史上最驚豔無人機，以太陽能為動力，NASA腦洞大開之作

它是美國NASA的腦洞大開之作 以太陽能爲動力 具備在2萬米以上的高空巡航 以及連續進行超長航時流空飛行的能力 理論上呢 可以在空中飛行數個月 而且不需要補充任何燃料 今天大兵來和各位聊一聊美國的這款太陽神無人機 在航空航天領域呢 有這樣一款飛行器被稱爲永不着陸的飛機 從理論上看呢 它可以一直持續飛行 而不依靠地面提供能源 它就是太陽能無人機 該機呢 是以太陽輻射爲能源 並結合蓄電池 從而實現高空長航式飛行的飛行器 在白天呢 太陽輻射通過太陽能電池板轉爲電能 一部分用於飛行 一部分儲存在蓄電池中 到了夜間 再通過蓄電池釋放的電能 持續驅動飛機飛行 依次往復 就能實現不間斷飛行 該飛機呢 具有飛行高度高 流空時間長的優勢 世界上第一種太陽能無人機是美國研發的日出一號 該機呢 共裝有4096塊單晶硅太陽能電池板 輸出功率450瓦 在1974年11月在加州成功首飛 飛行高度達到152米 這次首飛標誌着人類太陽能飛行時代的來臨 此後呢 世界各國都對太陽能無人機的技術進行了深入研究 而我們今天要講的太陽神無人機呢 正是其中的佼佼者 該機的外形尺寸已經達到了創紀錄的水平 僅一展就有75米 超過了美軍現役最大的一展68米的c5運輸機 它的機身採用碳纖維複合材料製造 其外形看起來就像是一根飄在空中的絲帶 那麼美國究竟是如何研發出這款造型奇特的無人機呢 溫馨提示 下面關於設計這一段的內容比較硬核 大家可以提前保存或者分享 話不多說 咱們接着往下看 一般來說 一架簡單的飛機的設計 基本上可以分爲氣動外形設計 結構設計 動力系統設計 飛控設計 這四大重點設計 其他的部件以及細節設計 相對來說呢 都是以上四個重點的附屬 由於太陽神無人機主要是依靠太陽能做能源 使用電機驅動 而且目標是實現高空長航時 所以該機的飛行速度並不快 NASA爲了提高升足比 將太陽神做成了直的不能再直的平直機翼 這是由於太陽神呢 需要在機翼鋪設太陽能電池板 它並沒有像一般的平直機翼那樣 會使用0.4到0.5的哨根比來降低誘導阻力 這樣會導致鋪設困難 而且降低鋪設面積 再加上該機內長達75米的機翼 使其展顯比高達31.3 一般的展顯比超過10的都被稱之爲大展顯比飛機 表明其具有優秀的降低誘導阻力的能力 比如展顯比10.4的U2偵察機 而太陽神這種展顯比超過30的簡直就是喪心病狂了 這也導致其他部分在研發該機時呢 十分困難 比如氣動外形設計組 在考慮到常規佈局並不能使得該機產生多少生力時 就直接選擇拋棄了平垂尾和機身 只在該機的機翼下方安裝幾個吊艙 用來裝起落架 備用電池 電子設備等必需品 雖然這樣的設計會使得太陽神具備不錯的氣動性能 並且減輕了很多不必要的重量 但是帶來的問題是結構設計困難 以及縱向配平困難 顯然 氣動設計人員呢 將問題甩給了後面的結構工程師 該機的承載結構主要由複合材料構成 主翼梁由碳纖維製成 頂部和底部較厚 以吸收飛行中可能發生的彎曲 並且結構工程師還用方輪彈性合成纖維和凱弗拉合成纖維包裹 以提供額外的強度 整個機翼被薄而透明的塑料蒙皮包裹 同時工程師們爲了保證該機能夠正常起飛 將其設計成了柔性結構 這樣不用加強翼梁 還能讓飛機進一步減輕重量 但是呢 這也隨之帶來的問題就是 飛機飛行中會發生柔性變形 變形導致的陽光照射角改變 會使得太陽能電池板發電的輸出功率是飄忽不定 電動機跟隨着機翼上下飄擺 也會帶來額外的俯仰力去 如果柔性變形過大 還會導致結構破壞 那麼顯然呢 結構工程師雖然解決前者帶來的問題 但卻又引發了動力的問題 太陽神采用的10臺電機驅動 每臺電機的額定功率爲兩馬力 其雙葉螺旋槳直徑爲兩米 由複合材料製成 專門用於高海拔地區的高效率飛行 雖然這個多電機分佈推進的設計可以提高整個系統的冗餘特性 就算壞了一兩個也無所謂 但是很快 動力工程師就發現了 光照強度 陽光和太陽能電池板的照射角度 環境溫度 那都會導致太陽能電池板的輸出電流變化 這對於飛機的安全而言 始終是個隱患 只要電壓波動較大 輸出功率隨時可能會跌落谷底 導致電動機功率急速降低 推力就會瞬間消失 動力系統工程師使用電機的控制算法 處理着太陽能發電輸出功率 隨着飛行情況波動的問題 並且爲了實現長航時飛行 工程師還在飛機中線 加了一個235公斤的重型一次性輕空氣燃料電池盒 在兩側一間一段中間各加了一個74公斤的高壓輕燃料箱 最終的飛機重量爲1052公斤 這次加重增加了原機50%的重量 雖然解決了飛機的動力不穩定問題 但卻會極大的改變飛機轉動慣量 使得飛機變得更加難操作 因此 到了最後的飛控設計這一塊呢 工程師的心情那是崩潰的呀 在掉了不知道多少頭髮之後呢 飛控工程師終於根據太陽神 利用機翼的柔性和分佈推進的特點 解決了飛機俯仰操控的問題 前面咱們也說了 太陽神因爲飛行時機翼彎曲 所有的電動機不在同一水平線 所以飛控設計師可以調整電動機的推力分佈 實現俯仰控制 讓高處的電動機增加推力 低處的電動機減小推力 就能產生低頭力矩 再配合機翼後緣72個升降舵 就可以實現俯仰的穩定和操控 不過呢 這是一個很複雜的控制 首先要知道的是 每個電機現在隨機翼上下浮動的位置 才能確定需要的推力分佈 其次 因爲太陽能發電並不能保證時刻都給每個電機提供足夠的功率 因此呢 還需要全機能源管理系統對每個電機進行功率分配 並且爲了使得該機能夠在飛行中轉彎 設計師將飛機的十個發動機中有八個採用了插動功率 這個所謂的插動功率呢 就是先讓一側機翼外側四個電動機的功率增加 另一側機翼四個電動機的功率減少 這樣呢就可以實現直接的航向轉彎 一個常見的姿態穩定控制 包含了氣動力 結構彈性力 能源系統供電 電動機拉力 伺服系統 飛控系統 多體動力學的強烈耦合 通過這樣的綜合控制 實現了各學科的終極融合 因此呢 該機的飛控設計也堪稱是太陽神無人機的靈魂所在 或許這時候有朋友想問了 大斌 你說了這麼半天 那這個太陽神無人機究竟它有什麼作用呢 這裏咱們就要講到 該機這些設計所帶來的優勢 由於具備超長流控時間 超高飛行高度和多種優勢 太陽能無人機十分適合執行對地偵查任務 根據專業人士曾經計算過 如果使用上千架太陽神無人機 可以實現對全球主要地區的寬帶網絡無縫覆蓋 一架太陽神無人機覆蓋範圍相當於200個地面基站 相比之下呢 太陽神無人機的有效載荷可以達起飛重量的20% 而通信衛星則不到0.5% 另外呢 由於流空時長達數月 太陽神無人機還能充當大氣層內的偵查衛星 而且由於偵查衛星的運行軌道相對固定 飛越特定目標上空的時間也十分有限 這也代表着太陽神無人機不僅比偵查衛星的反應速度更快 而且使用更靈活 由於依靠太陽能供電 無需頻繁的補給燃料 獲得高分辨率照片的綜合成本只有偵查衛星的七分之一 如果給該機加裝量子雷達 它還可以在高空執行對敵軍隱身戰機的探測任務 以及搭載高分辨率光學偵查設備或者遠程雷達系統 用於在大洋上偵查敵方的航母打擊群的動向 併爲友軍執行反航母作戰 提供實時數據更新等 其功能可謂是十分強大 它雖然不是隱身飛機 但其戰場生存能力卻十分強大 因爲它的飛行高度可以達到20到100公里 就算是被敵人發現 也很難被擊落 美國著名的防務專欄作家邁克爾派克更是表示 這款武器很可能是未來大國之間爆發戰爭後決定戰爭勝負的關鍵因素之一 我想啊 他說這句話的理由是 如果兩個大國之間發生戰爭 雙方會在第一時間相互摧毀對方的機場和起飛平臺 這會使得常規無人機和友人駕駛偵查機 因爲無法長距離飛行而難以發揮作用 而此時 太陽能無人機就可以從未受準的機場 或者是在戰爭開始前就已經起飛 繼續爲軍隊提供偵查數據 當然了 這種飛機並非完美無缺的 首先 該機在起飛時對天氣要求非常高 因爲太陽能是唯一的能量來源 而且飛行速度並不快 在上升下降過程中 如果遇到陰雨天或者是其他條件不好的環境 將無法起飛 甚至可能墜毀 在2001年 太陽神創下了無燃料飛行器飛行海拔高度的記錄 飛行高度爲29524米 但是到了2003年 該機在夏威夷考愛島上的美國海軍太平洋導彈靶場發射 實驗燃料電池系統時遭遇湍流而解體 墜入了太平洋 事後經過調查發現 該機墜毀的主要原因呢 是因爲幾何非線性氣動彈性問題 其實後來呢 NASA的報告裏也指出來了 這個概念正式提出呢 是1999年 沒想到2003年就趕上太陽神出事了 在此之前 所有飛機都沒有考慮過這個問題 事故調查委員會會對太陽神整個項目進行了高度評價 並認爲NASA技術團隊 在高空長航時飛機設計 開發和測試領域呢 已經積累了相當多的知識和經驗 這使得美國在這類飛機的研發中處於世界領先地位 具有重大的戰略意義 太陽神代表了多學科深度融合在飛機上的初步應用 優異的氣動性能和自身重量已經讓人看到了未來高效率飛行器的發展曙光 甚至更誇張的說 這款飛機如同百年前的飛行者一號一樣 使夢想照進了現實 雖然該機最終墜毀失敗了 但是這樣的失敗也更有意義 太陽神的出現 極大的發掘了世界各國對太陽能無人機的研發熱情 其中 美國和英國是太陽能無人機發展的兩大先行者和領頭羊 前者呢 在多年前 便有極光飛行科學公司和通用原子公司分別研製出了太陽能無人機 而後者呢 也以驗證太陽能動力飛行關鍵技術爲目標 早早就研製出了微風以及西風系列的太陽能無人機 該行機在2010年7月打破了太陽能無人機單次飛行時間最長的世界記錄 其續航時間達到了336小時22分鐘 該機也在英國國防部得到了有效應用 除了軍事用途之外呢 太陽能無人機還能充當救援發電等角色 可以說是一種軍民通吃的強大無人機 其擁有深遠的應用空間 也具備良好的商業價值 未來完全可以發展成前景廣闊的軍事應用或者商用服務項目 好了 本期視頻到這裏就結束了 大家對於太陽能無人機都有什麼看法 歡迎在下方的評論區留言 對本頻道感興趣的朋友 請點擊下方的訂閱按鈕 我們下期再見