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超长航时太阳能无人机关键技术综述

马东立，张良，杨穆清,*，夏兴禄，王少奇

1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1000832.西安现代控制技

术研究所，西安710065

超长航时太阳能无人机利用太阳能电池将光能转化为电能，一部分用于日间巡航，另一部分储存在储能电池中，用于夜间巡航，从理论上打破了常规无人机所无法实现的“永久”飞行的瓶颈，从而成为近年来无人机领域研究的热点[1-3]。此类无人机具有无污染、航时长的特点，可广泛应用于对地观测、空中预警、侦察监视、通讯中继等军事和民用领域[4]。与卫星相比，其信号传输损失小、精度高，可实现目标区域永久驻留，不存在重返周期问题，生产和运营成本低；与传统飞机相比，其覆盖区域广，留空时间长；与浮空器相比，其操控性好，机动性强。未来战争中，超长航时太阳能无人机将在空间攻防和信息对抗中发挥重要作用，成为空中力量的重要补充，进一步促进空天一体化发展[5]。

自1974年“Sunrise-Ⅰ”太阳能无人机[6]问世以来，各国在太阳能无人机领域取得了多项突破。美国NASA致力于飞翼太阳能无人机研制，经历了“Pathfinder”“Centurion”“Helios”等多个阶段，翼展从“Pathfinder”的30.5m增大到“Helios”的75.3m[7-8]，“Helios”在2003年试飞中达

到了29.5km的最大飞行高度；瑞士联邦理工学院研发的

“Atlantiksolar”[9-10]是一台质量只有6.8kg的小型太阳能无人机，该无人机于2016年7月完成长达26h的难民搜救任务，全程无人工干预，为搜救团队及时反馈了重要信息；中国航天空气动力研究院研发的“彩虹”太阳能无人机[11-12]具备20kg载荷能力，于2017年完成临近空间飞行试验，飞行高度超过20km；英国于2003年启动了“Zephyr”系列太阳能无人机研制，2018年7月，“Zephyr-S”无人机创造了26天不间断巡航的新记录[13]；UAVOS推出的“ApusDuo”太阳能无人机采用了串列翼布局，2018年5月，该公司宣布已顺利完成14m翼展原型机的飞行试验。近年来，越来越多国家和组织报道了各自的太阳能无人机研制情况，这些太阳能无人机呈现出飞行时间越来越长，载荷能力越来越强的特点(见表1)。

太阳能无人机升阻比高、飞行速度低，机翼具有超大展弦比和较低翼载荷，设计指标与能量参数深度耦合，尤其是临近空间太阳能无人机，其飞行高度高、载荷能力弱的特点尤为突出，对总体、气动、结构、飞控、能源、推进以及航迹设计带来很大难度。本文对超长航时太阳能无人机涉及的总体设计技术、气动设计技术、气动弹性与阵风减缓技术、飞行控制技术、高效能源技术、动力推进技术、轨迹优化技术等7项关键技术的研究现状及相关文献进行综述，并对未来发展进行了展望。

表1太阳能无人机设计参数及试飞数据Table1Designparametersandflighttestdataofsolarpoweredunmannedaerialvehicle(UAV)

总体设计技术

相比于常规无人机，超长航时太阳能无人机总体设计需要耦合更多因素，如翼面积不仅影响气动性能，也与能量获取能力密切相关，设计过程须综合考虑太阳能光照、太阳能电池/储能电池等因素，设计方法相对特殊。

文献可见最早的太阳能无人机总体设计方法由Youngblood等[14]在1984年提出，如图1所示，其基本思路是通过对比由能量平衡公式得到的CL1.5/CD需用值及由气动力公式得到的CL1.5/CD计算值是否与飞机尺寸匹配，来判断总体设计参数是否可行，再通过迭代得到总体设计参数。而后，Brandt和Gilliam[15]建立了一种基于约束分析的太阳能飞机总体设计方法，如图2所示，该方法的核心思路是构建以翼载荷为横坐标、以太阳能电池铺片面积与机翼参考面积比值为纵坐标的约束图，根据飞机设计需求在约束图中划定可行

域，再从可行域中选择设计点。2种方法本质上都是基于能量平衡和质量平衡方程，结合飞行动力学方程展开的，区别在于，Youngblood方法得到的是设计点，相对较精确，而Brandt方法得到的是可行域，参数选取灵活性更高。2种方法为后来的学者研究更为完善的总体设计流程提供了框架。

图1Youngblood总体设计流程[14]Fig.1Youngbloodoveralldesignprocess[14]

图2Brandt总体设计流程[15]Fig.2Brandtoveralldesignproc