第1章 绪论
1.1 研究背景
具有年量级持久区域驻留能力的临近空间太阳能飞行器可以替代卫星，执行持久监视、侦察、通信和环境监控等任务。由于此类飞行器具有持久区域巡航、可重复使用、低制造和使用成本、高观测分辨率，因此在军事和民用领域的应用需求日益迫切，已经引起了世界各主要航空大国的高度关注 [1]。近十多年来，太阳能飞行器在飞行高度、续航时间、载荷重量和自主控制能力方面获得了突飞猛进的技术进步 [2]。有代表性的飞行器有美国航空环境公司在美国国家航空航天局 (NASA)“ERAST” 计划中研制的 “探路者”(Pathfinder)、“探路者＋”(Pathfinder Plus)、“百夫长”(Centurion)、高空型太阳神原型机 (HeliosHP01) 及长航时型太阳神原型机 (Helios HP03)[3，4]；英国奎奈蒂克 (QinetiQ) 公司研制微风 (Zephyr 3～ Zephyr 7) 系列样机 [5，6]。“太阳神” 无人机在 2001 年 8月 13 日创造了 96863ft(1ft=3.048×10.1m) 的巡航飞行高度纪录；Zephyr 无人机(UAV) 在 2008 年 7 月实现飞行高度 62000ft、续航时间 82h 的高空长航时 (highaltitude long endurance，HALE) 飞行，Zephyr 7 型无人机则于 2010 年 7 月实现了 70000ft 飞行高度、14d 21min 的超长续航时间。其他在研的类似飞行器有美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 提出的 “秃鹰”(Vulture)[7]，意大利和英国联合开发的太阳能飞行器 “HELIPLAT”[8]，以及苏黎世瑞士联邦理工学院与欧洲宇航局合作设计的 “天空使者号” 和 NASA 研究中心研发的依靠太阳能源在金星上进行持续飞行的 Venus 飞行器 [9] 等。
这些太阳能飞行器的研制和试验，推动了太阳能飞行器高空长航时飞行的关键技术的进步，但人类至今没有一架太阳能飞行器能够实现真正意义上的高空长航时飞行。太阳能飞行器 Sky-sailor 的总设计师 Noth 博士 [10]，在总结了自 1973年以来历史上有纪录的近百架太阳能飞行器的总体设计参数后认为，太阳能飞行器设计中除了要考虑常规飞行器设计侧重的升重平衡和推阻平衡外，*为关键的是必须考虑飞行器昼夜能量平衡，因为太阳能飞行器只有在实现昼夜能量平衡的条件下才能实现真正意义上的高空长航时飞行。因此，太阳能飞行器实现高空长航时飞行的关键在于如何将白天获取的能量存储起来供夜间使用，以及飞行器除太阳能外，是否有可能从环境中获取其他能量。对于富余太阳能的存储，航空工程界通常采用储能电池来实现 [11]，但是由于短时间内难以突破的储能电池技术的限制，目前能够批量制造且性能稳定的锂–硫电池能量密度 (energy density) 也还不到 300W h/kg，即使在未来 10 年储能电池能量密度可能达到 350W h/kg 的条件下 [12]，太阳能飞行器能够保持昼夜持久巡航的*大飞行高度也只有 12km 左右 [13，14]，这与理想的 20km 的飞行高度相距甚远。在可预见的能源系统技术水平下，如何实现太阳能飞行器的高空长航时飞行已经成为当前航空界亟待解决的难题。
反观自然界，例如，鹰 (hawk)、军舰鸟 (frigate bird)、信天翁 (albatross)等鸟类可以在不扑动或极少扑动翅膀的情况下实现长距离甚至环球飞行 [16，17]，它们是从哪里获取的动力呢？又是如何将这些能量存储起来供持续使用的呢？在生物学家和航空学家的共同努力下，人们认识到，鹰、军舰鸟等是利用上升气流进行滑翔，它们通过爬升高度提高重力势能来存储上升气流提供的动能，然后通过重力滑翔飞向下一个存在上升气流的区域，进而实现持久飞行 [18]。而信天翁(图 1-1) 的飞行方式稍显复杂，通过近 130 年的研究，这一秘密才逐渐随着Science 的报道而被揭示出来 [19]。信天翁是利用海面上的大气环境中存在梯度风的特点，通过一种特殊的滑翔技巧从梯度风场中获取能量从而实现持续飞行，这一现象被称为动态滑翔 (图 1-2)。信天翁的翼展 2.5～3.5m，质量 8～10kg，展弦比 12～16，翼载荷与当前成功试飞的太阳能无人飞机接近。如果无人飞机能够像信天翁一样实现无动力长距离飞行，这将对飞行器的设计、发展和应用带来深刻变革及深远影响。
图 1-1 信天翁飞行图片 图 1-2 信天翁动态滑翔航迹 [15]
基于此种考虑，本书拟从仿生学、运动生物力学的角度，对鸟类依靠重力势能进行能量存储、梯度风进行能量提取的现象进行深入研究，分析太阳能飞行器采用重力势能储能和梯度风动态滑翔的方式，实现高空长航时飞行的条件和策略。本章研究利用重力势能和梯度风进行动态能量的存储与提取的基础科学问题，为解决太阳能飞行器高空长航时飞行过程中的能源供需矛盾提供一种新的思路和途径。
1.2 高空长航时太阳能飞行器研究概况
从太阳能电池问世以来，人们就梦想着采用这种用之不竭的能源作为飞行器动力，特别是近 20 年来，美国、英国、瑞士、意大利等国家，分别开展了以太阳能作为能源的高空长航飞行器计划。这些项目的开展，提升了总体设计水平，牵引了能源、推进、结构等行业的进步，有力地促进了太阳能飞行器的发展。但由于该类飞行器对特殊的飞行环境以及能源的苛刻需求，并受限于轻质结构及高效能源系统的发展水平，目前各方飞行器近期仍处于飞行演示验证阶段，且朝着更长航时、更高飞行安全性、更大载荷能力的方向发展，并且随着相关关键技术水平的不断发展，如储能电池比能的大幅提高、高性能复合材料的广泛应用，高空长航时太阳能飞机技术越来越趋于成熟。
1.2.1 “ERAST” 研究计划
1994 年，NASA 和工业部联合开展 ERAST 计划 [20]，旨在发展高空长航时无人机技术，用来验证相关载荷和用于大气研究的传感器的能力，解决无人机的验证和操纵问题，证明高空长航时太阳能飞行器在科学、市政和民用中的作用，促进美国无人机领域的蓬勃发展。对于 ERAST 联盟中的公司 (包括美国航空环境(Aerovironment) 公司等)，NASA 实施计划的方式是制定了 “共同研究协议”。
该计划共发展了五代太阳能飞行器，分别是 Pathfinder、Pathfinder Plus、Centurion、Helios HP01 及 Helios HP03。图 1-3 为 Pathfinder 到 HP03 的 5 个飞行
器的相关尺寸。
图 1-3 太阳神系列飞行器尺寸示意图
2000～2001 年，Helios HP01 通过结合新的航电设备、高空环空系统，以及新的太阳电池阵 (62000 个太阳能单元)，2001 年 8 月从太平洋导弹试验基地起飞，飞行器飞行到 96863ft(29.5km) 的高度，创造了飞翼飞行器持续水平飞行的高度纪录。
2003 年 6 月 26 日长航时原型机 Helios HP03 进行了试飞，如图 1-4 所示，但该飞行器在起飞后不久就在飞行试验中遭遇低空强湍流而解体 [21] (图 1-5)，此后项目终止。事后，NASA 对事故原因进行了详细的分析，结果认为从低空到高空的过程中，对流层复杂的环境条件是影响太阳能飞行器结构安全性的主要影响因素之一。此后，工作重点转移到再生能源系统和大型轻质结构等方面。
图 1-4 飞行中的 Helios HP03
图 1-5 Helios HP03 遭遇低空强湍流解体
1.2.2 “Zephyr” 研究计划
Zephyr 系列轻质高空长航时太阳能飞行器是由英国 BAE 系统公司 (由英国航空航天公司和马可尼电子系统公司合并而成) 和 QinetiQ 公司联合研制，目标是发展一种全天候高空远程自主飞行系统，可供军民两用 [22]。民用型可以执行地面监视 (如农作物调查、森林防火、水资源保护、边界控制等)、通信中继、遥感、地图测绘、大气遥感等任务；军用型将用于低成本的长期留空战场监控任务，预计将在 18km 以上的高空执行拍摄和数据转发任务，每次升空可以至少连续飞行3 个月以上。
Zephyr 无人飞行器计划先后发展了 Zephyr 2～Zephyr 7 六种主要型号。其中，Zephyr 7(图 1-6) 从 2010 年 7 月 9 日开始，连续飞行 336h 21min，飞行高度达到 21.6km，巡视了美国陆军位于亚利桑那州的尤马试验场。国际航空联合会(FAI) 的一名官员见证了 Zephyr 的航行过程，并确信其航行稳定，打破了多项世界纪录，包括其自己保持的*长时间无人飞行非官方纪录。在不停顿和不加油的情况下，Zephyr 比任何其他飞机的飞行时间要长。它超过了 Rutan Voyager 飞机1986 年创造的 9d 3min 24s 的连续飞行纪录。
图 1-6 Zephyr 7 太阳能无人飞行器系统
1.2.3 “Vulture” 研制计划
Vulture 计划是由 DARPA 在 2007 年启动的一个高空超长航时无人侦查飞行器项目 [7]。该项目要求无人飞行器系统能携带 450kg 任务载荷，5kW 电源，在20～30km 的同温层高空不经停地飞行 5 年，并在同温层的典型风力环境下 99％ 的时间能保持在预定航线上，从而为美国提供一种不依靠国外基地或维修站的长期监视能力，这种无人机虽然飞行速度很慢，但可以预先部署在站位上，随时对任务做出响应。本质上 “Vulture” 是种能够像卫星一样进行监视和通信中继的飞行器，但是它不受轨道力学的限制，可以在临近空间的高度上监视半径为 500km 的范围。同时，它在通信能力上可以给卫星带来 65dB 的改善，大大增加了机载传感器的分辨率。
DARPA 认为，研制这种大型太阳能无人飞行器的技术挑战是巨大的，包括系统可靠性、封闭能量循环、平台气动布局和结构效率，以及防止在临近空间长期飞行条件下的材料降解技术等。NASA 的 “太阳神” 太阳能高空无人机采用了在翼展长达 75m 的平直大展弦比机翼上装 65000 片太阳能电池板的布局。这种布局很适宜在阳光充足的夏威夷上空使用，即使在早晨阳光不是很强烈的时候，这些太阳能电池也可以为飞机提供 10kW 的电能，使飞机能够爬升，到中午时分，电池提供的电能高达 40kW，飞机能以 30～50m/s 的巡航速度飞行，而且有足够的电能储存用于晚上飞行。但是问题在于世界上大多数地方远离赤道，特别在高纬地区的冬季，四分之三的时间都是晚上，飞行的能量几乎都需要来自自身存储的能源，平直大展弦比机翼太阳能电池板的方案就很难适应这种环境的飞行需要。Vulture 计划于 2008 年 4 月 17 日开始第一阶段工作，NASA 分别和极光飞行科学公司、波音公司和洛克希德马丁公司签订了合同，要求他们各自提出概念设计方案。经过第一阶段的筛选，*终 DARPA 选择了波音公司和 QinetiQ 公司合作所制定的方案 “SolarEagle”，如图 1-7 所示。波音公司表示，他们的方案将和 QinetiQ 公司在 “Zephyr” 的技术上进行研制。2010 年 9 月，DARPA 授予波音第一期资助，计划在 2014 年开展飞行试验，试验飞行器展长约 120m，计划持续飞行时间超过 1 个月。
图 1-7 波音公司方案 “SolarEagle”
1.2.4 其他太阳能飞机研究计划
此外，瑞士、美国、意大利、英国等开展了中低空及小型太阳能飞行器计划，目前主要集中于长航时飞行验证阶段。
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