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(jī)平臺——“啟明星50”大型太陽能無人機(jī)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(jī)身設(shè)計，巡航高度達(dá)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(wù)。

【資料圖】

此前，航空工業(yè)一飛院針對“啟明星”項(xiàng)目進(jìn)行了兩個階段的技術(shù)驗(yàn)證工作。

2016年，航空工業(yè)一飛院成功研制出10米翼展技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。

通過近兩年對高效氣動布局、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和能源綜合管理等關(guān)鍵技術(shù)的深化驗(yàn)證，自主飛行、全系統(tǒng)驗(yàn)證試飛、長航時試飛等試飛科目持續(xù)開展，于2018年9月實(shí)現(xiàn)了長航時連續(xù)飛行。

2018年5月，首架20米翼展驗(yàn)證機(jī)機(jī)體完成制造，并于當(dāng)年完成了系統(tǒng)功能試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)耦合試驗(yàn)、滑行試驗(yàn)和遙控首飛，以及太陽能電池板鋪設(shè)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(jī)平臺用途甚廣：

在軍事方面，太陽能無人機(jī)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(jī)的對地測繪能力；

在民用方面，太陽能無人機(jī)可以作為空中中繼平臺，提供通信服務(wù)。

此外，由于經(jīng)濟(jì)成本的方面的優(yōu)勢，太陽能無人機(jī)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(jìn)太陽能無人機(jī)的研發(fā)工作。

美國與歐洲

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

“西風(fēng)”太陽能無人機(jī)

“西風(fēng)”的此次飛行源于由空客防務(wù)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(yàn)。

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

2013年，空客防務(wù)公司從QinetiQ公司購買了“西風(fēng)”無人機(jī)項(xiàng)目。在這一項(xiàng)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(fēng)”的競爭機(jī)型PHASA-35，“PHASA”代表持久的高空太陽能飛機(jī)，數(shù)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(xiàng)目也正式轉(zhuǎn)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(jìn)中，目標(biāo)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(dá)12個月。

PHASA-35太陽能無人機(jī)概念圖

按照空客的設(shè)想，“西風(fēng)”無人機(jī)在“視覺和感知”領(lǐng)域至少有12種應(yīng)用，能夠搭載各種傳感器，包括紅外和高光譜成像、雷達(dá)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(rèn)為通信服務(wù)是“西風(fēng)”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(yùn)營商Docomo以及日本廣播衛(wèi)星運(yùn)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(fēng)”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(shè)備，尤其是鄉(xiāng)村、應(yīng)急和海上等地區(qū)和場景下提供通信服務(wù)。

“西風(fēng)”太陽能無人機(jī)

此外，2015年，空客曾就通信應(yīng)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(wù)。服務(wù)使用了三款“西風(fēng)”無人機(jī)，但在2019年，其中兩架飛機(jī)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?qū)ｉT運(yùn)營無人機(jī)起降的機(jī)場。

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

按照規(guī)劃，該無人機(jī)的設(shè)計巡航高度為1.9萬米，可在平流層中停留長達(dá)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(xiàng)目，“無限”無人機(jī)計劃在三到五年間完成制造并投入使用。

按照HAL的設(shè)想，“無限”無人機(jī)作為CATS計劃的一部分，將在敵方領(lǐng)土深處執(zhí)行監(jiān)視和通訊任務(wù)，并與CATS計劃內(nèi)的其他有人和無人系統(tǒng)協(xié)作。當(dāng)然，HAL也為“無限”設(shè)計了多種民用功能，包括為災(zāi)害救援管理、自然資源管理和沿海航道監(jiān)測等任務(wù)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(jī)。

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(jī)進(jìn)行了測試。

據(jù)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(shí)現(xiàn)“LTE通信”的空中基站。

隨著全球各國對長航時太陽能無人機(jī)的研發(fā)推進(jìn)，可以預(yù)測的是，在移動通信和互聯(lián)網(wǎng)接入、災(zāi)害預(yù)警、海域監(jiān)管、國家安全等方面，太陽能無人機(jī)著實(shí)大有用處。

但同時，已經(jīng)發(fā)生的墜毀案例和失敗項(xiàng)目，也從側(cè)面表明太陽能無人機(jī)對研發(fā)設(shè)計有較高的要求。

首先，其機(jī)體結(jié)構(gòu)決定了大展弦比的太陽能無人機(jī)易受不利天氣條件的影響，特別是在通過對流層，進(jìn)行爬升和下降的過程中。

其次，太陽能無人機(jī)對能源轉(zhuǎn)換要求較高，電池轉(zhuǎn)化效率要高，儲能電池要保持強(qiáng)勁。如果這兩項(xiàng)要求無法被滿足，最終無人機(jī)會由于推力有限、續(xù)航時間不夠而失去經(jīng)濟(jì)性。

此外，萬米高空中強(qiáng)烈的太陽輻射和紫外線對無人機(jī)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(jī)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程能力的躍升，為將來的帶載荷、長航時任務(wù)奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

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