太陽能無人機(jī)

摘要：本文整理太陽能電池對(duì)無人機(jī)發(fā)展的影響，匯總了當(dāng)今世界多種小型太陽能無人機(jī)翼展、續(xù)航時(shí)間、起飛重量，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外太陽能無人機(jī)的發(fā)展。

引言

　　航空航天技術(shù)是20世紀(jì)初以來世界上發(fā)展最引人注目的技術(shù)之一?，F(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的能源仍然是傳統(tǒng)的石油產(chǎn)品“航空汽油”(用于航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī))和“航空煤油”(用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))。飛行于空中的航空發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量之大非常驚人，如波音747客機(jī)每小時(shí)耗油11噸。如果波音747從哈爾濱飛到廣州，耗油約50噸。除了對(duì)有限的石油資源的大量消耗之外，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)殘余物對(duì)大氣的污染、噪聲對(duì)生活環(huán)境的干擾也是嚴(yán)重的問題。

　　人們正在尋求航空新的綠色能源，例如太陽能用于飛機(jī)為航空能源提供了一條嶄新的途徑。太陽能飛機(jī)可不耗一滴油完成長(zhǎng)時(shí)間的飛行，并且低成本，可以無償?shù)孬@得能源。

1 太陽能電池

　　早在一百多年前，人們就開始研究光能產(chǎn)生電的效應(yīng)。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。1958年美國(guó)研制成第一塊n/p型單晶硅太陽能光伏電池，并用于衛(wèi)星的供電。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，光生空穴由n區(qū)流向p區(qū)，光生電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理(圖1)。太陽能電池的制作需一個(gè)復(fù)雜的過程(圖2)，由于晶體硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定性、壽命長(zhǎng)、技術(shù)發(fā)展成熟等優(yōu)異特性，目前光伏市場(chǎng)上應(yīng)用量最多。無人機(jī)對(duì)于太陽能電池在重量、厚度、柔性和效率方面提出了更高的要求。

2 太陽能無人機(jī)的產(chǎn)生

　　早在20世紀(jì)中葉人們就尋求設(shè)計(jì)一種以太陽輻射作為推進(jìn)能源的飛機(jī)。太陽能飛機(jī)的動(dòng)力裝置由太陽能電池組、直流電動(dòng)機(jī)、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機(jī)上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽電池。

　　世界上首架太陽能無人機(jī)由美國(guó)AstroFlight公司R.J. Boucher設(shè)計(jì)，無人機(jī)名叫“Sunrise I”。該機(jī)總重量為27.5Ibs，翼展32ft，共使用了4096塊太陽能電池板，功率為450W。1974年11月4日，在美國(guó)加利福尼亞州試飛，無人機(jī)在100m左右的高度飛行了大約20分鐘。隨后他又設(shè)計(jì)研制一個(gè)改進(jìn)的太陽能無人機(jī)“Sunrise II”。該無人機(jī)總重量為22.5Ibs，翼展32ft，翼面積為90ft2，在1975年9月12日首飛，使用了新的太陽能電池板，比第一架無人機(jī)上的電池板效率提高了14%，總功率已達(dá)600W。

3 太陽能無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體布局

　　太陽能無人機(jī)通常設(shè)計(jì)有大展弦比機(jī)翼，這樣可以獲得較大的升阻比(升力與阻力之比), 一方面在機(jī)翼上表面能夠鋪設(shè)更多的太陽能電池板，另一方面在承載無人機(jī)必要的重量情況下以減小阻力而減少動(dòng)力能源(太陽能轉(zhuǎn)換的電能)的消耗。

3.2 結(jié)構(gòu)

　　為了減少能耗，太陽能無人機(jī)結(jié)構(gòu)比一般無人機(jī)設(shè)計(jì)得更輕，同時(shí)要保證足夠的強(qiáng)度。目前，結(jié)構(gòu)(骨架、蒙皮)多半采用輕質(zhì)非金屬材料，其中主要承力結(jié)構(gòu)通常采用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維樹脂復(fù)合材料不但重量輕，而且具有高的比強(qiáng)度、比模量，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好等特點(diǎn)。

　　由于太陽能無人機(jī)的機(jī)翼長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)輕，細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的剛度小。無人機(jī)飛行中的空氣動(dòng)力和無人機(jī)機(jī)體彈性結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，這就叫作“氣動(dòng)彈性”。在較大飛行速度下，無人機(jī)機(jī)翼上的氣動(dòng)力(包括氣動(dòng)力矩)和結(jié)構(gòu)變形會(huì)越來越大，當(dāng)飛行速度大到一定值時(shí)就有可能發(fā)生“靜氣動(dòng)彈性發(fā)散”或“顫振”，而導(dǎo)致機(jī)翼或機(jī)身斷裂。美國(guó)早期的“太陽神”無人機(jī)就曾經(jīng)因機(jī)翼發(fā)生靜氣動(dòng)彈性變形發(fā)散，而在空中解體。

　　因此，太陽能無人機(jī)的結(jié)構(gòu)要精心設(shè)計(jì)，如可通過碳纖維鋪層分布和鋪層方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來克服氣動(dòng)彈性(空氣動(dòng)力和彈性結(jié)構(gòu)之間的相互作用)的不良影響和陣風(fēng)響應(yīng)問題，避免無人機(jī)結(jié)構(gòu)“氣動(dòng)彈性發(fā)散”和“顫振”的發(fā)生，防止可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形發(fā)散而斷裂。

3.3 適于無人機(jī)的太陽能電池

　　太陽能電池是太陽能無人機(jī)的動(dòng)力來源。適于無人機(jī)的太陽能電池與日常用于光伏發(fā)電站和家用的太陽能電池不一樣。無人機(jī)用的太陽能電池不但要求重量輕和厚度薄，而且需要有一定的柔性，以便于鋪設(shè)在機(jī)翼或其他機(jī)體的外表面。