神秘的太阳能无人机

赵岷

在古希腊神话中，有这样一个故事：伊洛卡斯父子在战争中被打败，为了逃跑，他们用绳子和蜡将羽毛固定在胳膊上，然后朝着太阳的方向飞去，在接近太阳时，因蜡被融化，羽毛脱落，坠海而死。伊洛卡斯父子懂得模仿鸟儿飞翔，但没有想到高温会将蜡融化，使羽毛脱落。如今真的出现了能朝着太阳飞，而且必须依靠阳光才能飞行的飞行器——美国航空航天局（NASA）正在秘密研制的太阳能无人机，它用现代复合材料代替了蜡，用复杂的结构代替了鸟翼，可长时间地遨翔在万里蓝天。下面我们就来看一看这种神秘的太阳能无人机的近况、相关技术、主要型号及其用途。

NASA对太阳能无人机的研究

用太阳能作为飞机的能源，这种想法由来已久，也有人尝试过，但真正开始进行型号研制并取得进展却是近年来的事。美国航空航天局（NASA）经过多年的研究之后，提出了一个称为ERAST（即环境研究飞机和传感器技术）的计划，实际上就是美国的发展太阳能无人驾驶飞机计划。这个计划一直在秘密实施，直到近来才先后向外界透露了一些情况。

据介绍，目前这项计划进展得比较顺利，已经有四种型号的太阳能无人机样机先后问世。最早的型号是“探索者”（Pathfinder），其后是称为“探索者＋”（PathfinderPlus）的改进型，第三种型号叫“百人队长”（Centurion），最新的型号是“太阳神”（Helios）。

这四种型号的太阳能无人机，都是位于加里福尼亚州的大气环境公司所制造，并且先后开始试飞。在试飞中，它们曾创造了两个方面的记录：一是首次实现了太阳能动力飞行；二是创造了螺旋桨无人机飞行高度达到20000米以上。这两项记录的每一项都意味着太阳能无人机向成功和实用迈出了非常重要的一步。特别是实现了太阳能动力飞行，标志着这种飞行器长时间、长距离的不着陆飞行将成为可能。在理论上，只要不出现机件损坏，它的续航时间和航程都是无限的。

最先打破这两项记录的是“探索者”太阳能无人机。它不但成功地使用了太阳能作为飞机的动力能源，而且能在20000米以上的高空正常使用。在此之前，飞行高度达到20000米以上仍能保持正常飞行的只有为数不多的几种飞机，其中包括美国的U－2高空侦察机、前苏联的M－55高空侦察机、美国的SR－71侦察机和最近因失事而全部停飞的法英合作研制的“协和”号运输机。况且这些都是喷气式飞机，而螺旋桨飞机至今无人企及。这主要是因为在这个高度上空气比较稀薄，只相当于火星表面的空气条件，飞机长时间飞行很困难，也很危险。飞行员要穿着性能非常可靠的抗荷服，发动机要有良好的高空工作性能，螺旋桨要有在高空使用的能力。对于太阳能无人机来说，由于无人驾驶，因此无须考虑飞行员的生存和工作条件。

要想使飞机能在20000米以上的高空条件下飞行，必须提供足够的升力。解决这个问题，对于低速飞机来说通常的办法是选择合适的翼型、加长翼展、加大机翼面积，以尽可能地增大飞机的升力，同时也要千方百计地减轻飞机重量。因此，我们从本文的插图中可以看到，这些太阳能无人机的翼展都很长，翼面积非常大，而且主要是采用比较轻的新型材料制作的。

现在研制的几种太阳能无人机的翼载荷都很小，如“太阳神”太阳能无人机，其翼载荷还不到3公斤/平方米。为了作到这一点，生产厂家不得不在机翼上全部采用新型的复合材料，如卡夫拉、碳纤维、奥美丝等，以及用优质的胶卷膜片作为机翼蒙皮。这样的机翼，不但重量轻、翼载荷小，而且具有良好的柔韧性，可防止机翼在飞行中折断。为了减轻这种飞机的重量，还不能象传统飞机那样装很多设备，只能装必须装备的设备。

太阳能飞机虽然不重，但翼展很长，因此其机动性肯定比不上小型飞机。为了尽可能地提高它的机动特性，所以安装了很多操纵面，如“百人队长”无人机就在机翼后缘装了60个可操纵的舵面，而“太阳神”则更多，一共有72个舵面，可算得上是舵面最多的飞机。它们主要用于操纵飞机的俯仰和滚转运动。光有这么多舵面还不够，有时还需要用发动机进行不对称操纵来帮忙。

由于采取了这些技术措施，尽管太阳能无人机的翼展很大，但飞机的机动性还是不错的。据介绍，“太阳神”太阳能无人机的转弯角速度可达到5度/秒，其盘旋半径只比它的翼展长度大一点。

由于是无人驾驶飞机，所以没有供飞行员使用的驾驶舱。从现有四种太阳能无人机的总体设计来看，翼下都设有多个流线形的扁平吊舱。它们至少有三个作用，一是在其内安装设备；二是在其下安装轮子，作起落架使用；三是可起方向稳定作用，相当于一般飞机的垂直尾翼。此外，由于太阳能无人机的翼展很长，飞行时因为受载荷的影响两翼外侧会往上翘，这有益于提高飞机的稳定性，相当于机翼上后角的作用。

太阳能无人机的关键技术

研制太阳能无人机主要有两个关键技术问题要解决：一是要能有效地将太阳能收聚起来，二是如何解决夜间和阳光微弱时的能源问题。

众所周知，利用太阳能作为动力能源早在航天器（如卫星）上就已经应用。不过航天器一般都是在离地球几百公里以上的外层空间飞行，而太阳能无人机只能在二三十公里的大气层内飞行，两者的条件有很大差别。外层空间的空气非常非常稀薄，离太阳近，阳光非常强，收聚自然容易。太阳能无人机飞行高度虽然比一般飞机要高，但仍然属于大气层内，由于受大气的影响，阳光要弱得多，而且有时还会受到云的遮挡。要想在这种条件下有效地收聚太阳能，必须有高效的太阳能电池。据介绍，他们在“探索者＋”型无人机上使用了一种由加理福尼亚太阳能动力公司研制的新型光学导电体。采用这种导电体制作的太阳能电池，可比原“探索者”无人机上使用的太阳能电池提高能量14％。

将太阳能转化为驱动飞机前进的动力，则是由电动发动机来实现的。美国的太阳能无人机上装的发动机，是由大气环境公司生产的无电刷电动发动机。每个发动机重5公斤。在地面上，发动机的转速为200转/分；而在最大高度时，发动机的转速可达2000转/分。为保证飞机高空飞行的可靠性，发动机采用了固定式的螺旋桨。

由于从地面起飞，阳光相对较弱，飞机的爬升速度很小，只有100米/秒左右，飞机要爬升到巡航高度通常需要3个多小时。而且起飞时间，一般要安排到早上，才能达到最高飞行高度。起飞时要选择风小、晴朗的天气，使太阳能发动机能产生足够的推力。如果要在有云的天气里安排起飞，就要靠电瓶的供电来维持，直到飞机穿出云层。这种飞机的起飞速度和着陆速度都很小，基本上与运动员骑自行车的速度差不多。

按设计要求，将来投入实用的太阳能无人机需要在天上飞行几个星期，甚至数月。这时必然经过夜间飞行，即使是在白天，如果飞行高度不够高的话，也可能遇到有云遮挡，阳光较弱的情况。如何解决在夜间和阳光微弱条件下的能源，是太阳能无人机必须解决的又一个技术问题。NASA采用的是一种称为“头盒”的技术使这一问题得到解决。经过研究表明，现有的锂铝电池还不能满足飞机整个夜间飞行的能源需要，必须有一种能提供200瓦/小时的高能电池。于是，NASA了解到其它无人机采用的一项技术，即一种长效燃料电池。这种电池的工作原理是通过氧和氢来发电的，并已被航天器和汽车所广泛应用。为了满足太阳能无人机的需要，美国大气环境公司对这种电池进行了进一步地改进。改进后的燃料电池具有可还原性。也就是说，使用后可还原，还原后再使用。只要飞机携带有液态氢和氧气储存器，存储器不断地向燃料电池输出液态燃料，就可为飞机的夜间飞行提供电能。掌握这种技术的除美国外，法国也能制造这种可还原性燃料电池。据说，美国大气环境公司在研制这种可还原性燃料电池时，还采用了特制的电解材料，用这种材料产生电能可使可还原性燃料电池达到前所未有的水平。不过，目前这种电池的稳定性不好，尤其是在高空低温条件下有工作不正常的情况，以及高空条件下结冰等问题，有待进一步完善。NASA认为，这些问题估计要到2003年才能全部解决。到那时，太阳能无人机就可以在20000米以上高空连续飞行近百小时。

另外值得一提的是太阳能无人机的飞行控制问题。由于它飞得高，且连续飞行时间非常长，因此地面控制相对比一般无人机的难度要大。好在大多数情况太阳能无人机是靠预先输入的程序控制飞行的，只有在起飞和着陆时才需要地面操纵者进行遥控。不仅如此，如果太阳能无人机与地面控制中心失去联络，飞机有能力自行返航着陆。它还装有一个伞降系统和一个定位信标系统，以备应急情况下使用。

正在试飞的四种太阳能无人机

花了近十年的时间，美国NASA研制了四种太阳能无人机原型机，目前正在进行第一阶段的试飞计划。这四种太阳能无人机有类似的之处，但又各有不同，下面分别作一简要介绍。

第一种型号“探索者”是于1993年首飞的。它采用平直翼和双吊舱设计，是四个型号中最小的一种。翼展29.5米，展弦比12，机长3.6米，翼面积71平方米。共装6台发动机，单台功率1.5千瓦。起飞重量252公斤，有效载荷45公斤。飞行速度30公里/小时，升限21000米，续航时间14～15小时。1995年，“探索者”太阳能无人机曾创造过15530米的飞行距离和19970米的飞行高度记录。后来，在夏威夷上空，又创造飞行高度21600米的记录。

第二种型号“探索者＋”太阳能无人机，是在“探索者”基础上发展而成的，1998年出厂，同年首次试飞。该机仍然采用平直翼、双吊舱设计，但尺寸更大。翼展36.3米，展弦比15，机长3.6米，翼面积87平方米。共装8台发动机，单台功率仍然为1.5千瓦。起飞重量315公斤，有效载荷67.5公斤。飞行速度为30公里/小时，升限为24000米，续航时间白天可达到14～15小时、夜间为2～5小时。改进型“探索者＋”有许多新特点，不管是在气动特性，还是动力系统上都有所突破。飞机采用的翼型也更适合高空飞行。特别是在机翼上表面安装了新型的太阳能电池板。这种电池板采用了由加里福尼亚太阳能动力公司研制的新型光学导电体。采用这种导电体制作的太阳能电池，其能量比在“探索者”上用的太阳能电池提高了14％。使“探索者＋”获得的能量，从8千瓦提高到12.5千瓦。这个能量足可以供两台发动机工作使用。另外，在操纵系统方面也进行了改进。由于采取了这些改进措施，在1998年的试飞中，使它的飞行高度达到了24800米。

第三种型号是“百人队长”，已经开始试飞。这种太阳能无人机尺寸更大，飞高度更高，航程也更远。该机采用了由五段矩形翼组成的大展弦比机翼，底下有4个吊舱，机翼前安装了14台发动机。其翼展达到了61.8米，是“探索者”太阳能无人机翼展的两倍。为了避免飞机在起飞、着陆以及转弯时产生翼尖失速，外段机翼设计了10度左右的上反角。由于“百人队长”采用了4个翼下吊舱，内部可携更多的有效载荷或设备。在30000米高度飞行时，它的有效载荷为50公斤；在24000米高度时，有效载荷则可达到600公斤。目前，“百人队长”还没有装太阳能电池板。在1998年的试飞中，爬升到24800米高度的能量是用机载锂铝电池所提供的。未装太阳能电池就进行试飞，主要为了检验加大翼展后的机翼结构和采用各种新系统后的工作情况。现在生产厂家已经接到太阳能电池板，正在安装过程中。预计装太阳能电池的“百人队长”太阳能无人机，将要到2001初才能试飞。

第四种型号“太阳神”太阳能无人机，是1999年出厂的。它的外形与“百人队长”差不多，但尺寸达到了创记录的水平，翼展达75米，比美国目前最大的两种大型运输机C－5和波音747的翼展还要大。翼下吊舱也由4个增加到5个。与“百人队长”相比，“太阳神”的机翼长了13.2米，多了一个机舱和一个起落架。据设计人员介绍，它集中了前几种太阳能无人机的优点。飞机的结构全部采用碳纤维复合材料制造。碳纤维材料的柔韧性比较好，使机翼在飞行过程中能保持良好的状态，适应飞机向上或向下的飞行。翼盒还用奥美丝、卡夫拉和环氧树脂等材料进行了加强，机翼前缘内用泡沫填充，整个飞机外表用一层坚固的塑料胶片加固。在1999年夏天，“太阳神”无人机进行了6次超过500米的低空飞行试验。它和“百人队长”一样，这些试飞都使用的是锂铝电池供电，要等到2001年才能使用太阳能电池。全机系统试验，估计要到2003年才能实施。那时，将进行续航时间达96小时的远距离飞行试验。按设计者要求，这种太阳能无人机可经常在15000米左右的高度上执行任务。飞机上共装14台发动机，但现在的试飞只有8台可以工作，其余6台只是摆样子的。据说，这主要是为了节约能量。

太阳能无人机的应用前景

NASA认为，太阳能无人机的用途广泛，发展前景乐观。由于这种无人机主要利用太阳能提供能源，具有飞得高、续航时间长和飞行距离远的特点，是一个理想的空中飞行平台。完全可以用于科学观测，作为人造地球卫星的补充，也能执行监视空中目标、探测风暴、探测水下珊瑚礁（为海上航行扫除障碍）和寻找成片油田等任务。

NASA研制的第一种太阳能无人机“探索者”，目前正在夏威夷上空进行试验飞行。上面带有两个阿摩斯研究中心研制的传感器，一个是数字式高分辨率的频谱干涉仪，另一个是能实时传输的高分辨率空间图象系统，试飞完成后就可以投入应用。

同时，NASA为了能得到每年1300万美元的科研经费，也在进一步拓宽太阳能无人机的使用范围，不局限于目前的这些试验和试用。他们发现，利用这种飞机的机翼可以进行全球信息的传输。太阳能飞机可以长期在高空飞行，完全可以用作便携式电话通信中继站。把它作为通信中继站要比用人造卫星更好，有更大的灵活性。因为它能毫不困难地从空中返回地面进行维修或更换设备，这是卫星所无法比拟的。太阳能飞机还可以很容易地快速转换所监视的工作域区，比卫星更方便，但其使用费用却比卫星低很多。按他们的计算，卫星的使用费大约是1000英镑/小时，而太阳能无人机的使用费用不到其一半。

当然，现在谈太阳能无人机的应用前景似乎还为是过早。何时走向实用，还要看NASA的试验进展是否顺利。