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太阳能无人机的关键技术主要有两种,一是要有效地将太阳能收集起来,并高效地转换为电能;二是解决夜间和太阳光微弱时的能源供应。太阳能无人机主要在20~30km高空飞行,仍然是大气层内飞行。阳光虽然比地表强烈得多,但仍然受到大气影响,比外层空间弱得多。由于从地面起飞,阳光受到大气层的影响更大。要想在这种条件下收集太阳能,必须要有高效的太阳能电池。另外,无人机的爬升慢,只有100m/min,爬升到巡航高度通常需要3h。经过不断努力,加利福尼亚太阳能动力公司研制的太阳能电池有了很大进步,其功率提高了14%。将太阳能转化为飞机动力由电动机实现,使用的是无电刷电动机,每个重5kg,在地面上的转速为200r/min;而在最大高度时增加到2000r/min。为保证无人机高空飞行的可靠性,采用了固定式螺旋桨。
太阳能无人机还必须解决夜间和阳光微弱时的能源问题,这是因为按照设计要求,太阳能无人机需要在空中飞行几个星期甚至几个月,经常会在夜间飞行。飞行高度不高,也可能遇到云对阳光的遮挡,阳光将很弱。如何解决在夜间和微光时的能源,是太阳能无人机必须解决的另一个技术问题。美国国家航空航天局采用了一种被称为“头盒”的技术,使这个问题得到解决。研究表明,锂铝电池不能满足飞机在整个夜间飞行时对能源的需要,而必须有一种能够提供200W/h的高能电池。这是一种长效燃料电池,通过氧和氢的反应进行发电,已经被一些航天器和汽车使用。为了满足无人机的需要,美国大气环境公司对这种电池进行了改进,使之具有还原性。也就是说使用后可以还原,又可再使用,只要飞机携带有液态氧气和氢气存储器,不断向电池输出液态氢气和氧气,电池就可为夜间飞行的无人机提供能源。掌握这种技术的有美国和法国等。据说,美国大气环境公司在研制这种可还原性燃料电池时,采用了特制的电解材料,从而使电池达到前所未有的水平。不过,这种电池的稳定性还不够好,尤其在高空低温的条件下有时不能正常工作,还有高空结冰等问题,有待进一步解决。美国国家航空航天局认为,这些问题要经过2~3年才能解决,到那时,太阳能无人机将可在20km以上高空连续飞行近百小时。
另外,太阳能无人机的控制也存在一定问题。由于它飞行高度高,连续飞行时间长,因此地面对其控制比对一般无人机困难。这可以通过预先输入的程序控制飞行来解决,只有在起飞和着陆时才需要地面控制站进行操纵。不仅如此,如果太阳能无人机与地面控制中心失去联系,飞机仍然有能力自行返航着陆。它还可装伞降系统和定位系统,以备应急时使用。
当前,除了美国外,还有一些国家也正在或计划进行太阳能无人机的研究。研制太阳能无人机的重要意义在于:它是太阳能在飞行器上应用可行性的具体尝试,从长远看,无人机在应用上有着更为广阔的发展空间,如高空长航时的太阳能无人机可用于资源勘察、环境监测、交通监管、通信平台、国界巡逻等。
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