太阳能无人机

摘要：本文整理太阳能电池对无人机发展的影响，汇总了当今世界多种小型太阳能无人机翼展、续航时间、起飞重量，总结了国内外太阳能无人机的发展。

引言

　　航空航天技术是20世纪初以来世界上发展最引人注目的技术之一。现代飞机发动机使用的能源仍然是传统的石油产品“航空汽油”(用于航空活塞式发动机)和“航空煤油”(用于涡轮喷气发动机)。飞行于空中的航空发动机耗油量之大非常惊人，如波音747客机每小时耗油11吨。如果波音747从哈尔滨飞到广州，耗油约50吨。除了对有限的石油资源的大量消耗之外，喷气发动机残余物对大气的污染、噪声对生活环境的干扰也是严重的问题。

　　人们正在寻求航空新的绿色能源，例如太阳能用于飞机为航空能源提供了一条崭新的途径。太阳能飞机可不耗一滴油完成长时间的飞行，并且低成本，可以无偿地获得能源。

1 太阳能电池

　　早在一百多年前，人们就开始研究光能产生电的效应。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。1958年美国研制成第一块n/p型单晶硅太阳能光伏电池，并用于卫星的供电。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理(图1)。太阳能电池的制作需一个复杂的过程(图2)，由于晶体硅太阳能电池转换效率高、工作稳定性、寿命长、技术发展成熟等优异特性，目前光伏市场上应用量最多。无人机对于太阳能电池在重量、厚度、柔性和效率方面提出了更高的要求。

2 太阳能无人机的产生

　　早在20世纪中叶人们就寻求设计一种以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池。

　　世界上首架太阳能无人机由美国AstroFlight公司R.J. Boucher设计，无人机名叫“Sunrise I”。该机总重量为27.5Ibs，翼展32ft，共使用了4096块太阳能电池板，功率为450W。1974年11月4日，在美国加利福尼亚州试飞，无人机在100m左右的高度飞行了大约20分钟。随后他又设计研制一个改进的太阳能无人机“Sunrise II”。该无人机总重量为22.5Ibs，翼展32ft，翼面积为90ft2，在1975年9月12日首飞，使用了新的太阳能电池板，比第一架无人机上的电池板效率提高了14%，总功率已达600W。

3 太阳能无人机的关键技术

3.1 总体布局

　　太阳能无人机通常设计有大展弦比机翼，这样可以获得较大的升阻比(升力与阻力之比), 一方面在机翼上表面能够铺设更多的太阳能电池板，另一方面在承载无人机必要的重量情况下以减小阻力而减少动力能源(太阳能转换的电能)的消耗。

3.2 结构

　　为了减少能耗，太阳能无人机结构比一般无人机设计得更轻，同时要保证足够的强度。目前，结构(骨架、蒙皮)多半采用轻质非金属材料，其中主要承力结构通常采用碳纤维复合材料。碳纤维树脂复合材料不但重量轻，而且具有高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好等特点。

　　由于太阳能无人机的机翼长和结构轻，细长机翼结构的刚度小。无人机飞行中的空气动力和无人机机体弹性结构之间会产生相互作用，这就叫作“气动弹性”。在较大飞行速度下，无人机机翼上的气动力(包括气动力矩)和结构变形会越来越大，当飞行速度大到一定值时就有可能发生“静气动弹性发散”或“颤振”，而导致机翼或机身断裂。美国早期的“太阳神”无人机就曾经因机翼发生静气动弹性变形发散，而在空中解体。

　　因此，太阳能无人机的结构要精心设计，如可通过碳纤维铺层分布和铺层方向的优化设计，来克服气动弹性(空气动力和弹性结构之间的相互作用)的不良影响和阵风响应问题，避免无人机结构“气动弹性发散”和“颤振”的发生，防止可能导致结构变形发散而断裂。

3.3 适于无人机的太阳能电池

　　太阳能电池是太阳能无人机的动力来源。适于无人机的太阳能电池与日常用于光伏发电站和家用的太阳能电池不一样。无人机用的太阳能电池不但要求重量轻和厚度薄，而且需要有一定的柔性，以便于铺设在机翼或其他机体的外表面。