混合动力将延长无人机的续航时间

蔡琰（中国航空工业发展研究中心）

美国空军研究实验室及海军研究实验室积极开展混合动力技术研究，旨在延长小型固定翼无人机的续航时间，利用其他能源来补充无人机的动力，提升无人机在未来战场的任务执行能力。

小型固定翼无人机通常以电池为动力，续航时间短。研制者正努力开发混合动力系统以延长小型无人机的续航时间，利用其他能源来补充无人机的动力。

AFRL开展混合动力技术研究

今年八月，洛克希德•马丁公司赢得了一份美国空军330万美元的小型新能源无人机合同。合同细节没有公布，但洛马公司将在美国空军研究实验室（AFRL）2010年启动的小型可再生能源无人飞行器（SURGE-V）项目的基础上开展研究工作。

小型可再生能源无人飞行器（SURGE-V）项目旨在开发以燃料电池为动力，可持续飞行4h、功能强大的便携式无人机。这项研究工作推动了技术进步，对燃料电池与无人机进行兼容性设计。虽然这种小型新能源无人机项目的目标性能值未被披露，但很可能远超原性能指标。

洛马公司已将部分研究成果应用到现有产品。最新型“沙漠鹰”小型无人机便使用了包括电池、氢燃料电池以及太阳能电池在内的多能源系统。由于“沙漠鹰”无人机采用模块化设计，其混合动力管理系统可承载多种电源的电压。

用户最理想的需求是，小型无人机的留空时间应该无限长。同时，也迫切需求多任务载荷功能，若无人机搭载体积更大的载荷则需要减少能源组件，利用节省的空间和减少的重量提升载荷能力。

洛马公司的最终目标是在小型战术无人机上加装机载可充电的能源装置，以实现无人机持续留空，减少无人机降落次数，但实现这个目标还有一段距离。

NRL开展混合动力技术研究

空军研究实验室与洛马公司开展项目合作的同时，海军研究实验室（NRL）也在与多家供应商合作开发小型多能源无人机。

太阳能技术

海军研究实验室的太阳能滑翔项目组正与多家光伏技术供应商合作，旨在研究不同厂家的光伏电池性能和能源集成的细微差别。NRL已利用同一架SBXC无人滑翔机，将不同供应商的光伏阵列板分别集成到机翼表面进行测试，这种即插即用的替换方式可以评估各种光伏电池的性能差异。

海军研究实验室在研的一个无人机型号使用了太阳能航空技术公司（SolAero Technologies）的新型倒置变形多节（IMM）太阳能电池。太阳能滑翔项目组在整个太阳能电池板曲面铺满了太阳能电池片，并将电池板与一架验证机的碳纤维复合材料机翼粘结一起。太阳能航空技术公司称，此种太阳能电池重量轻，光电转换效率高，机械柔性比以前使用的晶体硅太阳能电池更好。

海军研究实验室也在测试太阳能公司（SunPower）和阿尔塔设备公司（Alta Devices）生产的太阳能电池。后期系统的测试表明，在阳光充足的条件下，无人机使用太阳能电池巡航，可以完全不用电池提供动力，但这仅适用于飞行的部分阶段。虽然太阳能不会完全取代电池，但海军研究实验室的研究工作激起了开发者使用太阳能电池的广泛兴趣。

在项目初始阶段，并没有成熟的商用无人机满足海军研究实验室正在开展的太阳能滑翔项目的需求。学术界和工业界一直对太阳能电动无人机的商业化感兴趣。海军研究实验室的努力正在为学术界、工业界的研究拓宽范畴。

针对不同的应用场景，也许会采用混合动力的太阳能技术，因为高空、低空无人机对太阳辐射的吸收需求不同。

海军研究实验室正在对机翼上加装光伏电池的SBXC无人滑翔机进行测试。

自主滑翔及热气流自主定位技术

得益于海军研究实验室的热气流自主定位（ALOFT）项目，太阳能无人滑翔机项目同样采用自主飞行软件技术并充分利用大气中自然上升的热气流以补充能源。基于SBXC无人滑翔机技术，太阳能无人滑翔机每次能够自主定位大气中的热气流以及在下滑前利用热气流提供的能源保持飞行高度，可以完全不使用其他动力能源而留空数小时。

太阳能SBXC无人滑翔机最长的一次飞行记录是在飞行高度达到100m后，无其他能源提供动力的情况下，滑行了5.2h。如果没有滑翔能力，也许不到3min，无人机就会结束飞行。海军研究实验室正与一家工业界的合作伙伴对自主滑翔算法进行商业化开发，并同时集成太阳能技术。但项目开始阶段会有一定难度，因为自主滑翔算法会使无人机频繁倾斜飞行，降低了太阳能的吸收。

当无人机转向时，机翼上的太阳能电池板对阳光的吸收角度变差，甚至阳光被遮挡，降低了能量获取。但研究表明，自主滑翔能力可为无人机提供足够的能源，高于转向时太阳能电池板因吸收阳光不足所引起的能量损失。

一旦无人机通过自主滑翔达到足够的飞行高度，即可通过太阳能充电保持水平飞行，直至无人机下降到续航高度。太阳能和自主滑翔技术的有效结合，使无人机的性能指标超越了使用单一技术的性能指标。

SBXC无人滑翔机。

海军研究实验室经数次飞行验证，采用太阳能和自主滑翔技术组合的无人机，可完全从黎明到黄昏执行飞行任务。

目前，该研究项目正在开放海域进行自主滑翔飞行测试，已完成大西洋上空的试飞，期待明年在太平洋和大西洋上空进行长航时试飞。

（左上）“离子虎”无人机。

（左下）“混合虎”无人机的太阳能电池板。

燃料电池技术

除开展太阳能和自主滑翔技术研究之外，海军研究实验室也在推进燃料电池技术的研究。“离子虎”（Ion Tiger）无人机重16kg，最大续航时间48h，机翼加装太阳能电池板，采用自主滑翔算法，使用高能燃料电池和轻量化的储氢装置后，“离子虎”发展为海军研究实验室的新型“混合虎”（Hybrid Tiger）无人机，其续航时间至少达到84h。

研究表明，技术组合比单一技术将会更有效地延长小型无人机的续航时间，更利于传统的小型无人机执行通信中继、大面积测量、海洋监视等任务。数架采用混合动力技术的无人机以更低的成本，实现了广域飞行。这些新能源技术也可延长巡飞弹执行目标摧毁任务的时间和提升任务范围。

（右）“混合虎”无人机的各种部件。

美国海军研究实验室“混合虎”无人机项目组的科研人员。

未来几年，更先进的太阳能及滑翔技术将帮助无人机实现持续飞行。

技术的快速商业化将使其他国家以及非政府组织利用太阳能及滑翔技术提升无人机任务能力。伊斯兰国曾在叙利亚和伊拉克大量使用消费级无人机，相当精确地发射了40mm大小的手榴弹。令人吃惊的是，近期发现恐怖组织正在固定翼和多旋翼无人机上集成太阳能电池。虽然他们难以达到此领域的最高技术水平，但这也表明，他们开始认可混合动力技术的巨大潜力。毫无疑问，一旦技术条件成熟，这些恐怖组织必将升级他们的无人机。被提名美国防部部长助理的欧文•韦斯特警告称，未来五年内，恐怖组织的无人机将从中东横跨大西洋，对美国本土发起目标打击。 ■