绪论

太阳能飞机指以太阳辐射为能源、以电动机驱动螺旋桨为动力系统，自身携带蓄电池，可长时间滞空飞行的飞行器。受限于太阳能电池板转化效率和蓄电池能量密度，当前主流的太阳能飞机任务载荷小，以无人机为主。为了降低大气对太阳辐射的衰减，同时避免低空湍流对超轻结构的破坏，超长航时太阳能无人机一般在平流层飞行，巡航高度大多在20 000 m以上。

太阳能无人机要实现跨昼夜持续飞行，必须先实现能量供需平衡。当太阳能无人机在白天飞行时，铺设在无人机表面的太阳能电池通过光电转换将太阳辐射的光能转换为电能，部分电能通过电动机驱动螺旋桨为无人机提供飞行动力，另有部分电能满足机载设备和任务载荷的用电需求，还要有剩余电能为蓄电池充电。当其在夜间飞行时，蓄电池释放白天储存的电能，为无人机正常飞行和机载用电设备正常工作提供能量。只要蓄电池储存的电能可维持无人机飞行至重新获得充足的太阳辐射，太阳能无人机就可以实现持续不断的滞空飞行。在太阳能无人机飞行过程中，太阳能电池、蓄电池、电动机和机载设备的用电特性由能量管理系统进行统一管理，其整个能量流动原理如图0-1所示[1]。

1．主要优势

相对于其他飞行器，太阳能无人机有以下优势：

（1）与卫星相比，可以提高对地观测的时空分辨率。

国土资源卫星的轨道一般为近地轨道，在固定区域存在重返时间长的问题。对于突发性事件，比如泥石流等自然灾害，国土资源卫星需要采用紧急变轨的方式提供服务，这严重降低了卫星自身的使用寿命。临近空间超长航时太阳能无人机可根据具体情况随时展开部署，不仅可以提供比卫星拍摄更高分辨率的照片，而且可以提供持续的图像、视频、雷达信息的更新。

（2）与通用飞机相比，可以提升滞空时间。

临近空间超长航时太阳能无人机可以长时间飞行在工作区上空，可以持续工作几天，实时更新现场画面，其服务时长远远超过了现有的由通用飞机改装的对地观测飞机。

（3）部署灵活，环境条件限制少。

临近空间超长航时太阳能无人机可以根据任务需求进行机动、快速有效的部署。卫星和航天飞机在进行位置机动时需要耗费大量的燃料，而发射的准备工作也更加复杂。临近空间超长航时太阳能无人机不受恶劣气象条件的制约，对于台风跟踪等气象信息的获取至关重要。

（4）全寿命周期效费比高。

目前，随着国内外民用航天在微小卫星制造技术、发射技术上的不断进步，之前对地观测卫星高成本的问题有望得到解决；同时，随着卫星星座的部署，对同一地点的重返周期缩短到10分钟以内。但是，发射卫星星座的成本却非常高昂。根据长光卫星技术公司估计，要实现10分钟的重返周期需要发射138颗卫星，按照一颗卫星100千克且低轨发射成本为5 000美元/千克来计算，总发射费用就高达6.9亿美元[2]。由于微小卫星主要在低轨运行，在大气阻力的作用下，其在1～2年使用寿命内就会因为无法维持运行轨道而坠入大气层销毁。换句话说，卫星星座约需要每两年进行全面补充发射以维持其预期能力。这对于动辄使用20～30年且飞行寿命为5 000～10 000 h的飞机来说，是不可想象的。

临近空间超长航时太阳能无人机的这些特殊优势受到了美国、英国、瑞士、以色列等国家的密切关注，飞行高度、续航时间等纪录在近10年来被不断刷新。我国相关研究院所和高校经过10余年的探索，在太阳能无人机领域也积累了一定的经验；与此同时，我国太阳能电池板、蓄电池的快速进步也为临近空间超长航时太阳能无人机的发展奠定了良好的基础。

2．应用前景

太阳能无人机飞行高度高，续航时间长，常被称为“大气层卫星”，具有发射/回收方便、航线机动灵活、使用/维护成本相对较低等特点，可用于执行远距离通信中继、电子情报侦察、区域持久监视、区域导航定位、空中预警探测、气象环境监测和灾害应急监测等任务，军民用途非常广泛；可与轨道卫星、高空飞艇、常规动力飞机、地基雷达等构成更加完善的信息支援体系。

1）通信中继

太阳能无人机搭载通信中继任务载荷可构成临近空间通信中继系统。与通信卫星相比，太阳能无人机飞行高度远远低于卫星轨道高度，虽然其覆盖面积较小，但信号强度衰减大幅降低，通信延迟时间缩短，抗干扰能力增强，从而使得研发高速、大容量的低功耗小型移动通信终端成为可能；太阳能无人机可多次起降重复使用，便于追加或更新通信设备，从而可实现通信系统的快速扩容或升级。与地面通信基站或应急通信车相比，由于其飞行高度高，太阳能无人机具有覆盖范围广、信号遮蔽小、多径效应小等优势。

在军用方面，临近空间超长航时太阳能无人机通信中继系统可用于卫星系统破坏后的应急通信中继、战时空中交通管制、各类无人作战系统的远程指挥控制、远程打击武器的中继制导等。在民用方面，不依赖通信卫星和地面基站建立的临近空间超长航时太阳能无人机通信中继系统，在节省大量通信基础设施建设资金间接为节能减排做贡献的同时，还可以为更广阔的区域提供空中无线网络，让更多人体验互联网带来的便利，为“互联网+”创造更多的应用价值。

2）电子情报侦察

太阳能无人机搭载电子情报侦察任务载荷可构成临近空间超长航时电子情报侦察系统，将与天基电子侦察卫星和有人/无人电子侦察机一起构成更加完善的电子情报侦察体系，实现对重点区域、敏感目标的无缝电子侦察，以获取更加完备的战略情报信息。

3）区域持久监视

天基情报系统提供的信息实时性不够强，精度不够高；空基情报系统的覆盖范围不够广，持续时间不够长。二者均难以满足对重点区域的持续高精度侦察监视要求。

由临近空间超长航时太阳能无人机搭载高精度侦察监视载荷构成的临近空间侦察监视系统，可以实现对重点区域、重要目标长达数天乃至数月的持续高精度侦察监视，实时获取情报信息。

4）区域导航定位

多架临近空间超长航时太阳能无人机可构成区域导航网络系统，与导航卫星系统相比，其具有数据延迟短、导航信号强、定位精度高等优点。该系统既可在战时导航卫星系统被干扰或破坏的情况下，为武器装备提供应急导航或制导；又可以在平时独立为卫星信号覆盖不到的区域提供导航定位服务；还可以与卫星导航系统一起，在特定时期为特定区域提供增强的导航定位服务。

5）空中预警探测

与常规有人预警指挥机相比，太阳能无人机机体尺寸更大、飞行高度更高、续航能力更强，可以搭载与机体高度共形设计的机载雷达系统，在更远的任务区域实现对空中目标的预警探测。未来，基于超长航时太阳能无人机的临近空间预警探测系统将与有人预警指挥机一起，构成功能更加强大的分层空中预警体系。

6）气象环境监测与灾害应急监测

太阳能无人机携带气象探测载荷，可执行大气探测任务，辅助进行气象预报，提升自然灾害应对能力。与气象卫星相比，太阳能无人机还可以灵活地持续跟踪台风等强烈大气旋涡运动，为灾害预警、灾情监测和灾后救援提供及时信息。

地震、泥石流等突发性自然灾害发生后，搭载高分辨率对地观测载荷的太阳能无人机可以快速响应，提供灾情信息，并对灾区开展持续监测。与高分卫星系统相比，太阳能无人机高分系统响应速度更快，可将反应时间由数十小时缩短至数小时之内。与中低空飞行的常规无人机相比，临近空间飞行的太阳能无人机不受灾区恶劣天气的影响，且探测区域更广，持续监测能力更强。

3．发展历程

自1974年第一架太阳能无人机Sunrise I首飞[3]以来，人类对太阳能无人机的研究取得了长足的进步。根据技术基础和飞行能力，太阳能无人机的发展可概括为五个阶段。截至目前，前四个发展阶段已经完成，人类正在努力实现第五个阶段的发展目标。

第一阶段为概念探索阶段，主要验证太阳能作为飞行器能源的可用性，太阳能电池能够为巡航飞行提供部分能源。美国在20世纪80年代开展这一阶段的研究，代表机型有美国航空环境公司于1983年首飞的“探路者”太阳能无人机。

第二阶段为技术发展阶段，验证太阳能作为飞行器主要能源的可行性，能够完全依靠太阳能进行巡航飞行。在概念可行性获得验证后，美国航空环境公司发展的“探路者+”和“太阳神”太阳能无人机基本实现了完全依靠太阳能进行巡航飞行，这两架飞机分别于1998年、1999年首飞。由于超大展弦比柔性飞翼布局机体的一系列技术问题，“太阳神”太阳能无人机（见图0-2）于2003年在试飞中解体坠毁。

第三阶段为基本可用阶段，太阳能无人机实现了跨昼夜飞行，太阳能电池有足够的功率裕度为蓄电池充电并能满足夜间飞行的需要，至此太阳能无人机初步展示了投入工程应用的潜力。英国奎奈蒂克公司利用太阳能电池和蓄电池领域的最新研究成果，在太阳能无人机跨昼夜飞行能力方面率先取得了突破，该公司研制的“西风6”太阳能无人机（见图0-3）在2007年首先实现了跨昼夜飞行，最大续航时间超过54 h[4]。

第四阶段为初步应用阶段，太阳能无人机实现了跨周飞行，续航时间和载荷能力初步满足工程应用的需要。英国奎奈蒂克公司仍然保持领先地位，“西风7”太阳能无人机（见图0-4）创造了长达14天的无人机续航时间纪录[4]，为太阳能无人机走向工程应用打下了良好的基础。

第五阶段为全面应用阶段，机体、能源系统、动力系统、任务载荷都能有很长的使用寿命，太阳能无人机将拥有长达数月乃至数年的滞空能力。Google公司在2014年收购了太阳能无人机公司Titan，主要为偏远地区或山区提供5G网络覆盖，由于在2016年的5G网络覆盖测试中，发现数据传输成本相对热气球更为高昂，暂停了“Solara 50”太阳能无人机（见图0-5）的后续开发。2016年6月，原Facebook公司的“Aquila”太阳能无人机完成了首次试飞，在着陆时由于突发强风使得飞机偏离了航道而发生部分损坏[5]。尽管如此，原Facebook公司仍然看好采用太阳能无人机为落后偏远地区提供稳定的互联网信号，也表示将继续发展太阳能无人机，并于2017年7月进行了第二次试飞且取得了成功[6]。

国内对太阳能无人机的研究还处于技术发展阶段，优势研究单位主要有航天科技十一院、航空工业一飞院、航空工业成都所、西北工业大学等。据公开报道，航天科技十一院大型太阳能无人机（见图0-6）的飞行高度已短时间突破了两万米[7]，西北工业大学的“魅影”太阳能无人机（见图0-7）创造了27小时37分钟的小型太阳能无人机低空续航时间纪录[8]。

4．本书内容

2014年，中航工业（现为航空工业）技术创新基金资助第一飞机设计研究院开展超长航时太阳能无人机技术集成验证项目，根据项目任务要求分解出太阳辐射能量计算分析研究任务，由此开展了太阳能辐射计算分析平台开发。

在太阳能无人机方案设计过程中需要对太阳辐射能量进行评估：①全机总体技术参数指标是否合理；②太阳能电池板铺设位置、面积是否合适；③试飞时选择的地理位置与日期是否满足当时飞行能源供给需求；④不同的飞行高度、方位、姿态对太阳辐射能量的影响等诸多细节问题。

在项目实施期间，国内还没有一款面向飞机设计领域的太阳辐射能量计算分析工业级软件平台。在理论层面，太阳辐射能量求解是一个成熟的算法，由于国内公开的其他项目都是针对飞艇类[9-10]，对太阳能需求不如飞机来得严苛，这样就造成了两个局面：一个是计算条件简单，只需要在固定高度、固定方位下开展计算；另一个是计算容许误差可以很大，毕竟飞艇的体积很大，在不考虑成本因素下，太阳能电池板可以铺设得很大，能源富余量大，对精细计算的需求并不迫切。国内就与太阳能无人机相关的项目计算做了大量简化，包括大气衰减[11]、表面曲率[12]、北京时间与当地太阳真时的差异等。在工业软件层面，国内公开的计算软件没有一个是按照工业软件的思想进行设计的，计算基本采用MATLAB或者是Fortran（见图0-8）[9-10]，将涉及曲面矢量求解过程、大气衰减求解过程、时间修正过程进行简化。

该项目首先确定使用完全的太阳辐射能量理论，包含了地球轨道影响（日期因素）、大气衰减影响（高度因素）、地理纬度影响（太阳高度角）、地理经度影响（太阳真时）、时间影响、物面曲率影响等因素。其次，将全套公式编写为求解函数模块，实现了不同计算条件下统一的函数模块的调用，既提高了编程效率，又提高了程序的鲁棒性与稳定性。再次，根据项目需求，平台设计了4个分析流程：①蓄电池质量分析，对无人机本体的总体参数进行计算分析，判断这些参数是否支持无人机实现跨昼夜飞行；②太阳辐射特性，用于选择合适的飞行日期；③单点计算，用于选择合适的太阳能电池板铺设位置、面积，同时根据飞行日期选择合适的飞行方位；④全天计算，用于全天飞行的太阳辐射能量计算。最后，使用三维显示与操作技术，按照工业软件的开发要求，实现了全鼠标操作，具有飞行器建模、面板铺设、姿态显示、方位显示、计算结果显示、图像保存、项目保存等功能。项目开发的软件平台如图0-9所示。

该项目实现了任意位置、任意日期、任意时刻、任意高度、任意曲面、任意姿态下的太阳辐射能量计算与分析，拥有目前国内最为强大的求解内核。此外，本平台具有很强的人机交互性，是目前国内交互性最好的太阳辐射能量计算与分析平台。

在此基础上，本书的作者根据软件开发的心得体会编写了该书，希望对从事太阳能无人机设计与分析的工作者有所帮助。