“陽光動力”2改裝后展現(xiàn)新能力

李悅霖

“陽光動力”2改裝的太陽能無人機可攜帶136～363kg任務(wù)載荷，在4572～13716km高度持續(xù)飛行90天，充當(dāng)中空偽衛(wèi)星提供全新的任務(wù)能力。

在2015至2016年，“陽光動力”2（Solar Impulse 2、SL2）太陽能飛機進行了環(huán)球飛行，其中包括安德烈·博施伯格（Andre Borschberg）歷時近5天的飛越太平洋單人飛行，這次飛行改變了人們認(rèn)為太陽能飛機是華而不實飛行器的看法。

如今，這個翼展為72m的綠色能源技術(shù)典范正準(zhǔn)備扮演一個新角色即重型長航時無人機，用于商業(yè)和政府市場。這架著名的飛機已經(jīng)被美國初創(chuàng)企業(yè)空中居住航宇公司（Skydweller Aero，下稱空中居住公司）購買，該公司由諾斯羅普·格魯門公司特別項目組織的無人機專家組建，并得到歐洲航空航天巨頭萊昂納多公司（ Leonardo）和一些私人投資者的支持。

項目背景

陽光動力公司（Solar Impulse）由博斯伯格和貝特朗·皮卡德（BertrandPiccard）在瑞士創(chuàng)立，于2009年試飛了一架較小尺寸的原型機。隨后，團隊為環(huán)球飛行計劃打造了2551kg的“陽光動力”2太陽能飛機，2015年3月“陽光動力”2從阿布扎比起飛，歷經(jīng)17次環(huán)球飛行后于2016年7月返回地面，飛行時長558.7h，航程42438km。

在低于海拔9144m的高度為飛行員提供長達(dá)五天的飛行支持，需要飛機本身有堅固的機身和強勁的動力系統(tǒng)，“陽光動力”2在環(huán)球飛行時搭載了一名體重91kg的飛行員。

太陽能無人機的技術(shù)進步為高空偽衛(wèi)星（HAPS）在通信和監(jiān)視等應(yīng)用領(lǐng)域開辟了一個新市場。這些太陽能無人機可在平流層停留數(shù)天、數(shù)周或數(shù)月，不受風(fēng)和天氣影響。若要在18km以上的高度飛行，太陽能無人機必須有超輕的機身，搭載小而輕的任務(wù)載荷。例如，空中客車公司研制的“西風(fēng)”無人機，翼展25m、最大起飛重量75kg，僅在攜帶5kg任務(wù)載荷時才保持近26天的續(xù)航記錄。

在改裝“陽光動力”2的過程中，拆除了飛行員座椅、救生裝備、救生筏、補給、氧氣、廁所和一個布滿控制器和顯示器的駕駛艙設(shè)備，使“陽光動力”2太陽能無人機能攜帶136～363kg任務(wù)載荷并保證其在4572～13716km高度飛行，這是高空偽衛(wèi)星必須非常小心通過的中等高度。空客2019年有兩架“西風(fēng)”太陽能無人機在爬升中因大氣湍流而墜毀。

傳統(tǒng)的觀點是，太陽能無人機必須極其輕和纖巧，在平流層攜帶重量輕的任務(wù)載荷飛行，但空中居住公司打破了這種產(chǎn)品設(shè)計理念，其目標(biāo)是使“陽光動力”2攜帶更重更強大的任務(wù)載荷在中等高度無限期地飛行。

空中居住公司的運行包線是一個由緯度、年度、高度、任務(wù)載荷重量及功率組成的矩陣。每次飛行結(jié)束后，“陽光動力”2將返回基地，配置新的任務(wù)載荷和太陽能電池，為下一年度的飛行進行設(shè)備優(yōu)化。

制造一架中空偽衛(wèi)星會遇到諸多技術(shù)難題，風(fēng)力和天氣是最大的挑戰(zhàn)。不過，“陽光動力”2擁有成熟的機身并已在世界各地的中等高度成功飛行，這是一個巨大的優(yōu)勢。

動力系統(tǒng)設(shè)計

空中居住公司將“陽光動力”2太陽能無人機描述為一種中空偽衛(wèi)星（MAPS），預(yù)計可持續(xù)飛行90天，在機身、機翼和尾翼的上表面安裝了超過270m2的太陽能電池，可為任務(wù)載荷提供2～20kW的電能。空中居住公司首席技術(shù)官艾倫·加德納（Allen Gardner）表示，“陽光動力”2的任務(wù)載荷能力改變了游戲規(guī)則。

空中居住公司計劃使用太陽能電池來采集和儲存晝夜飛行所需的電能，目標(biāo)是在±20。的緯度范圍內(nèi)全年運行，每年從春季到秋季在±40。緯度范圍內(nèi)飛行6-9個月。安裝氫燃料電池后，“陽光動力”2將能在高緯度地區(qū)全年運行，不過續(xù)航時間會減小。

根據(jù)任務(wù)需要，“陽光動力”2可安裝一個可選用的氫燃料電池作為備用能源，在需要時使用。有三種飛行任務(wù)需使用氫燃料電池，一是太陽能無人機在冬季高緯度飛行，二是向上爬升為克服風(fēng)力需要大功率推力提速，三是在操作大功率任務(wù)載荷。

全新的任務(wù)能力

空客前副總裁馬爾萬·拉胡德（Marwan Lahoud）認(rèn)為，大多數(shù)太陽能無人機的設(shè)計者都擔(dān)心中等高度的飛行，因為它在歷史上是死亡地帶。但“陽光動力”2在中等高度的飛行能力已被成功驗證，其機身經(jīng)過多次飛行考驗，擁有諸多優(yōu)勢成為中空偽衛(wèi)星的理想機身，空中居住公司將利用“陽光動力”2制造一種全新平臺。

空中居住公司旨在為政府客戶提供一種持久、遠(yuǎn)程和經(jīng)濟高效的平臺，用于情報、監(jiān)視、偵察（ISR）、通信中繼、定位、導(dǎo)航和定時。商業(yè)市場包括寬帶互聯(lián)網(wǎng)接人、電信回程網(wǎng)絡(luò)和地理空間遙感。

在寬帶互聯(lián)網(wǎng)市場，多數(shù)人認(rèn)為無人機飛得越高，信號在地面覆蓋的范圍就越大，其實不然，關(guān)鍵參數(shù)是發(fā)射功率孔徑，覆蓋范圍是由無線電任務(wù)載荷的尺寸和功率決定。空中居住公司首席戰(zhàn)略官約翰·帕克斯（John Parkes hA為，利用太陽能無人機打開電信市場的關(guān)鍵是生產(chǎn)足夠的電能，支持新興的5G網(wǎng)絡(luò)任務(wù)載荷。

HAPS的任務(wù)載荷重量和功率很小，無法將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋到地面，因此它們在高空停留幾乎沒有什么功效，而空中居住公司的新型太陽能無人機，能充當(dāng)中空偽衛(wèi)星在中等高度運行，搭載大尺寸、大功率孔徑無線電任務(wù)載荷覆蓋更大范圍的帶寬通信。

空中居住公司稱，谷歌地圖（Google Maps）等公司在線地圖服務(wù)所使用的高分辨率圖像大多是由中低空飛機搭載功能強大的攝像機采集。標(biāo)準(zhǔn)的攝像傳感器是維克塞爾成像公司（Vexcel Imaging ）4.5億像素的高分辨率攝像機（Ultra CamEagle），它可以在4572km高空拍攝10cm分辨率的圖像，但重量高達(dá)68kg，耗電400W。空中居住公司表示，不能把一個4.5～22.7kg任務(wù)載荷的HAPS與中低空飛機的航攝能力相比，而且這種飛機的工作距離是HAPS的四倍。空中居住公司計劃在太陽能無人機上安裝高分辨率攝像傳感器。

“陽光動力”2在情報、監(jiān)視與偵察市場上更像是通用原子航空系統(tǒng)公司的MQ-1C或MQ-9無人機而不是諾斯羅普·格魯門的RQ-4“全球鷹”。該太陽能無人機可以攜帶與MQ-1C或MQ-9相同的內(nèi)部傳感器套件，基本實現(xiàn)靜音飛行，且能在高空持續(xù)飛行更長時間。

傳統(tǒng)的長航時無人機執(zhí)行情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)，雖然可以在距離空軍基地數(shù)百千米的地方執(zhí)行全天候任務(wù)，但缺點是需要多架無人機。

空中居住公司表示，假設(shè)一架長航時無人機能在93km處停留8h，那么至少需要3架無人機持續(xù)盤旋才能執(zhí)行24h任務(wù)，再加上周轉(zhuǎn)時間和維修保養(yǎng)，則最終每個運行軌道需要4到5架無人機。空中居住公司的新型平臺只需使用一架太陽能無人機即可提供全天候持續(xù)執(zhí)行任務(wù)，降低后勤保障成本。

通過減少每個軌道所需的無人機數(shù)量、人力、維修和燃油等成本，空中居住公司的無人機可顯著降低成本。最重要的是，有望完全消除建立前沿作戰(zhàn)基地的需要，從而消除人員風(fēng)險以及在外國領(lǐng)土上建立、配備和維持基地的費用。

美國是為數(shù)不多的幾個擁有政治和財政資源的國家之一，可以在世界各地建立和運營軍用飛機前沿作戰(zhàn)基地（FOB）。即使是續(xù)航時間為5-10天的飛機，如極光飛行科學(xué)公司的“獵戶座”（Orion）或波音的“幻影眼”（PhantomEye）.也需要建立前沿基地和設(shè)置多架飛機。

制造出一架攜帶重型任務(wù)載荷的長航時太陽能無人機，將會對全球無人機動力系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。空中居住公司正在制造這種新型無人機，預(yù)計2020年實現(xiàn)機上無人駕駛飛行。