太陽能無人機(jī)

　　太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為兩類：結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式。

　　太陽能電池按材料可分為：硅晶體電池(單晶、多晶、非晶硅) 、多元化合物薄膜電池 、聚合物多層修飾電極型電池、納米晶電池。

　　目前太陽能飛機(jī)上使用的多半為薄膜單晶硅太陽能電池和柔性薄膜多元化合物電池(如：砷化鎵薄膜電池 、銅銦鎵硒薄膜電池等)。柔性薄膜太陽能電池的制備工藝十分復(fù)雜，如多元化合物電池就需經(jīng)過反應(yīng)濺射、熱蒸發(fā)、清洗、激光切割和封裝等精細(xì)加工過程。為了適于安裝于無人機(jī)表面，太陽能電池需輕、薄和柔軟，電池封裝要具有極好的防水蒸汽性能，還需要具有抗紫外、抗磨損、抗老化等功能。

　　太陽能電池的效率是決定太陽能飛機(jī)動(dòng)力和承載能力的基礎(chǔ)。所謂太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率是指電池輸出功率密度與入射光功率密度之比，也就是一定面積的太陽能電池板吸收光能后可以轉(zhuǎn)化為電能的效率。目前太陽能電池板的效率通常在10%-30%，因此要不斷提高太陽能電池板的效率才有望減小飛機(jī)面積或增加承載重量。

3.4 太陽能無人機(jī)的夜間航行

　　太陽能無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)飛行，晚上沒有太陽光要靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)把白天吸收的太陽能轉(zhuǎn)化的多余電能存儲(chǔ)起來(如鋰電池)，以備夜間飛行使用。夜間無人機(jī)飛行要執(zhí)行與白天不一樣的飛行模式。夜間飛行，為了節(jié)約能源，通常采取無動(dòng)力“滑翔飛行”和有動(dòng)力飛行相結(jié)合的方式。由于太陽能無人機(jī)具有大展弦比機(jī)翼和輕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此具備優(yōu)良的滑翔能力。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)行一定滑翔角飛行時(shí)，由于相對(duì)氣流產(chǎn)生的“迎角”，即使沒有動(dòng)力，也會(huì)產(chǎn)生一定的升力，從而節(jié)約能量。當(dāng)然，太陽能無人機(jī)必須具有先進(jìn)的自主控制飛行與導(dǎo)航能力。夜間飛行還需要無人機(jī)設(shè)計(jì)有執(zhí)行滑翔飛行的自動(dòng)控制程序和不同飛行模式之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能。

3.5 太陽能無人機(jī)的電子系統(tǒng)

　　太陽能無人機(jī)與其他無人機(jī)一樣都需要先進(jìn)的電子系統(tǒng)。目前人們普遍接受美國(guó)在“無人機(jī)系統(tǒng)線路圖”提出的概念，用“無人機(jī)系統(tǒng)(UAS：Unmanned Aircraft System)”代替原來的“無人機(jī)(UAV)”的提法。換句話說，通常我們說“無人機(jī)”，應(yīng)是對(duì)“無人機(jī)系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱。無人機(jī)系統(tǒng)是指無人機(jī)空中平臺(tái)及與其配套的任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈、地面測(cè)控站、起飛(發(fā)射)回收裝置以及地面保障設(shè)備等的統(tǒng)稱。

　　無人機(jī)的自主飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)包括集多種傳感器與微處理器的控制、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，執(zhí)行飛行器姿態(tài)控制和規(guī)劃路線導(dǎo)航控制，目前向智能控制發(fā)展。

　　無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)廣義上包括任務(wù)載荷傳感器和信息傳輸。任務(wù)載荷是根據(jù)不同任務(wù)使命的微型飛行器而設(shè)計(jì)的不同機(jī)載任務(wù)設(shè)備，如偵察設(shè)備、電子干擾器、氣體采集器、聲音傳感器和其它任務(wù)傳感器。通常視覺傳感器是無人機(jī)最基本的任務(wù)傳感器。還包括對(duì)任務(wù)設(shè)備的控制，如任務(wù)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，跟蹤目標(biāo)控制模塊等。信息傳輸包括機(jī)載信息和地面信息的數(shù)據(jù)處理。

　　太陽能無人機(jī)由于飛行時(shí)間更長(zhǎng)，以及要適應(yīng)晝夜飛行和其他環(huán)境影響，因此對(duì)電子系統(tǒng)的功能和可靠性要求更高。

4 太陽能無人機(jī)的發(fā)展

　　由于太陽能無人機(jī)具有長(zhǎng)航時(shí)與無污染能源的優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展受到各國(guó)的重視。目前，太陽能無人機(jī)主要計(jì)劃用于高空長(zhǎng)航時(shí)偵察或監(jiān)視，可在幾萬米空中連續(xù)晝夜偵察以部分替代偵察衛(wèi)星的功能。比較著名的太陽能無人機(jī)是美國(guó)NASA資助AeroVironment公司研制的 “太陽神”號(hào)無人機(jī)。該機(jī)是矩形飛翼式布局，翼展75米，身長(zhǎng)2.4米。裝有65000片太陽能電池塊，可提供40千瓦電能驅(qū)動(dòng)14個(gè)螺旋槳，能以每小時(shí)30至50公里的巡航速度飛行，經(jīng)過10小時(shí)17分的飛行，可達(dá)到22800米的高度。2013年美國(guó)Titan Aerospace公司推出兩種solara太陽能無人機(jī)：50型和60型，計(jì)劃連續(xù)飛行5年。

　　還有另外一些大型的太陽能無人機(jī)如表1中所列。世界上多種小型太陽能無人機(jī)的研制更加活躍，其中成功進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)飛行試驗(yàn)的如表2所示。

　　英國(guó)“西風(fēng)7”太陽能無人機(jī)，是目前實(shí)際連續(xù)飛行最長(zhǎng)的無人機(jī)，由3～4人手持起飛，最大飛行高度可以達(dá)到40000米，續(xù)航時(shí)間已達(dá)到35天，可以從18288米的高空，精確拍攝到大小僅為25.4厘米的地面目標(biāo)。

　　我國(guó)也有多個(gè)單位在研制多種太陽能無人機(jī)。圖7是南京航空航天大學(xué)研制的 “靈翼”小型太陽能無人機(jī)，翼展有4.5米和6米兩種，其中“靈翼”II型機(jī)翼還可以進(jìn)行部分變形以增加太陽光的照射強(qiáng)度。這兩種無人機(jī)安裝的是性能優(yōu)良的銅銦鎵硒柔性薄膜太陽能電池，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了僅依靠太陽能的長(zhǎng)時(shí)間飛行。

　　隨著對(duì)新能源的需求和太陽能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能飛機(jī)也會(huì)不斷提高其飛行能力和承載重量。太陽能飛行器已經(jīng)從無人機(jī)發(fā)展到太陽能載人飛機(jī)。由瑞士陽光動(dòng)力公司研制“陽光動(dòng)力2號(hào)”有人駕駛太陽能飛機(jī)正在進(jìn)行環(huán)球飛行。該飛機(jī)機(jī)翼上安裝有1.7萬塊超薄高效的太陽能電池板，翼展72米，平均時(shí)速為50～100千米，最大飛行高度為8500米，重量為2300千克，乘員為一名飛行員，可在白天和夜間連續(xù)飛行，目前已實(shí)現(xiàn)連續(xù)飛行80小時(shí)?！瓣柟鈩?dòng)力”公司預(yù)測(cè)，30多年后，能承載300名乘客的全太陽能飛機(jī)有望正式投入運(yùn)營(yíng)。人類將真正實(shí)現(xiàn)無燃油環(huán)保飛行的夢(mèng)想。未來還可以在太空建立空間無人航行太陽能電站，源源不斷地向地球供電。

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