导言
航空航天技能是20世纪初以来世界上开展最有目共睹的技能之一。现代飞机发动机运用的动力仍然是传统的石油产品“航空汽油”(用于航空活塞式发动机)和“航空火油”(用于涡轮喷气发动机)。飞翔于空中的航空发动机耗油量之大十分惊人，如波音747客机每小时耗油11吨。假如波音747从哈尔滨飞到广州，耗油约50吨。除了对有限的石油资源的很多耗费之外，喷气发动机残余物对大气的污染、噪声对生活环境的搅扰也是严峻的问题。
人们正在寻求航空新的绿色动力，例如太阳能用于飞机为航空动力供给了一条簇新的途径。太阳能飞机可不耗一滴油完结长期的飞翔，并且低成本，能够无偿地取得动力。
1 太阳能电池
早在一百多年前，人们就开端研讨光能发生电的效应。太阳能电池是通过光电效应或许光化学效应直接把光能转化成电能的设备。1958年美国研发成榜首块n/p型单晶硅太阳能光伏电池，并用于卫星的供电。太阳光照在半导体p-n结上，构成新的空穴-电子对，在p-n结电场的效果下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就构成电流。这便是光电效应太阳能电池的作业原理(图1)。太阳能电池的制造需一个杂乱的进程(图2)，因为晶体硅太阳能电池转化功率高、作业稳定性、寿命长、技能开展老练等优异特性，现在光伏市场上应用量最多。无人机关于太阳能电池在分量、厚度、柔性和功率方面提出了更高的要求。
2 太阳能无人机的发生
早在20世纪中叶人们就寻求规划一种以太阳辐射作为推动动力的飞机。太阳能飞机的动力设备由太阳能电池组、直流电动机、螺旋桨和操控设备组成。因为太阳辐射的能量密度小，为了取得满足的能量，飞机上应有较大的吸取阳光的外表积，以便铺设太阳电池。
世界上首架太阳能无人机由美国AstroFlight公司R.J. Boucher规划，无人机名叫“Sunrise I”。该机总分量为27.5Ibs，翼展32ft，共运用了4096块太阳能电池板，功率为450W。1974年11月4日，在美国加利福尼亚州试飞，无人机在100m左右的高度飞翔了大约20分钟。随后他又规划研发一个改善的太阳能无人机“Sunrise II”。该无人机总分量为22.5Ibs，翼展32ft，翼面积为90ft2，在1975年9月12日首飞，运用了新的太阳能电池板，比榜首架无人机上的电池板功率提高了14%，总功率已达600W。
3 太阳能无人机的关键技能
3.1 总体布局
太阳能无人机一般规划有大展弦比机翼，这样能够取得较大的升阻比(升力与阻力之比), 一方面在机翼上外表能够铺设更多的太阳能电池板，另一方面在承载无人机必要的分量情况下以减小阻力而削减动力动力(太阳能转化的电能)的耗费。
3.2 结构
为了削减能耗，太阳能无人机结构比一般无人机规划得更轻，一起要确保满足的强度。现在，结构(骨架、蒙皮)八成选用轻质非金属资料，其间首要承力结构一般选用碳纤维复合资料。碳纤维树脂复合资料不光分量轻，并且具有高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好等特色。
因为太阳能无人机的机翼长和结构轻，细长机翼结构的刚度小。无人机飞翔中的空气动力和无人机机体弹性结构之间会发生相互效果，这就叫作“气动弹性”。在较大飞翔速度下，无人机机翼上的气动力(包含气动力矩)和结构变形会越来越大，当飞翔速度大到必定值时就有或许发生“静气动弹性发散”或“颤振”，而导致机翼或机身开裂。美国前期的“太阳神”无人机就从前因机翼发生静气动弹性变形发散，而在空中崩溃。
因而，太阳能无人机的结构要精心规划，如可通过碳纤维铺层散布和铺层方向的优化规划，来战胜气动弹性(空气动力和弹性结构之间的相互效果)的不良影响和阵风呼应问题，避免无人机结构“气动弹性发散”和“颤振”的发生，避免或许导致结构变形发散而开裂。
3.3 适于无人机的太阳能电池
太阳能电池是太阳能无人机的动力来历。适于无人机的太阳能电池与日常用于光伏发电站和家用的太阳能电池不相同。无人机用的太阳能电池不光要求分量轻和厚度薄，并且需求有必定的柔性，以便于铺设在机翼或其他机体的外外表。
太阳能电池按结晶状况可分为两类：结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式。
太阳能电池按资料可分为：硅晶体电池(单晶、多晶、非晶硅) 、多元化合物薄膜电池 、聚合物多层润饰电极型电池、纳米晶电池。
现在太阳能飞机上运用的八成为薄膜单晶硅太阳能电池和柔性薄膜多元化合物电池(如：砷化镓薄膜电池 、铜铟镓硒薄膜电池等)。柔性薄膜太阳能电池的制备工艺十分杂乱，如多元化合物电池就需通过反应溅射、热蒸腾、清洗、激光切开和封装等精密加工进程。为了适于设备于无人机外表，太阳能电池需轻、薄和柔软，电池封装要具有极好的防水蒸汽功用，还需求具有抗紫外、抗磨损、抗老化等功用。
太阳能电池的功率是决议太阳能飞机动力和承载才能的根底。所谓太阳能电池板的转化功率是指电池输出功率密度与入射光功率密度之比，也便是必定面积的太阳能电池板吸收光能后能够转化为电能的功率。现在太阳能电池板的功率一般在10%-30%，因而要不断提高太阳能电池板的功率才有望减小飞机面积或添加承载分量。
3.4 太阳能无人机的夜间飞翔
太阳能无人机要完成昼夜接连飞翔，晚上没有太阳光要靠储能体系把白日吸收的太阳能转化的剩余电能存储起来(如锂电池)，以备夜间飞翔运用。夜间无人机飞翔要履行与白日不相同的飞翔形式。夜间飞翔，为了节省动力，一般采纳无动力“滑翔飞翔”和有动力飞翔相结合的方法。因为太阳能无人机具有大展弦比机翼和轻结构特色，因而具有优秀的滑翔才能。当无人机进行必定滑翔角飞翔时，因为相对气流发生的“迎角”，即便没有动力，也会发生必定的升力，然后节省能量。当然，太阳能无人机有必要具有先进的自主操控飞翔与导航才能。夜间飞翔还需求无人机规划有履行滑翔飞翔的主动操控程序和不同飞翔形式之间主动转化等功用。
3.5 太阳能无人机的电子体系
太阳能无人机与其他无人机相同都需求先进的电子体系。现在人们遍及承受美国在“无人机体系线路图”提出的概念，用“无人机体系(UAS：Unmanned Aircraft System)”代替本来的“无人机(UAV)”的提法。换句话说，一般咱们说“无人机”，应是对“无人机体系”的简称。无人机体系是指无人机空中渠道及与其配套的使命设备、数据链、地上测控站、起飞(发射)收回设备以及地上保证设备等的总称。
无人机的自主飞翔操控与导航体系包含集多种传感器与微处理器的操控、卫星导航接收机，履行飞翔器姿势操控和规划道路导航操控，现在向智能操控开展。
无人机信息传输体系广义上包含使命载荷传感器和信息传输。使命载荷是依据不同使命使命的微型飞翔器而规划的不同机载使命设备，如侦查设备、电子搅扰器、气体采集器、声响传感器和其它使命传感器。一般视觉传感器是无人机最基本的使命传感器。还包含对使命设备的操控，如使命设备滚动渠道，盯梢方针操控模块等。信息传输包含机载信息和地上信息的数据处理。
太阳能无人机因为飞翔时刻更长，以及要习惯昼夜飞翔和其他环境影响，因而对电子体系的功用和牢靠性要求更高。
4 太阳能无人机的开展
因为太阳能无人机具有长航时与无污染动力的长处，其开展遭到各国的注重。现在，太阳能无人机首要方案用于高空长航时侦查或监督，可在几万米空中接连昼夜侦查以部分代替侦查卫星的功用。比较闻名的太阳能无人机是美国NASA赞助AeroVironment公司研发的 “太阳神”号无人机。该机是矩形飞翼式布局，翼展75米，身长2.4米。装有65000片太阳能电池块，可供给40千瓦电能驱动14个螺旋桨，能以每小时30至50公里的巡航速度飞翔，通过10小时17分的飞翔，可到达22800米的高度。2013年美国Titan Aerospace公司推出两种solara太阳能无人机：50型和60型，方案接连飞翔5年。
还有别的一些大型的太阳能无人机如表1中所列。世界上多种小型太阳能无人机的研发愈加活泼，其间成功进行长航时飞翔实验的如表2所示。
英国“西风7”太阳能无人机，是现在实践接连飞翔最长的无人机，由3～4人手持起飞，最大飞翔高度能够到达40000米，续航时刻已到达35天，能够从18288米的高空，准确拍摄到巨细仅为25.4厘米的地上方针。
我国也有多个单位在研发多种太阳能无人机。图7是南京航空航天大学研发的 “灵翼”小型太阳能无人机，翼展有4.5米和6米两种，其间“灵翼”II型机翼还能够进行部分变形以添加太阳光的照耀强度。这两种无人机设备的是功用优秀的铜铟镓硒柔性薄膜太阳能电池，现已完成了仅依托太阳能的长期飞翔。
跟着对新动力的需求和太阳能电池技能的不断开展，太阳能飞机也会不断提高其飞翔才能和承载分量。太阳能飞翔器现已从无人机开展到太阳能载人飞机。由瑞士阳光动力公司研发“阳光动力2号”有人驾驭太阳能飞机正在进行举世飞翔。该飞机机翼上设备有1.7万块超薄高效的太阳能电池板，翼展72米，均匀时速为50～100千米，最大飞翔高度为8500米，分量为2300千克，乘员为一名飞翔员，可在白日和夜间接连飞翔，现在已完成接连飞翔80小时。“阳光动力”公司猜测，30多年后，能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运营。人类将真实完成无燃油环保飞翔的愿望。未来还能够在太空树立空间无人飞翔太阳能电站，源源不断地向地球供电。
