作為探索臨近空間領(lǐng)域的新興飛行器，太陽能無人機(SUAV)在性能、技術(shù)及任務(wù)航時均呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)飛行器的新特點。其中，太陽能無人機能源系統(tǒng)的比能量、比功率是影響飛機整體性能的核心因素。因此，本文首先對太陽能無人機的太陽電池、儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進行了闡述，然后針對能量獲取多元化、能源系統(tǒng)管理高效化、能源載荷一體化方向?qū)μ柲軣o人機能源系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

有人把它當做兒童飛行玩具，有人把它看做遠景航拍神器，有人把它視為發(fā)展 “智慧農(nóng)業(yè)”生產(chǎn)與改善生活方式的輔助工具，它便是無人機。

近年來，隨著飛控、導航、通信等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機不僅形成了自己的產(chǎn)業(yè)，而且發(fā)展速度異常強勁。 在市場規(guī)模持續(xù)增長、新領(lǐng)域市場不斷開拓、應(yīng)用場景愈發(fā)豐富的情況下，無人機的種類也越來越多、越來越精分細化，其中就包括了時下火熱的黑科技——太陽能無人機。

太陽能無人機，顧名思義既是以太陽能為動力源進行飛行和作業(yè)的無人機，其具有超長航時、持久留空、超高飛行、廣闊作業(yè)等主要特點，價值堪比“準衛(wèi)星”，更具備部署靈活、經(jīng)濟性好等優(yōu)勢。近年來，出于重大自然災(zāi)害預警、高空海域巡視監(jiān)管、應(yīng)急搶險救災(zāi)、反恐維穩(wěn)、移動通信等目的，各國都在大力投入、加速研發(fā)和積極布局太陽能無人機的發(fā)展，以期望能夠搶占未來無人機產(chǎn)業(yè)的新高地。

其中，美國和英國是太陽能無人機發(fā)展的兩大先行者與領(lǐng)頭羊。前者早在多年前便由極光飛行科學公司和通用原子公司分別研制出了“帕修斯”和“阿爾塔斯”等型號的太陽能無人機，之后臉書、谷歌、空中客車等企業(yè)再度領(lǐng)銜了新一批太陽能無人機的發(fā)展;而后者也以驗證太陽能動力飛行關(guān)鍵技術(shù)為目標，早早研制出了“微風”及“西風”系列太陽能無人機，并在國防部門得到了有效應(yīng)用。

緊隨美、英之后，近年來我國在太陽能無人機方面的發(fā)展也是進步神速、成果斐然。

2016年，西工大的“魅影太陽能WiFi無人機”橫空出世，彰顯了我國在太陽能WiFi無人機研發(fā)上的一定實力;2017年，基于臨近空間太陽能無人機構(gòu)建空中局域網(wǎng)的“飛云”工程的開啟，“彩虹”太陽能無人機圓滿完成臨近空間飛行試驗，標志著我國成為全球第三個掌握臨近空間太陽能無人機技術(shù)的國家;與此同時在近日，我國自主研發(fā)的中大型太陽能驅(qū)動無人飛機“墨子II型”成功完成首飛，也預示著我國與英美的差距正越縮越小。

中國太陽能大型無人機“啟明星-50”9月初順利完成首飛引發(fā)高度關(guān)注，眾多媒體紛紛叩問中國太陽能大型無人機目前處于什么樣的水平。據(jù)了解，目前，中國研制的太陽能大型無人機已有多款完成首飛。中國專家認為，從2017年首飛的45米量級“彩虹”T4太陽能大型無人機，到今年9月首飛的50米量級“啟明星-50”，中國有望出現(xiàn)翼展達到60米量級的國產(chǎn)太陽能大型無人機 (點擊查看詳情)。

目前，中國在研型號至少包括“彩虹”T4太陽能大型無人機、“啟明星-50”太陽能大型無人機、“墨子Ⅱ型”太陽能飛機等。其中，作為中國首款完成首飛的太陽能大型無人機——“彩虹”T4太陽能大型無人機2017年完成首次試飛，持續(xù)飛行15小時左右后平穩(wěn)降落，成功完成2萬米以上高空飛行試驗。這也讓我國繼英美之后，躋身太陽能大型無人機領(lǐng)域的世界前三。根據(jù)公開資料，“彩虹”T4無人機翼展達到45米量級。據(jù)介紹，這個翼展級別為國產(chǎn)太陽能大型無人機發(fā)展奠定了非常高的起點。45米的翼展大約相當于25輛小轎車并列排放的寬度，飛行高度達到2萬米相當于將48個天津電視塔疊放的總高。該型太陽能大型無人機安裝有8個發(fā)動機，機翼上方基本上全部覆蓋太陽能電池板，其核心關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。

今年9月初首飛的“啟明星-50”太陽能大型無人機翼展達到50米量級、飛行高度可達2萬米。該機是中國航空工業(yè)研制的首款超大展弦比高空低速大型無人機，也首次采用雙機身布局的大型無人機、第一款以太陽能為唯一動力能源的全電大型無人機。業(yè)內(nèi)認為，“啟明星-50”太陽能大型無人機首飛成功，不僅提振了各方對太陽能大型無人機領(lǐng)域發(fā)展的信心，也將進一步推動我國在新能源、復合材料、飛行控制等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。通過對比公開資料，“彩虹”T4無人機與“啟明星-50”無人機的尺寸差不多，發(fā)動機數(shù)量也總體相當，應(yīng)該說能力基本相當。

那么國產(chǎn)太陽能大型無人機矩陣中，還有翼展更大的機型嗎?

在之前的多次珠海航展上，“彩虹”公司都展出了一個縮比的太陽能大型無人機模型。根據(jù)2021年珠海航展上“彩虹”公司發(fā)布的宣傳材料，該太陽能大型無人機翼展達到60米量級，升限超過2萬米，最大續(xù)航時間超過30天，任務(wù)載荷重量達30公斤。

據(jù)航空專家預測，按照太陽能大型無人機發(fā)展的規(guī)律以及相關(guān)型號發(fā)展周期，擁有更大翼展、更大載荷的我國新型太陽能大型無人機有望在今年珠海航展亮相。

太陽能大型無人機不斷發(fā)展，翼展越做越大，目的是使其可以在長達一個月甚至數(shù)個月的長航時任務(wù)中，攜帶并使用重量更大、耗電量更大的載荷。太陽能大型無人機想具備長航時，尤其是不間斷跨晝夜飛行能力，就需要把太陽能大型無人機的翼面做大，安裝更多的光伏電池，攜帶多個電機，讓無人機有足夠的功率在高空進行巡航。如果晝間儲存的電量不能滿足越夜使用，那么無人機的留空時間就非常受限。

如果無人機攜帶的載荷小，可能難以執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，所以這也要求太陽能大型無人機通過增大翼展盡量增大發(fā)電能力。另外，大展弦比機翼飛機的升阻比一般比較高，升阻比高的飛機通常留空時間也會比較長、巡航距離也就比較遠。綜合這幾個角度考慮，太陽能大型無人機的翼展會做得越來越大。不過，在無人機放飛以及爬升時，越細長的機翼受外界氣流干擾的影響就越大，如果結(jié)構(gòu)強度問題沒有解決，無人機可能還沒有達到任務(wù)高度，機翼就折斷了。所以想要增加翼展，還需要解決結(jié)構(gòu)強度問題。

日前，空客公司成功完成其“西風”太陽能無人機的新一輪試飛活動。在試飛過程中，“西風”在平均海拔高度21000米的平流層飛行，翼展25米，重量不到75千克，晝間使用太陽能、夜間使用可充電電池推進，向我們展示了當前太陽能無人機發(fā)展的最新成果。

近年來，無人機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加快了無人機應(yīng)用的拓展和深化，為滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用需求，無人機種類變得愈發(fā)多元和豐富，太陽能無人機也應(yīng)運而生。所謂太陽能無人機，是指依靠太陽能為動力源，這種無人機具有超長航時、持久留空、超高飛行、廣泛作業(yè)等特點。

借助自身顯著優(yōu)勢，太陽能無人機在軍民兩方面具有廣泛用武之地，價值也堪比準衛(wèi)星?，F(xiàn)實生活中，不少國家就將太陽能無人機用于大氣研究、天氣預報、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測、交通管制監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、電視服務(wù)以及軍事用途等，給人們的生產(chǎn)與生活帶去了諸多便利。

不過，要說太陽能無人機最佳的落地場景，無疑還是通信方面。太陽能無人機對于通信發(fā)展具有四方面的增值意義，其一是通過充當空中基站增強已有通信服務(wù);其二是補盲偏遠地區(qū)的通信;其三是在突發(fā)災(zāi)害時，提供應(yīng)急通信;其四是滿足軍民雙方的遠程中繼通信。

基于以上通信價值，當前全球發(fā)力太陽能無人機的國家也不少。其中，美國和英國是最先入局的兩大玩家，前者在多年前就研發(fā)了“帕修斯”和“阿爾塔斯”太陽能無人機，而后者也早早研制出了微風”及“西風”系列太陽能無人機。

在這兩個國家之后，我國太陽能無人機發(fā)展也逐漸起步。2016年，我國西工大研發(fā)的“魅影太陽能無人機”橫空出世，揭開了國內(nèi)太陽能無人機發(fā)展的序幕，之后“飛云”工程順利開啟，“墨子II型”成功首飛，都標志著我國在太陽能無人機發(fā)展上取得顯著成果。