核心提示：以太阳能为动力的高空长航时无人机拥有广阔的应用前景，但制造这种无人机需要大量先进技术:高效率电力系统、轻量化结构和先进能源管理系统等，以提高无人机性能。
NASA开发的长航时太阳能无人机“格里奥斯”号（Helios HP01）
高空长航时太阳能无人机具有飞行高度高、工作时间长、覆盖区域广、使用灵活、运行成本低和无环境污染等优点，成为执行情报、侦察、监视和通信中继等任务的理想空中平台，有着非常广阔的应用前景。
太阳能飞机在白天使用太阳能电池维持系统工作并对机上蓄电池充电；晚上通过释放蓄电池中储存的电能来维持整个无人机系统的运转。太阳光辐射强度在近地面受地球大气层影响显著，太阳能飞机通常要在距地面20km以上的临近空间飞行。如果能量平衡能够一直维持，那么高空飞行的太阳能无人机在理论上就可以实现数月乃至数年的不间断飞行。
随着太阳能电池、蓄电池和相关领域关键技术的突破，高空长航时太阳能无人机将会实现跨越式发展。
基于重量和能量平衡的飞行器总体综合设计
与其他使用燃料的飞行器相比，太阳能飞机有个特点，即在飞行过程中始终保持重量和能量平衡，没有燃料消耗带来的重量变化。正因如此，太阳能飞机的气动力设计属于“单设计点”。在飞机总体方案设计过程中，如果使飞机在设计点的效率达到最高，就可以把全机需用功率降到最低。
长航时太阳能无人机要完成长时间持续飞行，必须使整个系统在一昼夜内获得的可用能量与全机实际消耗的能量之间达到平衡。由于从太阳光获得的能量受到可用的太阳能电池面积影响，太阳能电池面积又与机翼面积密切相关，而实现夜间飞行所需要的蓄电池重量又影响到飞机总重，这些因素最终都会影响到飞机的翼载和推重比，因此在太阳能飞机总体设计过程中必须采用基于能量平衡的方法确定飞机的总体设计参数。
先进太阳能电池和储能系统
太阳能电池按基体材料的不同可分为：硅太阳能电池、化合物太阳能电池和有机太阳能电池。太阳能电池的性能，尤其是转换效率，是太阳能飞机基本性能的决定因素。近几十年来太阳能电池研究方面的进步很快，例如美国Solar Junction公司制造的三结叠层太阳能电池在418倍聚光条件下效率已达到43.5%。
表1 不同类型的蓄电池性能对比
除太阳能电池本身，太阳能电池在飞机上的施工工艺也是技术难点。通常太阳能电池既是产生电能的功能元件，同时又可作为飞机蒙皮的一部分承载部分气动载荷。过去的太阳能电池由于自身厚度薄、刚度差、易碎易裂，很难适应机翼上曲率变化大的部位。
当机翼受载变形时，电池可能严重受损。这就要求既要解决对太阳能电池的封装问题，又要为电池提供良好的铺设平台。为保证气动效率，太阳能电池不仅要保证安装时与飞机蒙皮共形，而且要保证在整个飞行过程中与蒙皮的紧密贴合，
所以太阳能电池的柔韧性也至关重要。
储能系统是太阳能飞机实现昼夜持续飞行的关键系统之一，目前在太阳能飞机上应用最成熟的主要有燃料电池和锂电池。虽然燃料电池的能量转换效率可以高达40%～50%，而且重量轻、符合环保要求，但由于燃料电池依赖燃料补充，无法满足长航时飞行对续航时间的要求，因此大多数太阳能飞机仍然采用高能量密度的锂电池来储备电能。
与其他电池相比，锂电池的能量密度大、电压高、自放电率低、循环使用寿命长、高温放电性能优于其他各类电池、不含有重金属有害物质，无环境污染等。表1为不同种类的蓄电池的性能对比。
尽管锂电池的能量密度已经很高，目前也只能满足电动推进系统的最低要求。因此，要满足高空长航时太阳能无人机的使用要求，储能器件还需有较大幅度的提高，另外，锂电池在高空低温环境下使用时的环境适用性也是需要解决的关键问题之一。
能源综合管理系统
高空长航时太阳能无人机通过太阳能电池将太阳能转化为电能，再通过锂电池或燃料电池的配合，以及相关电器附件，如功率转化器、电子调速器等设备的配合，驱动无刷直流电机和螺旋桨，为无人机提供动力，同时为机上的飞控、航电以及任务系统等设备提供能源。
由于供电和用电系统并存，而且大量不同用电品质的负载同时工作，因此，为了在有限的资源下最大程度地满足各单元的用电需求，需要通过能源综合管理系统实现对全机能源的管理分配和优化。通常对能源综合管理系统的要求有：实时接收飞行管理计算机给出的电力需求信息；实时探测太阳能电池、蓄电池的工作状态信息；根据测量信息对能源进行控制，满足不同阶段的能量需求：能够处理来自能源系统的突发故障情况等。
能源综合管理系统的主要作用就是实时监测各单元的能源供给和需求，并合理高效地进行能量分配，使得太阳能电池吸收转换的能量得到最好的利用。太阳能无人机的飞行过程可以概括为能量的收集、储存、管理和消耗的过程。在设计过程中, 需要通过能源综合管理系统优化结构，提高能源利用率。
“探路者”号太阳能飞机的桁架肋、圆管梁、薄膜蒙皮和太阳能电池。
完整的能源管理系统组成包括：地面站控制端、飞行控制模块、动力系统模块、电源系统模块、能源管理控制模块以及传感器模块等。地面站控制端将能源控制指令发射给机载计算机，机载计算机将无人机飞行的功率需求信息和能源控制指令以及传感器测量到的信息都传递给能源管理控制单元，能源管理控制单元将电力需求信息传递给电子调速器，以控制动力系统的功率输出，执行给定的能源管理控制策略，控制各个电源的输出以满足动力系统的需求。
责任编辑：solar_robot
