照亮临近空间的彩虹

文/孙 婧 本刊记者 胡利娟

照亮临近空间的彩虹

文/孙 婧 本刊记者 胡利娟

“近日，我国“彩虹”太阳能无人机成功完成2万米以上高空飞行试验，这使我国成为继美、英之后，第三个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家。”

2017年6月，中国国家通讯社新华社的这段短短电文，信息含量巨大。

临近空间是指高度20公里～100公里的空域，它比航天器的300公里以上运行高度要低，比一般飞行器的20公里以下飞行空域要高。临近空间空气稀薄，压力也小，除了极少数特殊用途的军用飞机，其他有人飞行器“不能上”；而航天器则“不能下”，导致人类在很长一段时间内没有充分重视和应用这个空域

无人飞行器则无需考虑临近空间的恶劣环境对人的生理影响，大量的生命维持系统和环境控制系统可以舍弃，在技术上直接跨越这一难关。

临近空间太阳能无人机研究最早的国家是航空技术第一大国——美国。美国在太阳能飞机方面的探索可追溯到20世纪70年代初。1974年11月4日，世界上第一架太阳能飞行器“日出”在加利福尼亚试飞成功。1980年，美国将太阳能飞机项目列入国家计划，并相继研制了“探路者”“太阳神”等方案研究型号。现在，美国国家航天局、美国国防部高级研究计划局及一些私营公司都在研制出临近空间太阳能无人机，技术水平瞄准世界前列。

例如著名网络巨头 Facebook。他们的太阳能 “天鹰座”无人机在2016年六月在亚利桑那州进行了为时96分钟的首飞，可惜“未能正常降落”。而经过调2017年的5月22日，“天鹰座”再次起飞，成功完成了起降实验，共飞行1小时46分钟。

另一网络巨头谷歌的太阳能无人机项目则刚刚宣布取消。综合ZDNET等多家美国科技新闻网站的报道，“谷歌X实验室”相关人士对媒体证实称，该机构已经终止了太阳能无人机的开发项目。

根据规划，这种高空无人机将会利用太阳能作为动力，在高空保持长期飞行，主要的使命是面向地球上的偏僻地区提供上网接入服务。

据报道，谷歌的上网无人机项目遇到了一些技术障碍，其中在2015年，一架试验飞机Titan Solara 50在新墨西哥州进行试飞时坠毁。

还有去年炒得火热的瑞士“阳光动力2号”太阳能动力飞机，它以环球飞行赚足了眼球。该机翼展超过波音747，远超Facebook的“天鹰座”，载员却只能容纳一人，且无任何高空飞行必须的增压设备。太阳能飞机的优势在于长时间续航性能，而连续几天甚至几个月不落地的飞行远远超越了人体生理极限，根本无法承受。所以“阳光动力二号”并无实际应用价值，只是环保宣传工具。

对比这些工商业巨头，中国太阳能无人机在无声中起步。

“彩虹”，这个装备品牌大家并不陌生。近年来，中国航天空气动力技术研究院研制的“彩虹”系列无人机在军民市场上大放异彩，“彩虹”察打一体系列无人机更是畅销十几个国家，历经无数战火考验，是国际军贸市场上的明星。

但很少有人知道，该机构自“十五”计划起，就已启动太阳能无人机领域的研究。

该工程前后经历了平台概念、小型验证机研制、关键技术研究、技术方案论证、结构样机试制和试验、技术验证机低空试飞等阶段。经过十余年坚持不懈的努力，太阳能无人机团队解决了总体、气动、结构、飞行控制、能源动力高效应用等关键技术难题，系统建立了太阳能飞行器的设计和试验方法。

“彩虹起点高，一‘出生’就站上了航空前沿。”彩虹无人机科技有限公司副总工程师贾永清说，航空技术发展最忌“一出生，就落后”。彩虹太阳能无人机虽是从“一张白纸”起步的，但一开始就向世界最先进水平看齐。

彩虹系列无人机总工程师石文表示，彩虹太阳能无人机的核心关键技术和设备已经全部实现国产化。该机载重能力不亚于美国同类太阳能无人机，它的诞生标志中国临近空间太阳能无人机技术已经跻身世界先进水平。

石文还表示，太阳能无人机能够实现长期不间断的持续飞行，若不考虑其部件的寿命，理论上可以“永久飞行”。彩虹太阳能无人机能飞到距地面20公里～30公里的临近空间，远超过普通飞机的飞行高度，可以替代卫星的某些功能，应用前景广阔。

临近空间太阳能无人机拥有长航时、低成本两大优势，常规长航时无人机无法比拟。它可以大范围、长时间留在空中，适合执行海洋监视、地面交通管制等任务。临近空间太阳能无人机可以作为“大气层卫星”，具备低轨道卫星的一些功能。太阳能无人机飞行高度比一般飞机高，续航时间长，在局部形成持续的监视、信息中继能力。与卫星的周期性访问相比，太阳能无人机可实现区域持久驻留，其执行监视任务的时间/空间分辨率更高，区域通信能力更强，且起降场地简单，发射及运行成本更低。

在民用方面，太阳能无人飞行器可以完成灾害监测、边境巡逻、空中和地面交通管理、通讯中继等任务。可以向信号覆盖地区提供电视和电信服务，以较低的成本代替通信卫星的功能。在发生地震、洪灾或森林火灾时，替代中断的通信，保持受灾地区与外界的联络。甚至，我们可以利用太阳能无人机建设“空中移动WIFI”基站，为偏远地区或海岛提供较为便捷、廉价和响应迅速的移动通信和互联网接入服务，避免传统光纤或微波传输的巨大建设、使用和维护成本，降低信息化门槛。

在军用方面，太阳能无人机可以搭载一些特殊的载荷用于国家安全领域。美国国防部高级研究计划局（DAPRA）就在研制名为“秃鹰”的临近空间太阳能无人机，目的是为美军提供持久的情报、监视、侦察和通信中继能力。

这一点，对于广阔海洋国土权益存在争端、部分陆地边界未定、军事强国环伺的中国来说，意义恐怕更为深远。

太阳能飞机作为全世界竞相研发的飞行器，各国之所以愿意投入巨资和人才资源，除了其拥有广阔的应用前景之外，还在于作为前沿科技产品，其技术和产业集成带动能力相当强大。

“依托彩虹太阳能无人机等项目的带动，并配套研发高强度轻质新材料、新型太阳能电池、新型储能手段等技术和产品，有助于进一步推动中国航空产业的发展。”石文说，未来我国太阳能无人机还将向超高空、超长航时、大型化、实用化方向发展，前景值得期待。

“日前首飞的彩虹太阳能无人机属于试验飞行平台，接下来，中国航天科技集团公司第十一研究院会做更多的试验，进一步验证临近空间太阳能无人机的相关技术。彩虹太阳能无人机下一步发展最关键的地方是实用化，也就是说成为一种能“干活”的无人机。国外预测，未来十年左右，临近空间太阳能无人机将实现实用化，我们也在加紧努力，早日让彩虹太阳能无人机进入实用阶段，造福于民。”

太阳能无人机作为航空科学技术与新能源技术结合的产物，具有广阔的应用前景，尤其是现阶段发展的“彩虹”，在补充卫星功能方面已向工程应用逐步接近，这让人类有理由相信，未来随着高效能源等相关技术的进一步发展，“永久飞行”的梦想终将实现，太阳能无人机这个高空“准卫星”将出现在我们生活的诸多领域。