近日，航空工業一飛院研制的“啟明星50”大型太陽能無人機首飛成功的新聞火遍朋友圈，引起廣大科技愛好者的極大關注。太陽能無人機作為目前唯一可能實現臨近空間持久飛行的飛行器，它的價值何在?有什么科技含量?發展現狀和應用前景如何?我們就此作個簡單分析和探討。

低空“偽衛星”

9月5日四川瀘定地震發生后，“翼龍”無人機緊急出動對災區進行通信中繼和災情探查。但受滯空時間和飛行高度限制，無人機每次飛行恢復災區通信的時間和范圍有限。

大家可能還記得，2021年7月20日河南鄭州突降暴雨，城市被淹，通信中斷，“翼龍-II”無人機緊急出動為災區臨時恢復通信5小時。

試想，如果此時在災區上空20千米高度有臨近空間太陽能無人機持續飛行，就可以在大范圍不間斷恢復通信的同時，提供災區的實時影像，為救災提供重要保障。

所以，臨近空間太陽能無人機在完成大容量通信中繼任務時相當于一顆低空的“偽衛星”。臨近空間一般指距海平面20~100千米的空間環境，是大氣層與外層空間之間的過渡層，絕大多數航空器都在臨近空間以下飛行，而航天器則在臨近空間以上飛行。也就是說，這一區域一般航空器上不去、航天器下不來。

與軌道相對固定的衛星相比，臨近空間太陽能無人機覆蓋范圍靈活、信號損失小、精度高，可在特定區域長久駐留，執行針對性任務。臨近空間太陽能無人機因其環保、高空長航時的優勢，在重大自然災害預警、常態化海域監管、偏遠地區互聯網接入、通信覆蓋、地理環境勘探、動植物保護、智慧農業等多種任務場景具有廣闊應用前景和發展潛力。

正因如此，世界各航空強國都在積極發展相關技術，但面臨的挑戰巨大。

四大技術挑戰

我們先來看看臨近空間環境：大氣密度極低，20千米高度的大氣密度大約是海平面的7%，30千米高度的大氣密度只有海平面的1.5%;晝夜溫差大，夜間溫度可降至-70℃以下，白天太陽直射時溫度又高達80℃以上;臨近空間區域各種宇宙射線較強，給飛行器的長久駐留帶來巨大挑戰。

在這樣惡劣的環境下，要想實現持續飛行，臨近空間太陽能無人機必須解決無人機平臺設計、太陽能光伏轉化、儲能電池蓄能、電機—螺旋槳推動、系統可靠性保障等一系列技術難點。

首先是臨近空間無人機的高效氣動設計技術。眾所周知，太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，但大家容易忽略的是，太陽能也是一種不同于傳統化石能源的低密度能源。任何一款飛行器要想利用太陽能在臨近空間實現持久飛行，必須用極高的氣動效率來降低能源消耗，也就是說必須具有很高的“升阻比”，這需要從總體布局、翼型選擇、舵面配置、生產加工等多方面進行一絲不茍的優化。

其次，為了飛得高必須減輕自身重量，“為減輕1克重量而奮斗”這一設計理念在臨近空間太陽能無人機上更加凸顯。因此，臨近空間無人機大量采用碳纖維先進復合材料結構，以期用最小的重量完成無人機的制造。而大尺度輕質復合材料結構的設計、強度分析、制造工藝等環節均要突破相應的技術難關。

再次，如何將太陽光高效轉化為電能，白天在為無人機提供能源的同時為儲能電池充電，從而實現晝夜飛行。高效太陽能光伏電池、高能量密度低衰減儲能電池、高功率密度電機和高效螺旋槳是組成高效能源動力系統的基礎。在柔性高效太陽能光伏電池制造、高能量密度低衰減儲能電池制造、高效電機與螺旋槳匹配、能源綜合優化與管理等方面同樣存在巨大技術難點。

最后，長久持續的臨近空間飛行，對包括飛機結構、飛控航電、傳感器、能源動力系統等在內的所有分系統的可靠性提出了極高要求，任何一個環節出現問題都可能導致無人機不能長航時飛行甚至墜機。今年8月18日在美國亞利桑那州尤馬試驗場上空，一架由歐洲空客公司制造的美國陸軍所屬Zephyr-8太陽能無人機在飛行64天后意外墜毀，就凸顯了系統可靠性的重要性和復雜性。

“臨空飛舞”必將到來

盡管國內外臨近空間太陽能無人機的研發一波三折，在上述技術難點面前屢屢受挫，但世界各國的科學家們仍不遺余力地進行研發。

除了航空工業的“啟明星50”高空長航時太陽能無人機外，航天科技集團公司第十一研究院的“彩虹”系列太陽能無人機也在高空長航時飛行上取得了一系列突破。

中科院工程熱物理研究所采用球載起飛高空投放的技術途徑，積極開展臨近空間太陽能無人機的研究工作，先后完成了15米和35米翼展的太陽能無人機低空飛行試驗，正在向更大高度和尺度探索。

國際上，美國宇航局持續發展高空長航時太陽能無人機，其代表型號Helios在飛行中創造了29.5千米的太陽能無人機最高飛行紀錄。

英國的Zephyr系列高空長航時太陽能無人機持續改進，2018年Zephyr-S曾創造了26天不間斷飛行的最長續航紀錄，這一紀錄在2022年8月被Zephyr-8以64天的滯空時間打破，充分說明Zephyr系列太陽能無人機擁有充當“高空平臺站”的潛力，它們可以在高海拔地區長時間停留，從而為下方的偏遠地區提供寬帶通信服務。

這一系列的技術進步使我們有理由相信，隨著太陽能光伏轉換效率和儲能電池能量密度的提高，加之無人機氣動效率、螺旋槳效率、結構效率、電機功率密度的進一步優化，系統可靠性的不斷提高，太陽能無人機“臨空飛舞”造福人類的日子一定會來到。

(作者系中科院工程熱物理研究所研究員)