任務載荷,設計時必須對每個零部件的重量「錙銖必較」,每個零部件重量減少數克至數十克,整個系統就會有幾十公斤的「減負」。這種精益求精的設計理念,在彩虹太陽能無人機身上處處得到體現。

機翼上成千上萬塊小晶體硅太陽能電池,每一塊都是精心設計;機翼與螺旋槳之間一根普通的連接桿,濃縮了十幾項技術專利;連接機身和垂尾的尾撐有十幾公尺長,但普通人單手便可輕鬆提起。

科技的進步,最終目的是要服務人類。只有找准應用市場,才有持續發展的空間和潛力。根據發展規劃,彩虹太陽能無人機未來將具備「准衛星」的特點,作為空中平台,提供持久的數據中繼和4G/5G通信,部分替代通信衛星功能,實現區域全覆蓋的不間斷態勢感知、中繼通信服務。

作為國內知名的軍工研究院,「民用反哺軍用」的思路是研發團隊始終堅持的發展方向。如何讓彩虹太陽能無人機實踐這個發展套路?外軍的經驗值得參考。2009年,美國國防部啟動了「禿鷲」項目,計劃研制一種續航時間為5年的太陽能無人機,可以執行情報偵察、監視和通信中繼等軍事任務。

目前,大陸發團隊已經將太陽能無人機作為功能平台,把加裝水文、氣象、通信、監視等功能模塊列入規劃。在軍民領域,彩虹太陽能無人機未來應用前景廣闊。

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