中国需要更大太阳能无人机
本报记者 刘 扬 刘煊尊
中国大型太阳能无人机“启明星-50”9月初顺利完成首飞引发高度关注，众多媒体纷纷叩问中国大型太阳能无人机目前处于什么样的水平。据《环球时报》记者了解，目前，中国研制的中大型太阳能无人机已有多款完成首飞。中国专家认为，从2017年首飞的45米量级“彩虹”T4太阳能无人机，到今年9月首飞的50米量级“启明星-50”，中国有望出现翼展达到60米量级的国产太阳能无人机。
60米级翼展太阳能无人机呼之欲出？
《环球时报》记者根据公开资料梳理了一下国产中大型太阳能无人机的发展脉络。目前中国在研型号至少包括“彩虹”T4太阳能无人机、“启明星-50”太阳能无人机、“墨子Ⅱ型”太阳能飞机等。其中，作为中国首款完成首飞的大型太阳能无人机——“彩虹”T4太阳能无人机2017年完成首次试飞，持续飞行15小时左右后平稳降落，成功完成2万米以上高空飞行试验。这也让我国继英美之后，跻身太阳能无人机领域的世界前三。根据公开资料，“彩虹”T4无人机翼展达到45米量级。
熟悉无人机的专家对《环球时报》记者表示，这个翼展级别为国产太阳能无人机发展奠定了非常高的起点。45米的翼展大约相当于25辆小轿车并列排放的宽度，飞行高度达到2万米相当于将48个天津电视塔叠放的总高。该型太阳能无人机安装有8个发动机，机翼上方基本上全部覆盖太阳能电池板，其核心关键技术和设备全部实现国产化。
据央视报道，今年9月初首飞的“启明星-50”太阳能无人机翼展达到50米量级、飞行高度可达2万米。该机是中国航空工业研制的首款超大展弦比高空低速无人机，也首次采用双机身布局的大型无人机、第一款以太阳能为唯一动力能源的全电大型无人机。业内认为，“启明星-50”大型太阳能无人机首飞成功，不仅提振了各方对太阳能无人机领域发展的信心，也将进一步推动我国在新能源、复合材料、飞行控制等领域关键技术的发展。一名熟悉无人机的中国专家对《环球时报》记者表示，通过对比公开资料，“彩虹”T4无人机与“启明星-50”无人机的尺寸差不多，发动机数量也总体相当，应该说能力基本相当。
那么国产太阳能无人机矩阵中，还有翼展更大的机型吗？
《环球时报》记者发现，在之前的多次珠海航展上，“彩虹”公司都展出了一个缩比的太阳能无人机模型。根据2021年珠海航展上“彩虹”公司发布的宣传材料，该太阳能无人机翼展达到60米量级，升限超过2万米，最大续航时间超过30天，任务载荷重量达30公斤。
中国航空专家傅前哨接受《环球时报》记者采访时预测，按照太阳能无人机发展的规律以及相关型号发展周期，拥有更大翼展、更大载荷的我国新型太阳能无人机有望在今年珠海航展亮相。
大翼展——太阳能无人机的关键
国际上太阳能无人机发展也经历了翼展尺寸逐渐增大的过程。自1974年Sunrise-Ⅰ太阳能无人机问世以来，各国在太阳能无人机领域取得多项突破。美国国家航空航天局致力于飞翼太阳能无人机研制，经历了Pathfinder、Centurion、Helios等多个型号，翼展从Pathfinder的30米量级增大到Helios的75.3米。Helios在2003年试飞中达到了2.95万米的最大飞行高度，不过当时受限于电池性能，只飞行了不到一天时间。波音子公司的“奥德修斯”（Odysseus）平流层太阳能无人机项目的翼展达到243英尺（74米)。
为什么太阳能无人机的翼展要越做越大？专家对《环球时报》记者解释说，美国曾提出“秃鹰”无人机计划：携带几百公斤的载荷、在空飞行数年、飞行高度达到1.7万-2.7万米。如果同时具备以上几个参数，这种无人机就具有很高的实用价值，但要实现这样的性能需要极高的升阻比、极轻的结构重量、效率极高的能源系统等。
傅前哨表示，太阳能无人机不断发展，翼展越做越大，目的是使其可以在长达一个月甚至数个月的长航时任务中，携带并使用重量更大、耗电量更大的载荷。太阳能无人机想具备长航时，尤其是不间断跨昼夜飞行能力，就需要把太阳能无人机的翼面做大，安装更多的光伏电池，携带多个电机，让无人机有足够的功率在高空进行巡航。如果昼间储存的电量不能满足越夜使用，那么无人机的留空时间就非常受限。
傅前哨解释说，如果无人机携带的载荷小，可能难以执行相关任务，所以这也要求太阳能无人机通过增大翼展尽量增大发电能力。另外，大展弦比机翼飞机的升阻比一般比较高，升阻比高的飞机通常留空时间也会比较长、巡航距离也就比较远。综合这几个角度考虑，太阳能无人机的翼展会做得越来越大。不过，在无人机放飞以及爬升时，越细长的机翼受外界气流干扰的影响就越大，如果结构强度问题没有解决，无人机可能还没有达到任务高度，机翼就折断了。所以想要增加翼展，还需要解决结构强度问题。
傅前哨认为，除去翼展的增加，新款太阳能无人机使用的光伏电池的性能也会有显著提升，这也将提升无人机的发电能力。在太阳能光伏发电这个技术领域，我国不但是全球第一，而且技术进步比较快。整体而言，我国大型太阳能无人机的技术发展水平已经与国际先进水平相当。
无人机研究专家、南京航空航天大学无人机研究院副总工程师黄大庆教授表示，我国在太阳能无人机领域，无论大型、小型，技术水平都处在国际领先的第一梯队，“接下来要看谁的产业化做得更好，谁先投入商业应用”。
有国内太阳能无人机项目的负责人认为，中国的太阳能飞机硬件没有问题，关键在于气象保障、航路计划等“软件”尚显不足。
“伪卫星”前景值得期待
一位匿名专家对《环球时报》记者表示，欧美的太阳能无人机一般设计飞行3个月左右，美国“秃鹰”计划设计要飞5年。如果具备这样的留空时间，太阳能无人机携带相应载荷，就可以执行侦察监视、通信中继、森林防火、海洋监视等多重任务，无论是在军用领域还是民用领域，都能发挥非常重要的作用，因为它的留空时间是其他所有航空器都做不到的。与卫星等航天器相比，太阳能无人机信号传输损失小、精度高，可实现理论上的目标区域永久驻留，不存在重返周期问题，生产和运营成本低；与传统飞机相比，它的覆盖区域广，留空时间长；与浮空器相比，它的操控性好，机动性强。因此，未来超长航时太阳能无人机将成为空中力量的重要补充，进一步促进空天一体化发展。
上述专家表示，如果一架太阳能无人机可以连续飞行100天，每天飞行3000公里，就可以飞行30万公里。当然受限于发电效率，太阳能无人机目前还无法在全球使用，它们通常只在南北纬度45度之间使用。要想研制出一架可以实现越夜飞行，特别是拥有在1.7万-2.7万米的大风层以上越夜能力的无人机，要求非常高。因为只有长时间保持在大风层之上才能保证完成任务的能力，否则遇到雨雪、大风等天气，无人机没法执行任务，可用性将大大受限。而要实现在这样的高度长时间巡航则要解决总体、气动、结构、动力能源等技术难题。
将来这些问题全部解决之后，是否就可以实现“伪卫星”的定位呢？上述专家认为，这种前景是非常值得期待的，未来长航时大型太阳能无人机主要有两种应用模式：一种模式是定点小半径盘旋，“挂”在天上盯着某个地区；另一种模式是一天跑两三千公里，进行巡逻，并在巡逻过程中根据需要再次进行定点观测。如果多架太阳能无人机组合，就可以形成一个非常有效的信息获取系统。而且太阳能无人机站得高看得远，如果在2万米的高空巡航，视距就可以达到500公里，相当于可以覆盖几十万平方公里的面积。多机组合可以携带不同的载荷，包括无线电信号、光学信号、多光谱传感器等，以应付不同的环境与气候条件、满足不同任务需求。这样的综合费效比就会很高。
如果太阳能无人机与卫星组合使用的效果会更好，卫星可以实现多颗、广域、大视野，太阳能无人机则可以实现详查，长时间盯着一个区域。在民用领域可以进行通信，以较好的费效比满足通信覆盖困难的高山地区、特殊地区的通信需求。比如，在人烟稀少的地区，如果要布设基站费效比很差，可以在当地高空“挂”一架太阳能无人机，并动态分配传输速率。
该专家认为，在区域范围内进行通信保障等任务时，高空长航时太阳能无人机可能在性能、费效比方面都要优于美国的“星链”卫星。▲