什么是太阳能无人机？

提到太阳能无人机，我们首先来了解下太阳能飞机，太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。在飞机上铺设太阳能电池板，将光能转换为电能，驱动飞机飞行。主要采用了传统气动布局，这些布局已有成熟的分析方法，技术风险低。为了提高气动效率，大多采用大展弦比机翼，尤其是高空长航时太阳能无人机，展弦比都在30左右。多数太阳能飞机采用的为转化效率15%~20%的单晶硅太阳电池，部分采用了多晶硅太阳电池。储能器多为能量密度200Wh/kg左右的锂电池。为降低全机重量，能源系统多集成于机体结构中为提高系统可靠性，太阳能飞机多采用分布式推进系统，并以直驱方式为主，只在小型太阳能飞机上采用减速驱动方式以提高螺旋桨效率。

太阳能无人机其实是在太阳能飞机的基础上实现高空连续飞行的无人驾驶飞行器。白天，太阳能无人机倚靠机体表面铺设的太阳能电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子系统和有效载荷的运行，同时对机载二次电源进行充电；夜间，太阳能无人机释放二次电源中存储的电能，维持整个系统的正常运行。如果白天存储的能量能够满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。

其中具有代表性的包括：飞行高度纪录保持者，由美国“太阳神”系列无人机保持，飞行高度达到30km，是世界上飞行最高的螺旋桨驱动无人机。最为先进的是瑞士Impulse太阳能飞机，2013年在美国内华达空军基地已经完成了24小时载人昼夜测试飞行。
 
·国内尚处起步阶段，有待大步伐前进

我国在太阳能应用技术，移动电源储能等领域和先进航空复合材料研发上经过多年探索也已经具备了一定基础，为我国自主研发太阳能飞机的关键技术上提供了基本保障，但从领域发展来看，尚处起步阶段。2014年，上海市科委对太阳能无人机及其电源系统进行前瞻布局。2015年8月，由上海奥科赛飞机有限公司协同航空航天空间电源811研究所、同济大学航力学院联合研制的太阳能飞机“墨子号”成功实现两款小比例验证机型的无人试飞，全尺寸太阳能驱动的一号机预计2016年春季完成首飞。2015年3月，由中国航天空气动力技术研究院研制的太阳能无人验证机飞行试验，其翼展40余米，采用大展弦比轻质结构，系继美国NASA系列后世界上最大的太阳能无人飞行器。

长航时太阳能无人机作为综合性较强飞行器，目前存在的主要技术瓶颈包括：

1.设计问题：包括适合加载太阳能基材的飞机设计、高空低雷诺数飞行气动布局设计、大展弦比机翼结构设计、宽带信息传输与无人机控制、能源与动力设计、飞行空间材料及隐身设计、多技术目标的综合优化设计等问题。

2.动力问题：太阳电池阵列对于太阳辐照转化获得的能量是整个无人机在白天及夜晚工作的所有能量来源，太阳电池一般铺设在无人机大展弦比机翼的上表面，设计中尽可能多地铺着面积，同时尽量降低太阳电池带来的铺设重量，在设计中着重考虑太阳辐照电流的串联失配及弱光下的电压并联失配问题，同时配合电源调节的要求，将电池阵列电路设计到合理配置。目前我国太阳电池存在以下问题：第一，阵列与系统的耦合研究较少。严重地制约了长航时无人机的电源整体论证，对无人机总体的飞行程序、任务轨迹、飞行动力的确定造成了较大的困难。第二，转换效率较低。由于目前太阳电池的国内转换效率还集中在18.5%~21%，电池的厚度在200~260μm，电池的转换效率和面密度水平有优待进一步提升，从硬件上应保证电池阵列产品的较高水平。第三，能量密度较低。太阳能无人机储能系统尽管都选用了目前较为先进的蓄电池，但其总体的能量密度还是较低。目前在几种典型的太阳能无人机中，储能部分重量已经占据了1/3～1/2的起飞重量。例如美国Solong无人机起飞重量为12.6kg，其中锂电池重5.6kg，占到了全机重量的44％。2001年飞行的太阳神无人机加装燃料电池后全机增重362.88kg，占无人机起飞重量的34.8％。储能系统较大的重量百分比使得其对无人机最终的气动布局和几何尺寸都产生了较大影响，也是设计人员在设计初始阶段重点研究的参量之一。第四，能源系统的电源管理技术较薄弱。电源控制的单元的重量和对功率的调节比率还不高，对于太阳电池阵广泛使用的最大功率跟踪技术的算法还不完备，有待得到大跨度提高，以提升系统的能量利用率和管理效率。

3.航电系统：需要解决飞行软件平台同硬件匹配度不全面、飞行软件设置实际飞行应用的实用性，方便性，功能性缺陷问题、硬件部分，元器件的协调性匹配问题、基地站控制指令发送，接收链接方法单一，受地形，复杂电磁环境干扰严重问题、数据加密，解密基本没有等的问题。如果不能国产化，完全自主开发，由于受到国外专利、进口等问题的制约，这可能会阻碍将来产品化的进程。

4.高效的动力总成问题：由于太阳能飞机驱动能源有限，除了载体的气动效率外，仅仅依靠产生推力的发动机和螺旋桨在效率提升上已经不能满足，电源输送总线，电源分配，储能电池、电机控制器的每一个环节都将延伸纳入驱动效率设计和提升。

5.远程通讯问题：远程和高度的通讯保障，未来太阳能飞机应用肯定在无人驾驶体系下展开，由于自动驾驶和应用任务的复杂性，良好安全的通讯链路保障是确保应用的，目前研发飞机阶段通讯设施和手段在业余范围，链路手段单一，安全性非常低，未来不能满足专业级应用。

6.材料及工艺问题：太阳能板材同机体复合材料的兼容和结构适用性。为了减轻重量和优化结构，需要将太阳能电池板同飞机机体复合材料整体合成是一种最优化的方案。如何匹配材料的兼容性和保障整体的结构强度，疲劳寿命和施工工艺，是目前世界上各大飞机制造公司都在寻找突破的重大课题。太阳能板的基体材料同时可否在飞机机体结构上补偿强度， 整体复合后对单组电池的更换可行性影响等都有待研究和突破。

打造有价值的产业联盟，形成有竞争力的产业链

产业链的创新需要获得上下游配合和资源支持。无人机产业目前呈现企业规模小，产业集中度较低，产业链上下游不完整，整体效率低下，标准化程度不高，企业服务质量层次不齐等。建议建立该产业联盟，以联盟为产业主体，有针对性的着眼于1-2个市场应用，加强产业链上下游的紧密合作，促进产业技术优化重构。以产业联盟成员各自主导的技术优势为切入点，更有效的进行对接，促进产业链系统效率，推荐产业发展。

瞄准整机核心技术，以点带面，提升整体领域水平

以上海无人机整机单位作为核心单位，围绕核心单位着力发挥本市具有相关技术优势的科研单位，聚焦影响制约无人机技术和产业发展的难点问题，重点攻克影响该产业发展的“拦路虎”，在整机设计、航电系统、载荷系统等一系列技术瓶颈上进行自主突破。

促进该领域机制、体制、相关政策的建设

在发展无人机行业的同时，需加快相应的体制、机制的建设工作，为该领域的发展提供创新科技服务，创造助推无人机产业发展的良好环境。例如：由于太阳能飞机存在高、慢、大的飞行性能，实际试飞数据采集和飞行时间是保障太阳能飞机研发相当重要的环节，试飞场地和试飞空域是太阳能飞机研发和应用的必备要素。建议相关部门为核心企业提供相应的条件支撑。