混合動力將延長無人機的續(xù)航時間

蔡琰（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心）

美國空軍研究實驗室及海軍研究實驗室積極開展混合動力技術(shù)研究，旨在延長小型固定翼無人機的續(xù)航時間，利用其他能源來補充無人機的動力，提升無人機在未來戰(zhàn)場的任務(wù)執(zhí)行能力。

小型固定翼無人機通常以電池為動力，續(xù)航時間短。研制者正努力開發(fā)混合動力系統(tǒng)以延長小型無人機的續(xù)航時間，利用其他能源來補充無人機的動力。

AFRL開展混合動力技術(shù)研究

今年八月，洛克希德?馬丁公司贏得了一份美國空軍330萬美元的小型新能源無人機合同。合同細節(jié)沒有公布，但洛馬公司將在美國空軍研究實驗室（AFRL）2010年啟動的小型可再生能源無人飛行器（SURGE-V）項目的基礎(chǔ)上開展研究工作。

小型可再生能源無人飛行器（SURGE-V）項目旨在開發(fā)以燃料電池為動力，可持續(xù)飛行4h、功能強大的便攜式無人機。這項研究工作推動了技術(shù)進步，對燃料電池與無人機進行兼容性設(shè)計。雖然這種小型新能源無人機項目的目標性能值未被披露，但很可能遠超原性能指標。

洛馬公司已將部分研究成果應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品。最新型“沙漠鷹”小型無人機便使用了包括電池、氫燃料電池以及太陽能電池在內(nèi)的多能源系統(tǒng)。由于“沙漠鷹”無人機采用模塊化設(shè)計，其混合動力管理系統(tǒng)可承載多種電源的電壓。

用戶最理想的需求是，小型無人機的留空時間應(yīng)該無限長。同時，也迫切需求多任務(wù)載荷功能，若無人機搭載體積更大的載荷則需要減少能源組件，利用節(jié)省的空間和減少的重量提升載荷能力。

洛馬公司的最終目標是在小型戰(zhàn)術(shù)無人機上加裝機載可充電的能源裝置，以實現(xiàn)無人機持續(xù)留空，減少無人機降落次數(shù)，但實現(xiàn)這個目標還有一段距離。

NRL開展混合動力技術(shù)研究

空軍研究實驗室與洛馬公司開展項目合作的同時，海軍研究實驗室（NRL）也在與多家供應(yīng)商合作開發(fā)小型多能源無人機。

太陽能技術(shù)

海軍研究實驗室的太陽能滑翔項目組正與多家光伏技術(shù)供應(yīng)商合作，旨在研究不同廠家的光伏電池性能和能源集成的細微差別。NRL已利用同一架SBXC無人滑翔機，將不同供應(yīng)商的光伏陣列板分別集成到機翼表面進行測試，這種即插即用的替換方式可以評估各種光伏電池的性能差異。

海軍研究實驗室在研的一個無人機型號使用了太陽能航空技術(shù)公司（SolAero Technologies）的新型倒置變形多節(jié)（IMM）太陽能電池。太陽能滑翔項目組在整個太陽能電池板曲面鋪滿了太陽能電池片，并將電池板與一架驗證機的碳纖維復合材料機翼粘結(jié)一起。太陽能航空技術(shù)公司稱，此種太陽能電池重量輕，光電轉(zhuǎn)換效率高，機械柔性比以前使用的晶體硅太陽能電池更好。

海軍研究實驗室也在測試太陽能公司（SunPower）和阿爾塔設(shè)備公司（Alta Devices）生產(chǎn)的太陽能電池。后期系統(tǒng)的測試表明，在陽光充足的條件下，無人機使用太陽能電池巡航，可以完全不用電池提供動力，但這僅適用于飛行的部分階段。雖然太陽能不會完全取代電池，但海軍研究實驗室的研究工作激起了開發(fā)者使用太陽能電池的廣泛興趣。

在項目初始階段，并沒有成熟的商用無人機滿足海軍研究實驗室正在開展的太陽能滑翔項目的需求。學術(shù)界和工業(yè)界一直對太陽能電動無人機的商業(yè)化感興趣。海軍研究實驗室的努力正在為學術(shù)界、工業(yè)界的研究拓寬范疇。

針對不同的應(yīng)用場景，也許會采用混合動力的太陽能技術(shù)，因為高空、低空無人機對太陽輻射的吸收需求不同。

海軍研究實驗室正在對機翼上加裝光伏電池的SBXC無人滑翔機進行測試。

自主滑翔及熱氣流自主定位技術(shù)

得益于海軍研究實驗室的熱氣流自主定位（ALOFT）項目，太陽能無人滑翔機項目同樣采用自主飛行軟件技術(shù)并充分利用大氣中自然上升的熱氣流以補充能源。基于SBXC無人滑翔機技術(shù)，太陽能無人滑翔機每次能夠自主定位大氣中的熱氣流以及在下滑前利用熱氣流提供的能源保持飛行高度，可以完全不使用其他動力能源而留空數(shù)小時。

太陽能SBXC無人滑翔機最長的一次飛行記錄是在飛行高度達到100m后，無其他能源提供動力的情況下，滑行了5.2h。如果沒有滑翔能力，也許不到3min，無人機就會結(jié)束飛行。海軍研究實驗室正與一家工業(yè)界的合作伙伴對自主滑翔算法進行商業(yè)化開發(fā)，并同時集成太陽能技術(shù)。但項目開始階段會有一定難度，因為自主滑翔算法會使無人機頻繁傾斜飛行，降低了太陽能的吸收。

當無人機轉(zhuǎn)向時，機翼上的太陽能電池板對陽光的吸收角度變差，甚至陽光被遮擋，降低了能量獲取。但研究表明，自主滑翔能力可為無人機提供足夠的能源，高于轉(zhuǎn)向時太陽能電池板因吸收陽光不足所引起的能量損失。

一旦無人機通過自主滑翔達到足夠的飛行高度，即可通過太陽能充電保持水平飛行，直至無人機下降到續(xù)航高度。太陽能和自主滑翔技術(shù)的有效結(jié)合，使無人機的性能指標超越了使用單一技術(shù)的性能指標。

SBXC無人滑翔機。

海軍研究實驗室經(jīng)數(shù)次飛行驗證，采用太陽能和自主滑翔技術(shù)組合的無人機，可完全從黎明到黃昏執(zhí)行飛行任務(wù)。

目前，該研究項目正在開放海域進行自主滑翔飛行測試，已完成大西洋上空的試飛，期待明年在太平洋和大西洋上空進行長航時試飛。

（左上）“離子虎”無人機。

（左下）“混合虎”無人機的太陽能電池板。

燃料電池技術(shù)

除開展太陽能和自主滑翔技術(shù)研究之外，海軍研究實驗室也在推進燃料電池技術(shù)的研究?！半x子虎”（Ion Tiger）無人機重16kg，最大續(xù)航時間48h，機翼加裝太陽能電池板，采用自主滑翔算法，使用高能燃料電池和輕量化的儲氫裝置后，“離子虎”發(fā)展為海軍研究實驗室的新型“混合虎”（Hybrid Tiger）無人機，其續(xù)航時間至少達到84h。

研究表明，技術(shù)組合比單一技術(shù)將會更有效地延長小型無人機的續(xù)航時間，更利于傳統(tǒng)的小型無人機執(zhí)行通信中繼、大面積測量、海洋監(jiān)視等任務(wù)。數(shù)架采用混合動力技術(shù)的無人機以更低的成本，實現(xiàn)了廣域飛行。這些新能源技術(shù)也可延長巡飛彈執(zhí)行目標摧毀任務(wù)的時間和提升任務(wù)范圍。

（右）“混合虎”無人機的各種部件。

美國海軍研究實驗室“混合虎”無人機項目組的科研人員。

未來幾年，更先進的太陽能及滑翔技術(shù)將幫助無人機實現(xiàn)持續(xù)飛行。

技術(shù)的快速商業(yè)化將使其他國家以及非政府組織利用太陽能及滑翔技術(shù)提升無人機任務(wù)能力。伊斯蘭國曾在敘利亞和伊拉克大量使用消費級無人機，相當精確地發(fā)射了40mm大小的手榴彈。令人吃驚的是，近期發(fā)現(xiàn)恐怖組織正在固定翼和多旋翼無人機上集成太陽能電池。雖然他們難以達到此領(lǐng)域的最高技術(shù)水平，但這也表明，他們開始認可混合動力技術(shù)的巨大潛力。毫無疑問，一旦技術(shù)條件成熟，這些恐怖組織必將升級他們的無人機。被提名美國防部部長助理的歐文?韋斯特警告稱，未來五年內(nèi)，恐怖組織的無人機將從中東橫跨大西洋，對美國本土發(fā)起目標打擊。 ■