太阳能无人机：飞越天际的绿色使者

一、太阳能无人机概述

近年来，随着飞控、导航、气动等技术的快速发展，无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）被广泛用于前沿的工业、商业等领域，无人机的种类也越来越多、越来越精分细化，并且发展速度异常强劲。太阳能无人机作为一种能源绿色环保的无人飞行器，凭借自身独特的性能优势，得到了国内外众多工程师的青睐与研究。太阳能无人机的特点是通过太阳能提供能源，来增加自身的续航时间，使其可在广阔的区域内进行长时间作业，功能相当于空中卫星。近年来，太阳能无人机在众多领域都发挥着重要的功能，例如，有些国家把太阳能无人机用在天气预测、高空巡视监管、自然环境监测、应急抢险救灾、移动通信、网络服务以及地形测绘等。现阶段，越来越多的国家都积极投身于发掘与探索太阳能无人机，以期在未来无人飞行器研究领域占得一席优势地位。

目前，关于太阳能飞机的相关研究虽取得了一定的阶段性成果，但对飞机的气动特性、结构重量、强度等方面的要求愈加苛刻，这无疑给太阳能无人机的设计带来了更大的挑战，从而迫使其在材料选择和结构设计上做出进一步的改变。

复合材料的明显优点是质量轻、有较高的比强度和比刚度，现已成为航空领域中必不可少的材料，也是无人机结构减重的最佳选择。复合材料与其它结构材料最大的不同是它可以进行更多复杂的设计，具体表示为通过不同的铺叠方式来实现。

世界上第一架以太阳能为动力的无人机“Sunrise I”诞生于美国，开启了人类历史上对太阳能无人机研究的序幕。随着时间的推移，越来越多国家的研究者发现无人机可以通过太阳能来实现长时间飞行的重要性，此后英国、意大利、瑞士、中国等国家也相继开始对太阳能无人机展开相关研究。

2019 年，瑞士制造的 “阳光动力” 2 号太阳能无人机如图 1.1 所示，经过一系列优化改造再次完成了飞行测试，它比之前其它类型的太阳能无人机更大、更重，有着 72 米展长的机翼，整个翼面铺满了 2KW 的太阳能电池板，其飞行高度可达 14,000 米，飞机负载重量达 362 千克，可以持续飞行 30-90 天，飞行时间由实际的纬度，阳光的强度和太阳能电池板产生的能量决定。飞机主要用于科学研究及环保监测，包括大气探测及通信中继等，也可在自然灾害期间提供环境检测和地理空间测绘的支持。

2020 年 2 月，英国某公司开发了一款翼展长达 35 米的新型太阳能无人机，并在某试 验基地完成了首次飞行测验，如图 所示为 PHASA-35 无人机。它具备飞行高度高和续 航时间久的特点，依靠自身的电池寿命和光电转换技术可在高度为 21 千米的空中持续飞 行数月，整机总重可达 150 千克，并且可以额外装载 15 千克的通用设备，整体机身采用 了特殊的复合材料。在高空作业时具有较高的灵活性，可在特殊紧急情况下迅速取得联络，也能为偏远山区提供网络服务。此无人机可在平流层飞行，并且不受天气和空中交通管制影响，因此可以在一个特定区域内进行长时间观测。

2020 年 8 月，韩国某研究所研制了一种大展比轻质太阳能无人机，并在本土完成了空中飞行测试。如图 1.3 所示为 EAV-3 号太阳能无人机，其翼展为 20m，机身为 9m，机翼表面铺覆了大量的太阳能电池板。它的飞行高度为 22 千米，创造了韩国无人机在平流层飞行高度的历史记录，并且拥有超高轻的强度结构。

2021 年 9 月，空客公司的新型西风系列太阳能无人机通过不断升级改造，顺利的结 束了最新一轮的飞行工作，其翼展为 25m，整个翼面几乎全部铺覆太阳能电池板，“西风” S 号太阳能无人机在高空巡航时如图 1.4 所示，其搭载了先进的系统载荷且具有更优态势 感知的作战价值，此次它的飞行高度为 23，000 米，创造了无人机飞行高度新的世界纪录， 也预示着太阳能无人机相关研究取得了重大进展。

目前，国内对太阳能无人机的探索大部分集中在高校和科研院所，标志的有西工大的“魅影”号、南航的“灵翼”号、航天十一院的“彩虹”太阳能无人机等，大部分针对可持续飞行相关问题进行研究，并且近年来都取得了些许成果。

三、复合材料在太阳能无人机中的应用

先进复合材料以其特有的优良性能在航空航天领域的结构设计中被广泛使用，尤其是近年来，随着工业制造的迅速发展、研究方法的不断深入、技术成型工艺逐渐成熟以及高科技设备的挖掘使用，使复合材料的整体性能大大提高，并且其成本与金属材料相比也在逐渐降低。

起初，复合材料主要用于小型非主体结构，随着复合材料的特性和优势的发展，越来越多的复合材料被用于制造大型主承力部件，如今，复合材料被用于飞行器的整体结构上，反映了当今航空工业中复合材料先进的结构设计与制造水平。

在国外，新型 F-22 飞机整体结构使用的超轻复合材料超过了 24%；欧洲国家研发的“恶魔”无人机，其主要受力部件全部由复合材料制成，此外，波音 787 飞机的复合材料使用约占 52%。2015 年 1 月，由 ArcturusUAV 公司设计和制造的 T-20 固定翼无人机如图1.8 所示，机身整体使用复合材料夹芯结构形式，使整体结构重量显著降低。

复合材料是无人机结构中常用的材料，在减轻机体重量、增加有效载荷、提升飞行时长等方面占据着重要地位，比如著名的 “全球鹰”大展比无人机，整体使用的复合材料约为 65%，它代表了现阶段大展弦比无人机中复合材料的应用趋势。

由 Facebook 公司开发的 Aquila 无人机如图 1.9 所示，它是一种全碳纤维复合材料的太阳能无人机，已成功完成了两次飞行试验，其目标是用一种全新的设计打破未来无人机的续航时间，此设计最大限度地借助了先进复合材料的优势。

四、市场现状

国际太阳能无人机的发展至今经历了4个主要阶段，目前正在努力朝着第5个阶段——全面应用阶段发展，即机体、能源系统、动力系统、任务系统都能实现很长的使用寿命，太阳能无人机将拥有长达数月乃至数年的留空能力。

我国虽然发展时间短，但在国家的重视下，同样硕果累累，已在太阳能无人机市场上占有一席之地。2015年问世的墨子号，由上海一家公司与同济大学联合研制，该机翼展14m，太阳能电池板铺设面积约10m2，有效载荷7kg，于2016年顺利首飞。“彩虹”T4环保型太阳能无人机的诞生，意味着我国成为世界上除了美国之外，第二个能够研制超长航时太阳能无人机的国家。其采用太阳能作为动力源，最大特征是续航时间长和巡航高度高。

太阳能无人机兼具航空飞行器和航天飞行器的部分优点，具有高空飞行、持久留空、质量轻、节能环保、使用维护费用低，方便灵活的特点，飞行于临近空间，堪比“准卫星”，可以作为低轨道人造地球卫星的替代方案，提供比目前低地球轨道卫星更经济、更通用的各种服务。从国内外太阳能无人机的发展成果和应用规划看，其不仅在通信网络领域具有广阔的前景，在巡视监测、探测预警、情报收集及其他军民领域也将发挥重大作用。2020年我国太阳能无人机市场规模为22359万元，2022年我国太阳能无人机市场规模32331万元。

五、小结

随着技术进步，太阳能无人机（UAV）成为研究焦点，特别是其在长时间飞行和环保方面的潜力。本文概述了太阳能无人机的发展历程、设计挑战、以及在减轻结构重量、提升飞行时长等方面复合材料的关键作用。介绍了多个国家在太阳能无人机领域的研究进展，包括瑞士的“阳光动力2号”、英国的PHASA-35等，并强调了中国在这一领域取得的成就。太阳能无人机以其高空飞行、持久留空的特点，被视为低轨道卫星的替代方案，预示着在通信、监测、探测等多个领域的广阔应用前景。