一、太陽能無人機概述

近年來，隨著飛控、導航、氣動等技術的快速發展，無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）被廣泛用于前沿的工業、商業等領域，無人機的種類也越來越多、越來越精分細化，并且發展速度異常強勁。太陽能無人機作為一種能源綠色環保的無人飛行器，憑借自身獨特的性能優勢，得到了國內外眾多工程師的青睞與研究。太陽能無人機的特點是通過太陽能提供能源，來增加自身的續航時間，使其可在廣闊的區域內進行長時間作業，功能相當于空中衛星。近年來，太陽能無人機在眾多領域都發揮著重要的功能，例如，有些國家把太陽能無人機用在天氣預測、高空巡視監管、自然環境監測、應急搶險救災、移動通信、網絡服務以及地形測繪等?，F階段，越來越多的國家都積極投身于發掘與探索太陽能無人機，以期在未來無人飛行器研究領域占得一席優勢地位。

目前，關于太陽能飛機的相關研究雖取得了一定的階段性成果，但對飛機的氣動特性、結構重量、強度等方面的要求愈加苛刻，這無疑給太陽能無人機的設計帶來了更大的挑戰，從而迫使其在材料選擇和結構設計上做出進一步的改變。

復合材料的明顯優點是質量輕、有較高的比強度和比剛度，現已成為航空領域中必不可少的材料，也是無人機結構減重的最佳選擇。復合材料與其它結構材料最大的不同是它可以進行更多復雜的設計，具體表示為通過不同的鋪疊方式來實現。

世界上第一架以太陽能為動力的無人機“Sunrise I”誕生于美國，開啟了人類歷史上對太陽能無人機研究的序幕。隨著時間的推移，越來越多國家的研究者發現無人機可以通過太陽能來實現長時間飛行的重要性，此后英國、意大利、瑞士、中國等國家也相繼開始對太陽能無人機展開相關研究。

2019 年，瑞士制造的 “陽光動力” 2 號太陽能無人機如圖 1.1 所示，經過一系列優化改造再次完成了飛行測試，它比之前其它類型的太陽能無人機更大、更重，有著 72 米展長的機翼，整個翼面鋪滿了 2KW 的太陽能電池板，其飛行高度可達 14,000 米，飛機負載重量達 362 千克，可以持續飛行 30-90 天，飛行時間由實際的緯度，陽光的強度和太陽能電池板產生的能量決定。飛機主要用于科學研究及環保監測，包括大氣探測及通信中繼等，也可在自然災害期間提供環境檢測和地理空間測繪的支持。

2020 年 2 月，英國某公司開發了一款翼展長達 35 米的新型太陽能無人機，并在某試 驗基地完成了首次飛行測驗，如圖 所示為 PHASA-35 無人機。它具備飛行高度高和續 航時間久的特點，依靠自身的電池壽命和光電轉換技術可在高度為 21 千米的空中持續飛 行數月，整機總重可達 150 千克，并且可以額外裝載 15 千克的通用設備，整體機身采用 了特殊的復合材料。在高空作業時具有較高的靈活性，可在特殊緊急情況下迅速取得聯絡，也能為偏遠山區提供網絡服務。此無人機可在平流層飛行，并且不受天氣和空中交通管制影響，因此可以在一個特定區域內進行長時間觀測。

2020 年 8 月，韓國某研究所研制了一種大展比輕質太陽能無人機，并在本土完成了空中飛行測試。如圖 1.3 所示為 EAV-3 號太陽能無人機，其翼展為 20m，機身為 9m，機翼表面鋪覆了大量的太陽能電池板。它的飛行高度為 22 千米，創造了韓國無人機在平流層飛行高度的歷史記錄，并且擁有超高輕的強度結構。

2021 年 9 月，空客公司的新型西風系列太陽能無人機通過不斷升級改造，順利的結 束了最新一輪的飛行工作，其翼展為 25m，整個翼面幾乎全部鋪覆太陽能電池板，“西風” S 號太陽能無人機在高空巡航時如圖 1.4 所示，其搭載了先進的系統載荷且具有更優態勢 感知的作戰價值，此次它的飛行高度為 23，000 米，創造了無人機飛行高度新的世界紀錄， 也預示著太陽能無人機相關研究取得了重大進展。

目前，國內對太陽能無人機的探索大部分集中在高校和科研院所，標志的有西工大的“魅影”號、南航的“靈翼”號、航天十一院的“彩虹”太陽能無人機等，大部分針對可持續飛行相關問題進行研究，并且近年來都取得了些許成果。

三、復合材料在太陽能無人機中的應用

先進復合材料以其特有的優良性能在航空航天領域的結構設計中被廣泛使用，尤其是近年來，隨著工業制造的迅速發展、研究方法的不斷深入、技術成型工藝逐漸成熟以及高科技設備的挖掘使用，使復合材料的整體性能大大提高，并且其成本與金屬材料相比也在逐漸降低。

起初，復合材料主要用于小型非主體結構，隨著復合材料的特性和優勢的發展，越來越多的復合材料被用于制造大型主承力部件，如今，復合材料被用于飛行器的整體結構上，反映了當今航空工業中復合材料先進的結構設計與制造水平。

在國外，新型 F-22 飛機整體結構使用的超輕復合材料超過了 24%；歐洲國家研發的“惡魔”無人機，其主要受力部件全部由復合材料制成，此外，波音 787 飛機的復合材料使用約占 52%。2015 年 1 月，由 ArcturusUAV 公司設計和制造的 T-20 固定翼無人機如圖1.8 所示，機身整體使用復合材料夾芯結構形式，使整體結構重量顯著降低。

復合材料是無人機結構中常用的材料，在減輕機體重量、增加有效載荷、提升飛行時長等方面占據著重要地位，比如著名的 “全球鷹”大展比無人機，整體使用的復合材料約為 65%，它代表了現階段大展弦比無人機中復合材料的應用趨勢。

由 Facebook 公司開發的 Aquila 無人機如圖 1.9 所示，它是一種全碳纖維復合材料的太陽能無人機，已成功完成了兩次飛行試驗，其目標是用一種全新的設計打破未來無人機的續航時間，此設計最大限度地借助了先進復合材料的優勢。

四、市場現狀

國際太陽能無人機的發展至今經歷了4個主要階段，目前正在努力朝著第5個階段——全面應用階段發展，即機體、能源系統、動力系統、任務系統都能實現很長的使用壽命，太陽能無人機將擁有長達數月乃至數年的留空能力。

我國雖然發展時間短，但在國家的重視下，同樣碩果累累，已在太陽能無人機市場上占有一席之地。2015年問世的墨子號，由上海一家公司與同濟大學聯合研制，該機翼展14m，太陽能電池板鋪設面積約10m2，有效載荷7kg，于2016年順利首飛?！安屎纭盩4環保型太陽能無人機的誕生，意味著我國成為世界上除了美國之外，第二個能夠研制超長航時太陽能無人機的國家。其采用太陽能作為動力源，最大特征是續航時間長和巡航高度高。

太陽能無人機兼具航空飛行器和航天飛行器的部分優點，具有高空飛行、持久留空、質量輕、節能環保、使用維護費用低，方便靈活的特點，飛行于臨近空間，堪比“準衛星”，可以作為低軌道人造地球衛星的替代方案，提供比目前低地球軌道衛星更經濟、更通用的各種服務。從國內外太陽能無人機的發展成果和應用規劃看，其不僅在通信網絡領域具有廣闊的前景，在巡視監測、探測預警、情報收集及其他軍民領域也將發揮重大作用。2020年我國太陽能無人機市場規模為22359萬元，2022年我國太陽能無人機市場規模32331萬元。

五、小結

隨著技術進步，太陽能無人機（UAV）成為研究焦點，特別是其在長時間飛行和環保方面的潛力。本文概述了太陽能無人機的發展歷程、設計挑戰、以及在減輕結構重量、提升飛行時長等方面復合材料的關鍵作用。介紹了多個國家在太陽能無人機領域的研究進展，包括瑞士的“陽光動力2號”、英國的PHASA-35等，并強調了中國在這一領域取得的成就。太陽能無人機以其高空飛行、持久留空的特點，被視為低軌道衛星的替代方案，預示著在通信、監測、探測等多個領域的廣闊應用前景。