彩虹太陽能無人機(jī)“一飛沖天”

翼展45米、表面布滿太陽能電池板，造型奇特;未來一次飛行可達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，具備“準(zhǔn)衛(wèi)星”特點(diǎn);可充當(dāng)空中移動(dòng)WIFI基站、能高空實(shí)時(shí)監(jiān)視定位，應(yīng)用前景廣闊……前不久，我國彩虹太陽能無人機(jī)成功完成20000米以上高空飛行試驗(yàn)，使我國成為繼美、英之后，第三個(gè)掌握臨近空間太陽能無人機(jī)技術(shù)的國家。

太陽能無人機(jī)被稱為“大氣層衛(wèi)星”，不僅具備超高空飛行能力，而且因航時(shí)長、偵察范圍廣、生存能力強(qiáng)等特點(diǎn)，受到世界各國的關(guān)注。中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院一直從事飛行器空氣動(dòng)力綜合技術(shù)研究，這些年他們利用技術(shù)優(yōu)勢，將目光投向無人機(jī)領(lǐng)域，在推出彩虹系列察打一體無人機(jī)后，再次放飛了我國首架臨近空間太陽能無人機(jī)。具備完全獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽能無人機(jī)“一飛沖天”，成為中國“智造”的又一創(chuàng)新之作。

從“云下”到“云上”，“彩虹”跨越的不僅僅是高度

談到彩虹太陽能無人機(jī)，我們不妨首先看一組數(shù)據(jù)——

世界上最大的民航客機(jī)空客A380最大巡航高度：13000米;

美國最先進(jìn)的五代機(jī)F-22最大升限：19000米;

彩虹太陽能無人機(jī)飛行高度：20000-30000米。

從數(shù)據(jù)上可以看出，彩虹太陽能無人機(jī)明顯“高人一頭”，從“云下”到“云上”，飛上了一個(gè)新高度。

“彩虹”的“爬高”過程可不簡單。彩虹太陽能無人機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)伊始，研發(fā)團(tuán)隊(duì)便確立了超高空和長航時(shí)兩大目標(biāo)，讓“彩虹”在技術(shù)性能上達(dá)到甚至超越國外同類型無人機(jī)。

在裝備展示廳，筆者看到了彩虹太陽能無人機(jī)的模型。眼前的彩虹太陽能無人機(jī)造型奇特，整體設(shè)計(jì)簡約流暢，機(jī)翼像是一張加裝太陽能硅板的紙片。彩虹太陽能無人機(jī)總工程師石文介紹：“這種設(shè)計(jì)，是為了更好地提高無人機(jī)的升阻比，讓無人機(jī)飛得更高。”太陽能無人機(jī)完全依靠“吸收”太陽能維持飛行，如果白天“吃不飽”，晚上就會(huì)“餓肚子”，“飛得遠(yuǎn)”便是一紙空談。在一次飛行論證中，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，隨著緯度、海拔等條件變化，電池板吸收轉(zhuǎn)化太陽能的效率會(huì)發(fā)生改變，直接影響到無人機(jī)的飛行安全。

“萬米高空可沒有加油站。”石文對(duì)筆者說，能源問題是太陽能無人機(jī)研發(fā)過程中繞不過的“攔路虎”，研發(fā)人員多次對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，從外形的微小改進(jìn)到分系統(tǒng)的逐級(jí)優(yōu)化，最后利用高效率的太陽能電池板和輕質(zhì)高效的輸電電纜，延續(xù)了彩虹無人機(jī)的飛行時(shí)間。

載重能力超過國外同類型無人機(jī)、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、在軍民領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景……作為中國“智造”的最新成果，彩虹太陽能無人機(jī)憑借超高空、長航時(shí)兩大“法寶”，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

從構(gòu)思到首飛，中國“智造”追上了技術(shù)前沿

美國早在1980年便將太陽能無人機(jī)項(xiàng)目列入國家計(jì)劃，相繼研制出“探路者”“太陽神”等型號(hào)無人機(jī)。作為當(dāng)今太陽能無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)先國家，英國在2007年試飛的“微風(fēng)”無人機(jī)，空中飛行時(shí)間達(dá)到54個(gè)小時(shí)，飛行高度超過15000米。

在航空領(lǐng)域有一種說法，航空技術(shù)發(fā)展最忌諱“一出生，就落后”。

話雖這么說，但15年前太陽能無人機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)不得不面對(duì)技術(shù)層面上的一片空白。

國外的技術(shù)拿不來、學(xué)不到，“彩虹”又是如何完成追趕，在太陽能無人機(jī)領(lǐng)域占據(jù)一席之地的?

對(duì)于這個(gè)問題，全程陪伴“彩虹”成長的石文最有發(fā)言權(quán)。他把十幾年的心血全部傾注在“彩虹”項(xiàng)目上，親歷了“彩虹”研發(fā)背后的種種艱辛。

“為了讓‘彩虹’順利‘出生’，我們進(jìn)行了大量試驗(yàn)和論證。”回想起那段歲月，石文感慨地說，他們從飛機(jī)外形到內(nèi)部設(shè)計(jì)，甚至每一個(gè)細(xì)小零部件都要建立規(guī)劃圖和計(jì)劃表，保證技術(shù)參數(shù)全部達(dá)標(biāo)。

第一架小型驗(yàn)證機(jī)雖然只安裝了2個(gè)螺旋槳，但成功解決了如何“上天”的問題。“上天”看起來不難，但對(duì)彩虹太陽能無人機(jī)來說并非一帆風(fēng)順。理論分析、建模仿真……盡管之前做了大量準(zhǔn)備工作，但在變幻莫測的高空環(huán)境下依舊會(huì)出現(xiàn)很多無法預(yù)料的情況，即使是突如其來的一陣風(fēng)，也會(huì)讓研發(fā)人員“心驚肉跳”。

石文清楚地記得，2013年，驗(yàn)證機(jī)在低空強(qiáng)紊流飛行時(shí)經(jīng)常左搖右晃。為了解決這個(gè)問題,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在理論和工程層面展開艱難攻關(guān),歷時(shí)一年多,解決了無人機(jī)在復(fù)雜氣象條件下精確控制的問題,不但讓飛機(jī)飛了起來，還飛得高、飛得穩(wěn)。

從平臺(tái)概念發(fā)展到小型驗(yàn)證機(jī)，翼展從10米擴(kuò)展到45米，在百余次飛行試驗(yàn)和后期改進(jìn)中，研發(fā)人員積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗(yàn)，并逐步建立完善了太陽能無人機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案。“未來彩虹太陽能無人機(jī)還將向超高空、超長航時(shí)、大型化、實(shí)用化方向發(fā)展，前景值得期待。”石文說。

從“滿載”到“減負(fù)”，真正的“高大上”是高效實(shí)用

穿過林蔭小路，筆者來到一座半透明的玻璃廠房前，在這里終于看到彩虹太陽能無人機(jī)的真面目。整架無人機(jī)沒有蒙皮和鉚釘，機(jī)身全部用一種塑料薄膜包裹。石文對(duì)筆者說：“這種特殊的薄膜看似薄如蟬翼，但具備防熱、防壓、防紫外線等功能，大大提高了無人機(jī)在臨近空間的生存能力。”

“我們研制無人機(jī)不是用來挑戰(zhàn)極限數(shù)據(jù)，而是為了高效實(shí)用。”石文說，經(jīng)過科學(xué)的論證和試驗(yàn)，他們對(duì)無人機(jī)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行“減負(fù)”，讓彩虹太陽能無人機(jī)飛起來更加輕盈。

從“滿載”到“減負(fù)”，石文形容在做一道“算術(shù)題”。彩虹太陽能無人機(jī)受到飛行重量的制約，要想搭載更多的任務(wù)載荷，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)每個(gè)零部件的重量“錙銖必較”，盡可能地減少無人機(jī)的自身重量。

每個(gè)零部件重量減少數(shù)克至數(shù)十克，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)有幾十公斤的“減負(fù)”。這種精益求精的設(shè)計(jì)理念，在彩虹太陽能無人機(jī)身上處處得到體現(xiàn)：機(jī)翼上布滿成千上萬塊小晶體硅太陽能電池，每一塊都經(jīng)過研發(fā)人員的精心設(shè)計(jì);機(jī)翼與螺旋槳之間一根普通的連接桿，濃縮了十幾項(xiàng)技術(shù)專利;連接機(jī)身和垂尾的尾撐有十幾米長，普通人一只手便可輕松提起……

科技的進(jìn)步，最終目的是要服務(wù)人類。只有找準(zhǔn)應(yīng)用市場，才有持續(xù)發(fā)展的空間和潛力。根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，彩虹太陽能無人機(jī)未來將具備“準(zhǔn)衛(wèi)星”的特點(diǎn)，作為空中平臺(tái)，提供持久的數(shù)據(jù)中繼和4G/5G通信，部分替代通信衛(wèi)星功能，實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋的不間斷態(tài)勢感知、中繼通信服務(wù)。

作為國內(nèi)知名的軍工研究院，“民用反哺軍用”是研發(fā)團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持的發(fā)展方向。如何讓彩虹太陽能無人機(jī)乘著軍民融合的“東風(fēng)”飛向軍營?石文告訴筆者，外軍給他們提供了一些經(jīng)驗(yàn)。2009年，美國國防部啟動(dòng)了“禿鷲”項(xiàng)目，計(jì)劃研制一種續(xù)航時(shí)間為5年的太陽能無人機(jī)，可以執(zhí)行情報(bào)偵察、監(jiān)視和通信中繼等軍事任務(wù)。

目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將太陽能無人機(jī)作為功能平臺(tái)，把加裝水文、氣象、通信、監(jiān)視等功能模塊列入規(guī)劃。在軍民領(lǐng)域，彩虹太陽能無人機(jī)未來應(yīng)用前景廣闊。