“阳光动力”2改装后展现新能力

李悦霖

“阳光动力”2改装的太阳能无人机可携带136～363kg任务载荷，在4572～13716km高度持续飞行90天，充当中空伪卫星提供全新的任务能力。

在2015至2016年，“陽光动力”2（Solar Impulse 2、SL2）太阳能飞机进行了环球飞行，其中包括安德烈·博施伯格（Andre Borschberg）历时近5天的飞越太平洋单人飞行，这次飞行改变了人们认为太阳能飞机是华而不实飞行器的看法。

如今，这个翼展为72m的绿色能源技术典范正准备扮演一个新角色即重型长航时无人机，用于商业和政府市场。这架著名的飞机已经被美国初创企业空中居住航宇公司（Skydweller Aero，下称空中居住公司）购买，该公司由诺斯罗普·格鲁门公司特别项目组织的无人机专家组建，并得到欧洲航空航天巨头莱昂纳多公司（ Leonardo）和一些私人投资者的支持。

项目背景

阳光动力公司（Solar Impulse）由博斯伯格和贝特朗·皮卡德（BertrandPiccard）在瑞士创立，于2009年试飞了一架较小尺寸的原型机。随后，团队为环球飞行计划打造了2551kg的“阳光动力”2太阳能飞机，2015年3月“阳光动力”2从阿布扎比起飞，历经17次环球飞行后于2016年7月返回地面，飞行时长558.7h，航程42438km。

在低于海拔9144m的高度为飞行员提供长达五天的飞行支持，需要飞机本身有坚固的机身和强劲的动力系统，“阳光动力”2在环球飞行时搭载了一名体重91kg的飞行员。

太阳能无人机的技术进步为高空伪卫星（HAPS）在通信和监视等应用领域开辟了一个新市场。这些太阳能无人机可在平流层停留数天、数周或数月，不受风和天气影响。若要在18km以上的高度飞行，太阳能无人机必须有超轻的机身，搭载小而轻的任务载荷。例如，空中客车公司研制的“西风”无人机，翼展25m、最大起飞重量75kg，仅在携带5kg任务载荷时才保持近26天的续航记录。

在改装“阳光动力”2的过程中，拆除了飞行员座椅、救生装备、救生筏、补给、氧气、厕所和一个布满控制器和显示器的驾驶舱设备，使“阳光动力”2太阳能无人机能携带136～363kg任务载荷并保证其在4572～13716km高度飞行，这是高空伪卫星必须非常小心通过的中等高度。空客2019年有两架“西风”太阳能无人机在爬升中因大气湍流而坠毁。

传统的观点是，太阳能无人机必须极其轻和纤巧，在平流层携带重量轻的任务载荷飞行，但空中居住公司打破了这种产品设计理念，其目标是使“阳光动力”2携带更重更强大的任务载荷在中等高度无限期地飞行。

空中居住公司的运行包线是一个由纬度、年度、高度、任务载荷重量及功率组成的矩阵。每次飞行结束后，“阳光动力”2将返回基地，配置新的任务载荷和太阳能电池，为下一年度的飞行进行设备优化。

制造一架中空伪卫星会遇到诸多技术难题，风力和天气是最大的挑战。不过，“阳光动力”2拥有成熟的机身并已在世界各地的中等高度成功飞行，这是一个巨大的优势。

动力系统设计

空中居住公司将“阳光动力”2太阳能无人机描述为一种中空伪卫星（MAPS），预计可持续飞行90天，在机身、机翼和尾翼的上表面安装了超过270m2的太阳能电池，可为任务载荷提供2～20kW的电能。空中居住公司首席技术官艾伦·加德纳（Allen Gardner）表示，“阳光动力”2的任务载荷能力改变了游戏规则。

空中居住公司计划使用太阳能电池来采集和储存昼夜飞行所需的电能，目标是在±20。的纬度范围内全年运行，每年从春季到秋季在±40。纬度范围内飞行6-9个月。安装氢燃料电池后，“阳光动力”2将能在高纬度地区全年运行，不过续航时间会减小。

根据任务需要，“阳光动力”2可安装一个可选用的氢燃料电池作为备用能源，在需要时使用。有三种飞行任务需使用氢燃料电池，一是太阳能无人机在冬季高纬度飞行，二是向上爬升为克服风力需要大功率推力提速，三是在操作大功率任务载荷。

全新的任务能力

空客前副总裁马尔万·拉胡德（Marwan Lahoud）认为，大多数太阳能无人机的设计者都担心中等高度的飞行，因为它在历史上是死亡地带。但“阳光动力”2在中等高度的飞行能力已被成功验证，其机身经过多次飞行考验，拥有诸多优势成为中空伪卫星的理想机身，空中居住公司将利用“阳光动力”2制造一种全新平台。

空中居住公司旨在为政府客户提供一种持久、远程和经济高效的平台，用于情报、监视、侦察（ISR）、通信中继、定位、导航和定时。商业市场包括宽带互联网接人、电信回程网络和地理空间遥感。

在宽带互联网市场，多数人认为无人机飞得越高，信号在地面覆盖的范围就越大，其实不然，关键参数是发射功率孔径，覆盖范围是由无线电任务载荷的尺寸和功率决定。空中居住公司首席战略官约翰·帕克斯（John Parkes hA为，利用太阳能无人机打开电信市场的关键是生产足够的电能，支持新兴的5G网络任务载荷。

HAPS的任务载荷重量和功率很小，无法将宽带网络信号覆盖到地面，因此它们在高空停留几乎没有什么功效，而空中居住公司的新型太阳能无人机，能充当中空伪卫星在中等高度运行，搭载大尺寸、大功率孔径无线电任务载荷覆盖更大范围的带宽通信。

空中居住公司称，谷歌地图（Google Maps）等公司在线地图服务所使用的高分辨率图像大多是由中低空飞机搭载功能强大的摄像机采集。标准的摄像传感器是维克塞尔成像公司（Vexcel Imaging ）4.5亿像素的高分辨率摄像机（Ultra CamEagle），它可以在4572km高空拍摄10cm分辨率的图像，但重量高达68kg，耗电400W。空中居住公司表示，不能把一个4.5～22.7kg任务载荷的HAPS与中低空飞机的航摄能力相比，而且这种飞机的工作距离是HAPS的四倍。空中居住公司计划在太阳能无人机上安装高分辨率摄像传感器。

“阳光动力”2在情报、监视与侦察市场上更像是通用原子航空系统公司的MQ-1C或MQ-9无人机而不是诺斯罗普·格鲁门的RQ-4“全球鹰”。该太阳能无人机可以携带与MQ-1C或MQ-9相同的内部传感器套件，基本实现静音飞行，且能在高空持续飞行更长时间。

传统的长航时无人机执行情报、监视与侦察任务，虽然可以在距离空军基地数百千米的地方执行全天候任务，但缺点是需要多架无人机。

空中居住公司表示，假设一架长航时无人机能在93km处停留8h，那么至少需要3架无人机持续盘旋才能执行24h任务，再加上周转时间和维修保养，则最终每个运行轨道需要4到5架无人机。空中居住公司的新型平台只需使用一架太阳能无人机即可提供全天候持续执行任务，降低后勤保障成本。

通过减少每个轨道所需的无人机数量、人力、维修和燃油等成本，空中居住公司的无人机可显著降低成本。最重要的是，有望完全消除建立前沿作战基地的需要，从而消除人员风险以及在外国领土上建立、配备和维持基地的费用。

美国是为数不多的几个拥有政治和财政资源的国家之一，可以在世界各地建立和运营军用飞机前沿作战基地（FOB）。即使是续航时间为5-10天的飞机，如极光飞行科学公司的“猎户座”（Orion）或波音的“幻影眼”（PhantomEye）.也需要建立前沿基地和设置多架飞机。

制造出一架携带重型任务载荷的长航时太阳能无人机，将会对全球无人机动力系统产生重大影响。空中居住公司正在制造这种新型无人机，预计2020年实现机上无人驾驶飞行。