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据央视新闻报道，近日，中国航天科技集团公司第十一研究院自主研发的新型彩虹太阳能无人机在西北某地完成临近空间飞行试验，试验取得圆满成功。

这是我国首次成功研制的大型长航时临近空间太阳能无人机，尺度和重量仅居美国之后，填补了我国在这一领域的技术空白，核心关键技术和设备全部实现国产化，是支撑我国临近空间开发利用的重要基础手段，标志着我国已成为继美、英之后第三个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家，是中国制造的又一经典之作。

所谓临近空间，指高于普通航空器飞行高度，而低于轨道飞行器运行空间的区域，一般指距地面20-100km的空域。在临近空间，太阳辐射接近外太空，受气象条件影响小，在此空域飞行，太阳能飞行器能最大限度利用太阳能，具备超长航时的特点，实现长达数月至数年的持续飞行。

临近空间超长航时飞行器有空气动力升力型和浮力型两大类，目前的发展如下图：

白天，飞行器依靠太阳电池的光电转换效应，为动力系统、航空电子设备及任务载荷提供能量，同时将多余的能量储存在蓄电池中。夜晚，它再通过蓄电池的电能持续飞行。如果不考虑部件寿命，这种飞行器理论上可以实现“永久飞行”，具备“准卫星”特征，也被称为“大气层卫星”，可代替低轨道卫星的部分功能。

与卫星的周期性访问相比，太阳能无人机可实现区域持久驻留，其执行监视任务的时间/空间分辨率更高，区域通信能力更强，且起降场地简单，发射及运行成本更低。

由于部署灵活、经济性好等优势，长航时临近空间太阳能无人机成为执行情报、侦察、监视和通信中继等任务的理想空中平台。可广泛应用于军民融合领域，包括重大自然灾害预警、常态化海域监管、应急抢险救灾、反恐维稳等公益事业领域，以及偏远地区互联网无线接入、移动通信、数字电视信号广播等商业及产业类领域。

国内太阳能无人机研制起步较晚，上世纪80年代部分航空院校开始跟踪国外太阳能飞行器设计技术发展。近十余年，国内院校和研究机构开始比较深入地研究太阳能飞行器相关技术。

中国新一代彩虹系列太阳能无人机翼展长度达到40余米，样机已完成多次飞行试验，实现了小风速、剧烈垂直气流变化、大强度水平风多种风场条件下的低空自主稳定飞行。此次又成功测试临近空间高度飞行。

中国新一代彩虹系列太阳能无人机

在高空长航时太阳能无人机的设计上，有重量不变和能量平衡两个基本原则。

由于飞行过程重量不变，而巡航平飞过程中受飞行速度决定的升力、阻力分别等于重力、拉力，因此在特定巡航高度下，巡航速度是唯一的，随着飞机巡航高度的增加，巡航速度需要同时增大，才能保证太阳能飞机始终在较高的气动效率下飞行。

而要实现长时间持续飞行，白天获得的太阳能要始终大于或等于飞机和所有设备一昼夜间消耗的能量。从太阳光的输入到推动飞机飞行，考虑到各个环节的能量损失，实际能量利用率仅能达到10%左右。

考虑能量平衡，就要注意到，一方面，飞机白天爬升的高度越高，飞机存储的势能越多，下滑时间也就越长，晚上飞行对蓄电池存储的能量需求就会降低。但另一方面，爬升高度越高，爬升时间就越长，爬升过程中消耗的能量会增加，对太阳能电池的要求也相应增加。这就需要根据无人机所执行的任务精心设计优化，并考虑蓄电池的充放电特性。

因此在设计上，太阳能无人机要提高设计点的性能，同时要使整个系统的效率达到较高。

根据太阳能飞机的基本飞行原理，为了降低对功率的需求，应减小平飞速度，减小翼载。目前太阳能无人机高空飞行速度一般在150千米／小时至200千米／小时。假设一天内平均太阳辐射功率为260w每平米，以目前硅太阳能电池的转换效率为20%左右计算，飞机实现昼夜持续飞行的翼载不能超过6kg每平米。目前翼展60米量级的太阳能无人机提供的有效载荷能力大致在50千克量级。

可见，太阳能无人机设计的目标主要不是飞得快、载得多，而是飞得高、飞得久和可靠性。技术和工程设计上有别于常规的固定翼无人机，总体设计技术在国内外尚未形成成熟的设计体系。据空气动力技术研究院无人机总工程师石文介绍，临近空间飞行环境对电机装置的性能要求兼备高效率、高功率密度、高可靠性、高稳定性，现有航空平台飞控系统的传感器、作动器无法满足超长航时飞行等要求，因此需要大量设计试验和实飞验证。

太阳能无人机的几种布局形式

太阳能无人机的气动布局和翼型，也无法套用成熟的常规飞机模板，关键在于解决气动布局优化设计问题，以提高飞机的升阻比。临近空间长航时太阳能无人机一般都用来执行侦察通信等任务，为了满足任务系统和动力系统的功率需求，翼面往往需要铺设大面积的太阳能电池，因此需要有大面积的机翼。设计上采用很大的展弦比，能尽可能减小飞机的诱导阻力，从而提高升阻比，提高气动效率。相比各种类型的飞机，大型临近空间长航时太阳能无人机的升阻比极大，已经超过30。

不同类型飞机的升阻比和速度范围

最后，介绍一下国外太阳能飞机的发展现状。

国外开展太阳能无人机研究的主要为美国和欧盟国家，比较著名的有Helios、Solong、Zephyr、HELIPLAT、Sky-Sailor，以及正在全球飞行的瑞士太阳能飞机——阳光动力2。

美国NASA太阳能无人机：截至2003年项目结束前共研制出Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios，都采用了飞翼布局。其中，Helios的翼展长度达到75.3米。

美国国防部预研局“秃鹰”计划：目的是寻求提供一种可保持在18.3km～27.4km高度、携带450kg有效载荷、机上功率5kW、续航时间超过5年、可在99%的时间内保持在任务空域中的固定翼飞行器。波音／奎奈蒂克公司团队提出的“太阳鹰”方案中标。

“太阳鹰”初步方案设想

英国奎奈蒂克公司的Zephyr太阳能无人机计划始于2001年。2010年7月，Zephyr在亚利桑那州的尤马实验场起飞，携带2.7kg有效载荷，飞行14天零24分钟，起飞重量50kg，翼展22.5m。

2009年Zephyr飞行照片

瑞士“阳光动力2号”太阳能飞机在2015年至2016年环球飞行期间，最多曾达到118小时不间断飞行。由于其不是无人机，需要搭载人员和相关设备，总载重约为100公斤，设计巡航高度范围在1.5千米至8.5千米，飞行受气象条件影响较大。

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