9月3日，我國研制的第一款以太陽能為唯一動力能源的全電大型無人機平臺——“啟明星50”大型太陽能無人機成功首飛。

作為一款能夠在高空連續(xù)飛行的“偽衛(wèi)星”，“啟明星50”采用雙機身設計，巡航高度達2萬米以上，能夠在高空持續(xù)執(zhí)行高空偵察、森林火情監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測、地理測繪、通信中繼等任務。

【資料圖】

此前，航空工業(yè)一飛院針對“啟明星”項目進行了兩個階段的技術驗證工作。

2016年，航空工業(yè)一飛院成功研制出10米翼展技術驗證機。

通過近兩年對高效氣動布局、輕質結構和能源綜合管理等關鍵技術的深化驗證，自主飛行、全系統(tǒng)驗證試飛、長航時試飛等試飛科目持續(xù)開展，于2018年9月實現了長航時連續(xù)飛行。

2018年5月，首架20米翼展驗證機機體完成制造，并于當年完成了系統(tǒng)功能試驗、結構剛度和模態(tài)耦合試驗、滑行試驗和遙控首飛，以及太陽能電池板鋪設等工作。

作為能夠在臨近空間長時間飛行的“偽衛(wèi)星”，太陽能無人機平臺用途甚廣：

在軍事方面，太陽能無人機飛行高度很高，可以避免地面攻擊，又同時具備衛(wèi)星與飛機的對地測繪能力；

在民用方面，太陽能無人機可以作為空中中繼平臺，提供通信服務。

此外，由于經濟成本的方面的優(yōu)勢，太陽能無人機還可以在某些方面作為衛(wèi)星功能的替代品。因此，近些年來各國航空制造業(yè)都在大力推進太陽能無人機的研發(fā)工作。

美國與歐洲

8月19日，空客公司主導研制的“西風”（Zephyr）無人機在美國亞利桑那州的試驗場墜毀。在墜毀前，“西風”已經不間斷飛行了64天。

“西風”太陽能無人機

“西風”的此次飛行源于由空客防務公司和美陸軍未來司令部（Army Futures Command）所共同組織的一次平流層飛行試驗。

“西風”并不是空客公司原創(chuàng)的項目，而是購買自英國QinetiQ公司。

2013年，空客防務公司從QinetiQ公司購買了“西風”無人機項目。在這一項目流失后，一些工程師離開了QinetiQ公司，成立了棱鏡（Prismatic）公司，并研發(fā)出了“西風”的競爭機型PHASA-35，“PHASA”代表持久的高空太陽能飛機，數字35代表翼展。

2019年，英國BAE系統(tǒng)公司收購了棱鏡公司，該項目也正式轉入BAE系統(tǒng)門下。2020年2月，PHASA-35在澳大利亞完成首飛。目前依然在研發(fā)改進中，目標性能是搭配鋰離子電池和超輕型砷化鎵太陽能電池，令其在2萬米高度停留長達12個月。

PHASA-35太陽能無人機概念圖

按照空客的設想，“西風”無人機在“視覺和感知”領域至少有12種應用，能夠搭載各種傳感器，包括紅外和高光譜成像、雷達成像、激光成像探測和測距（LIDAR）、無源射頻監(jiān)測（如SIGINT）和海上自動識別系統(tǒng)（AIS）等。

目前，空客似乎認為通信服務是“西風”最有前景的發(fā)展方向之一，畢竟與衛(wèi)星相比，這種高空“偽衛(wèi)星”的制造成本更低，而且覆蓋范圍靈活，沒有固定軌道。

2021年1月，空客與日本電報電話公司（NTT）、日本移動電話運營商Docomo以及日本廣播衛(wèi)星運營商SKY Perfect JSAT簽署了一份諒解備忘錄。備忘錄約定，三方將綜合使用“西風”和衛(wèi)星合作研發(fā)一個寬帶連接生態(tài)系統(tǒng)，為各種終端設備，尤其是鄉(xiāng)村、應急和海上等地區(qū)和場景下提供通信服務。

“西風”太陽能無人機

此外，2015年，空客曾就通信應用與英國國防部簽署了一份合同，為英國國防部所需要的軍事通信提供服務。服務使用了三款“西風”無人機，但在2019年，其中兩架飛機在從西澳大利亞溫德姆起飛時墜毀……此后的2021年，空客在澳大利亞建立了一個能夠專門運營無人機起降的機場。

在空客之外，美國政府也正在通過“廣撒網”的方式大力資助和推進太陽能無人機項目的發(fā)展，目前孵化項目包括“探路者”、“太陽鷹”和“太陽神”等。但截至目前，這些項目并沒有較大的進展。

“探路者”

“太陽鷹”

“太陽神”

美國空軍旗下的HiSentinel飛艇和HALE-D飛艇等太陽能飛艇項目也以失敗告終。

HiSentinel

HALE-D

印度

2021年，印度民營公司NewSpace與國有公司合作，啟動了一項名為“無限”（Infinity）的太陽能無人機項目。

按照規(guī)劃，該無人機的設計巡航高度為1.9萬米，可在平流層中停留長達90天。作為印度斯坦航空有限公司（HAL）2025年空中作戰(zhàn)集群系統(tǒng)（CATS）的子項目，“無限”無人機計劃在三到五年間完成制造并投入使用。

按照HAL的設想，“無限”無人機作為CATS計劃的一部分，將在敵方領土深處執(zhí)行監(jiān)視和通訊任務，并與CATS計劃內的其他有人和無人系統(tǒng)協(xié)作。當然，HAL也為“無限”設計了多種民用功能，包括為災害救援管理、自然資源管理和沿海航道監(jiān)測等任務提供圖像和視頻。

日本

2018年，日本航空環(huán)境公司與日本電信公司SoftBank　Corp成立了合資公司HAPS Mobile，專門開發(fā)商業(yè)用途的太陽能高空長航時無人機。

2020年9月，HAPS Mobile公司在美國新墨西哥州，對具有基站功能的Sunglider太陽能無人機進行了測試。

據稱，Sunglider翼展78米，飛行時長在20小時以上，是全球首個能在離地20千米的平流層同地面實現“LTE通信”的空中基站。

隨著全球各國對長航時太陽能無人機的研發(fā)推進，可以預測的是，在移動通信和互聯(lián)網接入、災害預警、海域監(jiān)管、國家安全等方面，太陽能無人機著實大有用處。

但同時，已經發(fā)生的墜毀案例和失敗項目，也從側面表明太陽能無人機對研發(fā)設計有較高的要求。

首先，其機體結構決定了大展弦比的太陽能無人機易受不利天氣條件的影響，特別是在通過對流層，進行爬升和下降的過程中。

其次，太陽能無人機對能源轉換要求較高，電池轉化效率要高，儲能電池要保持強勁。如果這兩項要求無法被滿足，最終無人機會由于推力有限、續(xù)航時間不夠而失去經濟性。

此外，萬米高空中強烈的太陽輻射和紫外線對無人機電池的耐高（低）溫、耐輻射、耐腐蝕性要求也極高。

“啟明星50”的首飛成功表明我國在大型太陽能無人機領域已經實現了工程能力的躍升，為將來的帶載荷、長航時任務奠定了堅實基礎。

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