■马晓平
近日，航空工业一飞院研制的“启明星50”大型太阳能无人机首飞成功的新闻火遍朋友圈，引起广大科技爱好者的极大关注。太阳能无人机作为目前唯一可能实现临近空间持久飞行的飞行器，它的价值何在？有什么科技含量？发展现状和应用前景如何？我们就此作个简单分析和探讨。
低空“伪卫星”
9月5日四川泸定地震发生后，“翼龙”无人机紧急出动对灾区进行通信中继和灾情探查。但受滞空时间和飞行高度限制，无人机每次飞行恢复灾区通信的时间和范围有限。
大家可能还记得，2021年7月20日河南郑州突降暴雨，城市被淹，通信中断，“翼龙-II”无人机紧急出动为灾区临时恢复通信5小时。
试想，如果此时在灾区上空20千米高度有临近空间太阳能无人机持续飞行，就可以在大范围不间断恢复通信的同时，提供灾区的实时影像，为救灾提供重要保障。
所以，临近空间太阳能无人机在完成大容量通信中继任务时相当于一颗低空的“伪卫星”。临近空间一般指距海平面20~100千米的空间环境，是大气层与外层空间之间的过渡层，绝大多数航空器都在临近空间以下飞行，而航天器则在临近空间以上飞行。也就是说，这一区域一般航空器上不去、航天器下不来。
与轨道相对固定的卫星相比，临近空间太阳能无人机覆盖范围灵活、信号损失小、精度高，可在特定区域长久驻留，执行针对性任务。临近空间太阳能无人机因其环保、高空长航时的优势，在重大自然灾害预警、常态化海域监管、偏远地区互联网接入、通信覆盖、地理环境勘探、动植物保护、智慧农业等多种任务场景具有广阔应用前景和发展潜力。
正因如此，世界各航空强国都在积极发展相关技术，但面临的挑战巨大。
四大技术挑战
我们先来看看临近空间环境：大气密度极低，20千米高度的大气密度大约是海平面的7%，30千米高度的大气密度只有海平面的1.5%；昼夜温差大，夜间温度可降至-70℃以下，白天太阳直射时温度又高达80℃以上；临近空间区域各种宇宙射线较强，给飞行器的长久驻留带来巨大挑战。
在这样恶劣的环境下，要想实现持续飞行，临近空间太阳能无人机必须解决无人机平台设计、太阳能光伏转化、储能电池蓄能、电机—螺旋桨推动、系统可靠性保障等一系列技术难点。
首先是临近空间无人机的高效气动设计技术。众所周知，太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，但大家容易忽略的是，太阳能也是一种不同于传统化石能源的低密度能源。任何一款飞行器要想利用太阳能在临近空间实现持久飞行，必须用极高的气动效率来降低能源消耗，也就是说必须具有很高的“升阻比”，这需要从总体布局、翼型选择、舵面配置、生产加工等多方面进行一丝不苟的优化。
其次，为了飞得高必须减轻自身重量，“为减轻1克重量而奋斗”这一设计理念在临近空间太阳能无人机上更加凸显。因此，临近空间无人机大量采用碳纤维先进复合材料结构，以期用最小的重量完成无人机的制造。而大尺度轻质复合材料结构的设计、强度分析、制造工艺等环节均要突破相应的技术难关。
再次，如何将太阳光高效转化为电能，白天在为无人机提供能源的同时为储能电池充电，从而实现昼夜飞行。高效太阳能光伏电池、高能量密度低衰减储能电池、高功率密度电机和高效螺旋桨是组成高效能源动力系统的基础。在柔性高效太阳能光伏电池制造、高能量密度低衰减储能电池制造、高效电机与螺旋桨匹配、能源综合优化与管理等方面同样存在巨大技术难点。
最后，长久持续的临近空间飞行，对包括飞机结构、飞控航电、传感器、能源动力系统等在内的所有分系统的可靠性提出了极高要求，任何一个环节出现问题都可能导致无人机不能长航时飞行甚至坠机。今年8月18日在美国亚利桑那州尤马试验场上空，一架由欧洲空客公司制造的美国陆军所属Zephyr-8太阳能无人机在飞行64天后意外坠毁，就凸显了系统可靠性的重要性和复杂性。
“临空飞舞”必将到来
尽管国内外临近空间太阳能无人机的研发一波三折，在上述技术难点面前屡屡受挫，但世界各国的科学家们仍不遗余力地进行研发。
除了航空工业的“启明星50”高空长航时太阳能无人机外，航天科技集团公司第十一研究院的“彩虹”系列太阳能无人机也在高空长航时飞行上取得了一系列突破。
中科院工程热物理研究所采用球载起飞高空投放的技术途径，积极开展临近空间太阳能无人机的研究工作，先后完成了15米和35米翼展的太阳能无人机低空飞行试验，正在向更大高度和尺度探索。
国际上，美国宇航局持续发展高空长航时太阳能无人机，其代表型号Helios在飞行中创造了29.5千米的太阳能无人机最高飞行纪录。
英国的Zephyr系列高空长航时太阳能无人机持续改进，2018年Zephyr-S曾创造了26天不间断飞行的最长续航纪录，这一纪录在2022年8月被Zephyr-8以64天的滞空时间打破，充分说明Zephyr系列太阳能无人机拥有充当“高空平台站”的潜力，它们可以在高海拔地区长时间停留，从而为下方的偏远地区提供宽带通信服务。
这一系列的技术进步使我们有理由相信，随着太阳能光伏转换效率和储能电池能量密度的提高，加之无人机气动效率、螺旋桨效率、结构效率、电机功率密度的进一步优化，系统可靠性的不断提高，太阳能无人机“临空飞舞”造福人类的日子一定会来到。
（作者系中科院工程热物理研究所研究员）
