第1章 绪论
本章绪论首先概述介绍太阳能飞行器，即太阳能飞行器的概念、主要特点等；并探讨了太阳能飞行器的预期应用前景；随后介绍国内外太阳能飞行器的研究进展，分为原型演示验证机的研究进展和理论研究进展；*后介绍本书的框架结构和主要创新点。
1.1 太阳能飞行器概述
光伏太阳能技术即通过太阳能光伏电池吸收太阳辐照，并将其转换成电能的技术。从20世纪70年代起，光伏太阳能技术被认为是人类获得可替代能源的一项革命性途径。然而，随着上一次能源危机逐渐离我们远去，人类对太阳能的兴趣骤然下降[1]。步入21世纪，随着社会的进步，人类对减少对化石能源的依赖，以及减少温室气体排放的呼声越来越高。由于太阳能飞行器以可再生的太阳能作为能源，因此再一次吸引了航空航天领域研究人员以及公众的广泛兴趣。从1974年，人类历史上第一架太阳能飞行器Sunrise I完成了首航，针对太阳能飞行器的研究就不断的进行着。与传统的飞行器不同，太阳能飞行器通过覆盖在机翼表面上的太阳电池，将太阳能转换成电能，所获得的能量用于满足飞行器白天飞行的能量需求，并将剩余的能量储存在二次储能电池中，当夜间到来时，储能电池将提供飞行器飞行所需的能量。太阳能所具有的环境友好和能量取之不尽、用之不竭的优点，正符合了当前全球化的环境主义精神即零排放和零污染等需求，因此太阳能飞行器在可预见的未来将会获得巨大发展[2]。
由于太阳能是取之不尽的能源，太阳能飞行器在高空长航时(HighA ltitude and Long Endurance，HALE)飞行领域具有巨大的应用潜力。太阳能飞行器可以设计飞行在临近空间，即高于传统的航空飞行器飞行空域且低于航天飞行器的飞行区域(20～100km)。此外，太阳能飞行器可以不间断的飞行在临近空间历时数月甚至数年，飞行时间将取决于飞行器系统的可靠性和太阳光辐照条件[3，4]。如此长的飞行时间，对传统的采用化石燃料的航空飞行器而言显然是不可行的。太阳能飞行器可以作为低轨道卫星的补充(即大气层内卫星，Pseudo Satellite)，且具有如下优点：飞行高度低、自由方便的部署调度、更高的对地空间分辨率、更高的对地观察时间分辨率(重复覆盖时间间隔短)，以及更低的研发、制造和使用成本[5]。太阳能飞行器亦可以作为高空气球，临近空间飞艇的替代品或补充，并具有如下优点：较高的机动能力、较强适应各种天气的能力，以及可以方便的部署和回收。与传统的低高度飞行的航空飞行器相比，太阳能飞行器具有如下优点：具有较高的飞行高度和较大的覆盖范围。上述比较表明，太阳能飞行器可以完成多样化的任务，在军用领域和民用领域具有广泛的应用前景，如：可以作为中继通信平台(Relay Communication)，情报/监视/侦察平台(Intelligence，Surveillance and Reconnaissance，ISR)，森林火灾早期预警(Wildfire Warning)，现代精密农业辅助(Precision Agriculture)，油气管道监视(PipeLine Monitoring)，陆地和海洋边界巡逻(Border Patrol)，环境污染和放射性灾害观察等。上述的应用任务中，许多工作环境是昏暗、肮脏、危险(Dull，Dirtyor Dangerous，DDD)[6]，这些工作往往是高风险和高成本的。
虽然太阳能飞行器有诱人的应用前景，太阳能飞行器是目前*尖端、*前沿的科学研究，且太阳能飞行器的可行设计域往往比较狭小。研究能在更高高度巡航且飞行时间更长的太阳能飞行器是该研究领域永恒追求的目标。其中*核心的问题和困难是，高高度空大气密度十分低，飞行功率需求高，而可获得的太阳能却并没有显著增加[7]。如20km高度的大气密度仅为海平面大气密度的十分之一[7]，因此用于支撑飞行器飞行的动压显著减小；*重要的是太阳能辐照的功率密度，以及储能电池的能量密度都远低于传统的内燃机和化石燃料。上述约束导致了太阳能飞行器只有十分狭小的设计空间。总而言之，太阳能飞行器较传统的航空飞行器是有较大技术难点的，主要集中在较小的翼载荷、较小的功率载荷，以及从始至终都紧缺的能源。因此从总体上看，太阳能飞行器需综合考虑大型轻质结构、太阳电池转换效率、储能电池能量密度，以及推进系统等，使之能实现能量闭环且获得更长时间飞行的能力。除此之外，我们应该考虑多学科因素，如能源、结构、气动系统等。上述这些学科往往是相互耦合的。为得到一个较优的设计，需要分析上述学科的敏感度和耦合关系，并采用多学科集成优化的思路和方法。
1.2 预期应用前景
1.2.1 ISR和中继通信
基于气体动力学的航空飞行器和基于轨道力学的航天飞行器，均会面临永恒的矛盾和权衡：即对地观测分辨率和瞬时覆盖面积的矛盾，一般地，飞行高度越高，对地分辨率越低，然而瞬时覆盖面积越大。临近空间(通常定义为20～100km高度的空域)飞行器，根据其范畴一般飞行在高于航空飞行器且低于航天飞行器的空域，因此弥补了航空飞行器飞行高度太低和航天飞行器飞行高度太高的不足，且进一步丰富了信息支援平台的选择范围[8]。太阳能飞行器是临近空间飞行器中*具发展前景的飞行器。由于采用取之不尽、用之不竭的太阳能，太阳能飞行器的理论续航时间是无限的，因此可以作为大气层内的卫星，在空中服役数年直至*后机械设备故障发生为止。传统航空飞行器中，全球鹰(Global Hawk)无人飞行器，能在18.2km的高空连续飞行数天，首次验证了HALE飞行和HALE飞行器的特点和优点。而太阳能飞行器Zephyr7在2010年14天的连续飞行，充分展示了太阳能飞行器的优势，并进一步点燃了人类永恒飞行的梦想。美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)的秃鹰(Vulture)计划，提出了能在空中实现长达5年飞行的太阳能飞行器，此续航时间几乎是大多现役卫星的设计寿命。太阳能飞行器所谓的高空飞行特性，是与传统的航空飞行器相比而言的。传统航空飞行器的典型飞行高度在10km以下，而太阳能飞行器则可以连续飞行在30km高度甚至更高。
太阳能飞行器的HALE飞行特性，吸引了尤其来自军方的广泛兴趣，它的首要应用需求就是用于情报/监视/侦察上述使用包括将太阳能飞行器嵌入C4ISR(Command，Control，Communications，Computers，ISR)系统中作为一个信息支援节点。当前已经有长航时航空飞行器(如GlobalHawk)用于ISR任务，尽管这些飞行器只能留空数小时或数十小时，并且消耗数以吨计的燃料。某些军用卫星平台，如美国的KH-11和KH-12[9]也已经广泛用于ISR任务中去。然而这些卫星平台都受限于基本固定的工作轨道，并只能提供断续的信息支援服务。要实现对同一个热点地区的连续观测，需要数颗卫星协同工作。此外，卫星的轨道可以简单的预测，而实现轨道转移尤其是异面轨道的转移将消耗大量的宝贵燃料。
上述的这些因素，导致卫星极容易受到非合作势力的攻击。近年来，基于轻于空气理论的浮空飞行器如高空飞艇(HAA)等也被寄予希望用于ISR任务，如洛克希德马丁(Lockheed Martin)公司的HAA飞艇等[10]。然而上述浮空飞行器通常具有十分庞大的体积，以致难以应付平流层的横风。此外浮空飞行器需要面临上升和下降过程中的体积变化等问题[11]。与之相反的是，太阳能飞行器能自由机动到指定的热点地区，缓慢的盘旋在当地上空，提供连续不间断的ISR信息，并且能以一个相对较高的对地分辨率，长时间覆盖一个相对较大的区域。图1.1展示了Heliplat飞行器飞行在20km的高空，能为直径约为300km的圆形地面区域提供信息支援服务；而为实现相同的效果，需要有5架中高空长航时无人飞行器协同工作，并且将要花费约是Heliplat飞行器4倍的成本。图1.2展示了7～8架Heliplat飞行器就足以覆盖整个南地中海，从西班牙至土耳其的广大区域[12，13]。太阳能飞行器同样受到来自民用部门的广泛兴趣，因为此类飞行器可以直接用于空中中继通信平台，如微波通信，高频通信和甚高频通信，此外还可以为蜂窝电话提供空中平台。相比传统的地面中继通信系统，太阳能飞行器可以覆盖更大的
图1.1 高高度飞行的优势[12]
图1.2 Heliplat为南地中海提供信息支援服务[13]
区域，而相比传统的卫星中继通信，太阳能飞行器可以更方便地部署展开。在2002年夏威夷的考艾岛(KauaiIsland，Hawaii)，美国航空航天局(NASA)开展了基于空中平台的无线电中继通信试验。将一套通信设备International Mobile Telecommunication 2000安装到太阳能飞行器Pathfinder Plus上，Pathfinder Plus飞行至20km的高空，该空中中继通信平台可以为超过200km半径的地面区域提供移动通信服务[14]。理论上，太阳能飞行器飞行至20km高空时可以为地面水平距离为500km的区域提供信息服务，而飞行至30km高度时，该服务区域可以扩大至600km[15]。
1.2.2 灾害预警救援和评估
自然灾害如森林火灾、洪水、地震、火山喷发、海啸、飓风等每年都在发生，并且影响和破坏人类的正常生活。2004年的印尼海底地震引发的海啸，夺去了来自14个国家230000人的生命。2008年的发生在中国四川的汶川大地震，夺去了69195人的生命。2013年11月，台风“海燕”袭击了菲律宾，根据国际红十字会(International Federation of Red Crossand Red Crescent Societies)统计，此次灾害共造成6183失去生命，318270个家庭流离失所。类似的大规模的灾害却年复一年的发生。
尽管我们不能阻止某些自然灾害的发生，但通过有效的提前预测并发出警告，可以大幅度减小上述自然灾害带来的损失。当前对自然灾害建模和仿真(如天气预报等)是广泛使用的灾害预测方法。然而上述自然灾害系统是多维非线性等十分复杂的系统，以致准确建模十分困难，甚至某些情况所建立的模型是不可信的。而原始直观的对灾害进行感知(如深入当地进行图像观测)仍然是极为重要的，且可信度比建模和仿真更高[16]。通过抵近观察获得灾害发生的信号，能产生早期预警，并以近乎实时的速度将其传递至地面控制人员。太阳能飞行器具有HALE飞行的能力，是用于上述早期预警的理想平台。通过在太阳能飞行器上安装光学/红外/雷达/多光谱等成像传感器，并将其部署在敏感区域。同时太阳能飞行器可以在空中自由机动到其他敏感地区。通过水平扫描获得关键的成像信息，进而获得敏感地区的完整观测报告。通过太阳能飞行器这个平台，当森林火灾发生时可以提供实时警报；当火山喷发或海啸发生时，可以跟踪其发展扩散的轨迹；当洪水发生时可以提供洪水蔓延的实时图像。近年来，科学家和工程师已经尝试使用高空飞行平台用于自然灾害的早期预警。例如在2007年，美国的DFRC和美国森林服务机构(US Forest Service)合作启动了Ikhana项目，目的在于使用MQ-9高空无人飞行器系统，用于监视西部各州的森林火灾[17]。图1.3展示了在上述任务中一次Castle Rock森林火灾的2D和3D视图。
在自然灾害发生的地区，通常都会伴随电力的中断。此外，当前的通信系统一般都是基于地面基站的蜂窝移动通信系统，上述系统在自然灾害发生时很容易被摧毁。对灾害发生地区的居民，通信和电力的中断往往是噩梦，并会进一步阻碍救援行动的展开。例如，在2008年汶川地震中，在8名空降兵着陆到重灾区映秀镇之前，人们还不知道那里发生了什么。未来，太阳能飞行器可以作为空中中继通信平台，可以向外界提供受灾地区的关键信息。在灾害救援的过程中，寻找幸存者，
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