太陽能無人機

摘要：本文整理太陽能電池對無人機發展的影響，匯總了當今世界多種小型太陽能無人機翼展、續航時間、起飛重量，總結了國內外太陽能無人機的發展。

引言

　　航空航天技術是20世紀初以來世界上發展最引人注目的技術之一。現代飛機發動機使用的能源仍然是傳統的石油產品“航空汽油”(用于航空活塞式發動機)和“航空煤油”(用于渦輪噴氣發動機)。飛行于空中的航空發動機耗油量之大非常驚人，如波音747客機每小時耗油11噸。如果波音747從哈爾濱飛到廣州，耗油約50噸。除了對有限的石油資源的大量消耗之外，噴氣發動機殘余物對大氣的污染、噪聲對生活環境的干擾也是嚴重的問題。

　　人們正在尋求航空新的綠色能源，例如太陽能用于飛機為航空能源提供了一條嶄新的途徑。太陽能飛機可不耗一滴油完成長時間的飛行，并且低成本，可以無償地獲得能源。

1 太陽能電池

　　早在一百多年前，人們就開始研究光能產生電的效應。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。1958年美國研制成第一塊n/p型單晶硅太陽能光伏電池，并用于衛星的供電。太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，光生空穴由n區流向p區，光生電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理(圖1)。太陽能電池的制作需一個復雜的過程(圖2)，由于晶體硅太陽能電池轉換效率高、工作穩定性、壽命長、技術發展成熟等優異特性，目前光伏市場上應用量最多。無人機對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 太陽能無人機的產生

　　早在20世紀中葉人們就尋求設計一種以太陽輻射作為推進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、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，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽電池。

　　世界上首架太陽能無人機由美國AstroFlight公司R.J. Boucher設計，無人機名叫“Sunrise I”。該機總重量為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，在美國加利福尼亞州試飛，無人機在100m左右的高度飛行了大約20分鐘。隨后他又設計研制一個改進的太陽能無人機“Sunrise II”。該無人機總重量為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，比第一架無人機上的電池板效率提高了14%，總功率已達600W。

3 太陽能無人機的關鍵技術

3.1 總體布局

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

3.2 結構

　　為了減少能耗，太陽能無人機結構比一般無人機設計得更輕，同時要保證足夠的強度。目前，結構(骨架、蒙皮)多半采用輕質非金屬材料，其中主要承力結構通常采用碳纖維復合材料。碳纖維樹脂復合材料不但重量輕，而且具有高的比強度、比模量，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好等特點。

　　由于太陽能無人機的機翼長和結構輕，細長機翼結構的剛度小。無人機飛行中的空氣動力和無人機機體彈性結構之間會產生相互作用，這就叫作“氣動彈性”。在較大飛行速度下，無人機機翼上的氣動力(包括氣動力矩)和結構變形會越來越大，當飛行速度大到一定值時就有可能發生“靜氣動彈性發散”或“顫振”，而導致機翼或機身斷裂。美國早期的“太陽神”無人機就曾經因機翼發生靜氣動彈性變形發散，而在空中解體。

　　因此，太陽能無人機的結構要精心設計，如可通過碳纖維鋪層分布和鋪層方向的優化設計，來克服氣動彈性(空氣動力和彈性結構之間的相互作用)的不良影響和陣風響應問題，避免無人機結構“氣動彈性發散”和“顫振”的發生，防止可能導致結構變形發散而斷裂。

3.3 適于無人機的太陽能電池

　　太陽能電池是太陽能無人機的動力來源。適于無人機的太陽能電池與日常用于光伏發電站和家用的太陽能電池不一樣。無人機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，以便于鋪設在機翼或其他機體的外表面。