平流层太阳能无人机——高空中的“伪卫星”

作者：王顺康 王明强 韩尔勒

提到对地遥感和通信系统，人们的第一反应往往是卫星。但近年来，这一领域正在出现一些新面孔，能在平流层长时间飞行的太阳能无人机就是其中之一。太阳能无人机主要在平流层飞行工作，依靠太阳能转化为电力来维持航行，并且该无人机可长时间留空飞行，执行高空侦察、森林火情监测、地理测绘、通信中继等任务，因此又被称为“伪卫星”。目前世界各国都在加快在太阳能无人机领域的竞争步伐，相关技术发明也受到多国关注，平流层太阳能无人机的应用潜力也成为新一轮的科技竞争高地。

图 1 平流层无人机

平流层无人机的概念很早以前就已经提出，随着复合材料、太阳能电池、光电列阵等技术的不断成熟与应用，这一概念逐渐成为现实。作为当前最热门的武器，常规无人机经常被用来执行侦察监视、突袭爆破、定点打击等低空任务。受到动力来源和飞行高度等多种因素限制，各国都希望获得一种超长航时高空无人机，于是平流层太阳能无人机应运而生。平流层又称同温层，位于对流层之上，顶端距离地面大约30公里，具备温度稳定、风向水平的特点，是飞行器比较理想的飞行空间。且平流层的空气密度只有地面的20%，几乎没有任何云朵，使太阳能发电变得更为简单。正因为这些便利条件，平流层太阳能无人机大多具备超长的机翼来承载太阳能板或者覆盖太阳能薄膜，将太阳能转化为电能来保障动力来源。此外，平流层太阳能无人机搭载太阳能电池和可充电电池，转化来的电能一部分直接用于驱动无人机，一部分来维持夜晚航行，以此实现超长时航行。

图 2 Sunglide平流层无人机的概念图

平流层太阳能无人机最大的期望就是实现卫星的平替。通过高效的光电转化技术、成熟的电池储能技术以及日益丰富的复合材料，平流层太阳能无人机基本可以实现超长时续航飞行，而长时间留空是平替卫星的基本条件之一。平流层太阳能无人机作为空中平台，可以提供持久的数据中继和4G/5G通信，代替一部分卫星的通信功能。军事方面，太阳能无人机飞行高度很高，可以避免地面攻击，又同时具备卫星与飞机的对地测绘能力，可以说平流层太阳能无人机具备卫星大部分功能。与此同时，相较于卫星复杂的科技含量和较高的发射成本、养护费用，平流层太阳能无人机更为的“物美价廉”。并且平流层太阳能无人机没有涉及到太多高科技含量，相关技术基本都已成熟并已投入使用。

当然，平流层太阳能无人机目前仍处于研发演化阶段，不可避免的存在许多问题。虽然平流层太阳能无人机实现了超长时间航行，但那仅仅只是对于常规无人机来说，要想实现理论上的无限航时，还需要进一步的研究开发。同时，也要看到目前仍有不少技术误区，太阳能无人机的载荷重量与结构重量的比值比较低。比如，空客的“和风-S”75公斤只能携带5公斤的载荷。如果载荷比很小，那无人机的用途、功能将大大的受到限制。加之大量轻型结构和材料的使用使得无人机非常脆弱，英国空客公司以太阳能为动力的QinetiQ Zephyr超轻型飞机，在飞行了60多天后因高空气流原因坠毁就是证明之一。

图 3 美军开发的首款高空无人机“探路者”

目前平流层太阳能无人机受到多国广泛关注，美国政府正在通过“广撒网”的方式大力资助和推进太阳能无人机项目的发展，目前孵化项目包括“探路者”、“太阳鹰”和“太阳神”等。欧洲各国也纷纷开始推进自己的太阳能无人机研发，2019年，英国BAE系统公司收购了棱镜公司，开发了“PHASA”系列太阳能无人机，目前该项目依然在研发改进中，目标性能是搭配锂离子电池和超轻型砷化镓太阳能电池，令其在2万米高度停留长达12个月。印度方面，2021年，印度民营公司NewSpace与国有公司合作，启动了一项名为“无限”（Infinity）的太阳能无人机项目。2018年，日本航空环境公司与日本电信公司SoftBank Corp成立了合资公司HAPS Mobile，专门开发商业用途的太阳能高空长航时无人机。 可在平流层以超长时间续航，能相对于地球表面悬停，能用较低的成本获得卫星和一些机载设备才能提供的高价值服务，这些优点使得此类高空无人机受到各方青睐。

平流层无人机在理论上具有很大的特色和优点，但是实际上大部分无人机还是处于测试阶段，并没有得到真正的广泛应用，根本原因在于技术掣肘。其中气动、结构是影响飞行器平台性能指标的重要因素，但未来发展空间有限；而太阳能电池、储能电池效率和能量密度的提升，将是影响未来太阳能飞行器性能的关键。同时，基于对平流层无人机需求的多样化，气动-结构-隐身-续航一体化将可能成为无人机重要的发展方向。

目前国外多家企业都在攻关长续航太阳能无人机的技术，说明无论是无人机平台、无人机重量还是储能电池等的相关配套技术都取得了一定的突破。如果无人机上部署的太阳能可以达到无限航时，它的应用场景将非常广泛，无论是对地观测，还是作为通信中继平台，都将获得较大的收益

随着美国德国等西方国家不断深入研发，平流层无人机将更加稳定，续航时间也在不断被刷新。在可预见的未来，平流层无人机向好的发展趋势有望继续保持，广泛的应用也很可能成为现实，其发展将不断为高空侦察拓展新视野。