太阳能无人机主要由能源系统、气动系统、推进系统和飞控系统4个部分组成。无人机通过覆盖在其机翼表面的太阳能电池将太阳能转换为电能。白天，一部分能量用于支持飞机正常巡航，剩余能量则储存在储能电池中，当光照不充足或无光照时，储能电池开始提供能量以保证飞机正常飞行，以此实现太阳能无人机的“永久”飞行。太阳能无人机可广泛应用于环境监测、通信中继和农业协助等民用领域，还可执行情报收集、侦察监视和电子对抗等军事任务［1］。因此，太阳能无人机的研究得到广泛关注且发展迅速，本文从太阳能无人机的国内外研究情况、能源系统和气动布局3方面进行探究，分析得出无人机的技术发展方向。
1 国内外研究情况
1.1 国外研究情况
1974年11月4日，世界首架太阳能无人机Sunrise Ⅰ（图1a［2］所示）完成首航。Sunrise Ⅰ机身搭载了4 096块硅太阳能电池板，整机质量约为12.25 kg，翼展为9.76 m，飞行时间不足0.5 h［3］。1975年9月12日，改进型Sunrise Ⅱ（图1b［4］所示）完成了试飞。在相同翼展的情况下，Sunrise Ⅱ比Sunrise Ⅰ多铺设了384块光伏电池板，而质量仅有10.21 kg，比Sunrise Ⅰ还轻了2.04 kg［5］。1995年9月11日，探路者Pathfinder完成试飞，开启了太阳能无人机携带载荷飞至高空执行任务的新篇章。Pathfinder翼展为29.5 m，整机质量为252 kg，有效载荷为45 kg，实现了15 400 m的飞行高度。紧接着第二代探路者改型Pathfinder Plus（图1c所示）在整体性能上实现了提升；Pathfinder Plus的有效载荷比第一代增加了22.5 kg，翼展也拓宽了6.8 m，达到了24 400 m的飞行高度，刷新了当时的飞行高度记录。第三代百夫长Centurion携带45 kg的遥测传感器和设备在24 400 m的高度执行地球环境研究任务，证明了太阳能无人机在高空长航时任务中的实用性和可靠性。第四代太阳神Helios（图1d［6］所示）有了飞跃性的进步，其翼展进一步拓宽到75.3 m，整机质量为720 kg，有效载荷提升至329.3 kg，飞行高度为29 500 km，飞行时间达到24 h，实现了太阳能无人机的昼夜交替飞行［6］。同一时期的Zephyr-6（图1e［7］所示）翼展为18 m，有效载荷为2.2 kg，机身采用了超轻质碳纤维材料，整机约为30 kg［8］。意大利都灵工业大学的Romeo教授团队先后于2004年和2008年参与了太阳能平台Heliplat无人机和天空水手Sky-sailor无人机的研发。Heliplat［9］是全欧洲首次试飞全太阳能推进的无人机，翼展为73 m，整机质量达到了816 kg。2008年，Sky-sailor太阳能无人机完成了连续27 h的飞行试验，其翼展仅有3.2 m［10］。阳光动力Solar Impulse（如图1f ［6］所示）是世界上首架实现载人飞行的太阳能飞机［11］。2010年7月，Solar Impulse Ⅰ在8 700 m的飞行高度不间断飞行了26 h 10 min 9 s［7］。
表1 1974—2022年国外太阳能无人机性能参数 |
| 型号 | 年份 | 国家 | 气动 布局 | 翼展 /m | 展弦 比 | 整机质 量/kg | 有效载 荷/kg | 飞行高 度/m | 飞行 时间 | 飞行速 度/（m·s-1） | 光伏电池/ 储能电池 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sunrise Ⅰ | 1974 | 美国 | 常规 | 9.76 | — | 12.25 | — | 100 | 30 min | — | 硅太阳能电池/— |
| Sunrise Ⅱ | 1975 | 美国 | 常规 | 9.76 | — | 10.21 | — | 5 200 | — | — | 硅太阳能电池/— |
| Pathfinder | 1997 | 美国 | 飞翼 | 29.50 | 12.0 | 252.00 | 45.0 | 15 400 | — | — | 单晶硅太阳能 电池/燃料电池 |
| Helios | 2003 | 美国 | 飞翼 | 75.30 | 30.4 | 720.00 | 329.3 | 29 500 | 24 h | 33.06 | 硅太阳能电池/ 氢氧燃料电池 |
| Heliplat | 2004 | 意大利 | 双尾撑 常规 | 73.00 | 30.2 | 816.00 | 100.0 | 17 000~20 000 | 270 d | 19.72 | 单晶硅太阳能 电池/燃料电池 |
| Sky-sailor | 2008 | 瑞士 | 常规 | 3.20 | — | 2.50 | 0.5 | 400 | 27 h | 8.33~11.11 | — |
| Zephyr 6 | 2008 | 英国 | 常规 | 18.00 | 18.0 | 30.00 | 2.2 | 18 600 | 82 h | — | 薄膜太阳能电池/ 锂硫电池 |
| Solara 50 | 2015 | 美国 | 常规 | 50.00 | — | 159.00 | 31.8 | 19 800 | — | 28.89 | —/锂离子电池 |
| Atlantiksolar | 2015 | 瑞士 | 常规 | 5.69 | 8.7 | 6.93 | 0.9 | — | 1.5 h | 1.94~8.61 | E60太阳电池/ 锂离子电池 |
| Aquila | 2016 | 美国 | 飞翼 | 43.00 | — | 454.00 | — | 27 000 | 1.5 h | 33.33 | — |
| Zephyr S | 2018 | 英国 | 常规 | 25.00 | — | 62.00 | 5.0 | 22 500 | 26 d | — | 砷化镓薄膜电池/ 锂离子电池 |
| PHASA-35 | 2019 | 英国 | 常规 | 35.00 | — | 150.00 | 5.0 | 1 300 | 1 a | 25.56~40.00 | 砷化镓薄膜电池/ 锂离子电池 |
| Sunglider | 2020 | 日本 | 飞翼 | 80.00 | — | — | 68.0 | 19 000 | 20 h | — | — |
| EAV-3 | 2021 | 韩国 | 常规 | 20.00 | — | 53.00 | — | 22 000 | 13 h | — | —/锂硫电池 |
| K1000ULE | 2022 | 美国 | 常规 | 5.00 | — | 11.00 | — | 6 000 | 26 h | — | — |
从表1中的数据可以看出，20世纪末美国研发的Pathfinder无人机的整机质量和有效载荷分别为252.00 kg和45.0 kg，据此计算得到其载荷比约为0.179；2003年研制的Helios的载荷比约为0.457；2015年研制的Solara 50的载荷比约为0.2。英国2008年研发的Zephyr 6无人机的载荷比约为0.073；2018年的Zephyr S载荷比约为0.081；2019年研发的PHASA-35无人机的载荷比为0.100。瑞士研发的Atlantiksolar无人机的载荷比约为0.130。由此可知国外无人机的载荷比在稳步提高。由图2可以看出，太阳能无人机的飞行高度在1974年之后的30年里发展非常迅速，从百米高度跃至后来的万米高空，这不仅得益于电池技术的飞速发展，还与不断拓宽的翼展密切相关。一方面，电池性能的提升能够为无人机提供更充足的能量；另一方面，大展弦比的气动设计不仅优化了无人机的升阻比，提升了飞行效率，而且增加了翼面积，这为安装更多的太阳能电池板创造了条件，进一步为无人机的长航时飞行提供能量支持。
1.2 国内研究情况
1994年我国的翱翔者号首飞，翼展为1.88 m，整机质量为12.3 kg，在1 500 m的高度飞行了8 h［14］；这是首款由国内研制的太阳能无人机，对我国太阳能无人机发展具有跨时代的意义。2003年试飞的绿色先锋翼展为7.5 m，整机质量为30.5 kg，能够在5 000 m的高空以16.67 m/s的速度巡航超过10 h［15-16］；该太阳能无人机首次采用了新型复合飞翼布局［17］。2014年11月，灵翼Ⅰ太阳能无人机（图3a［18］所示）成功试飞，该无人机翼展为4.50 m，整机质量为5 kg，在500 m的飞行高度以7.5 m/s的速度巡航。2017年彩虹T4问世，该飞行器拥有45 m超长翼展，整机质量为70 kg，有效载荷达20 kg，飞行高度为20 000 m，续航时间长达15 h［19］。彩虹T4（如图3b［20］所示）顺利首飞标志着我国已成为继美国、英国之后第3个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家，实现了在临近空间太阳能飞行器制造技术上的突破。2019年，墨子Ⅱ号（图3c所示）顺利完成首飞，其翼展为5.00 m，整机质量为45.0 kg，飞行高度最高可达8 000 m，理想状态下可以18.06 m/s的速度持续飞行12 h［21］。2022年，启明星50（图3d［20］所示）进行了首飞测试，该无人机是第一个采用双机身布局的全电大型无人机平台，其翼展达到了50.00 m，在两万米以上的高空持续航行了26 min。
表2 1994—2022年我国太阳能无人机性能参数 |
| 型号 | 年份 | 气动 布局 | 翼展/m | 展弦比 | 整机质量/kg | 有效载荷/kg | 飞行高度/m | 飞行 时间 | 飞行 速度/ （m·s-1） | 光伏电池/储能电池 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 翱翔者 | 1994 | 常规 | 1.88 | — | 12.3 | — | 1 500 | 8 h | — | 单晶硅太阳能电池/镍氢电池 | |
| 绿色先锋 | 2003 | 复合飞翼 | 7.50 | 12.5 | 30.5 | — | 5 000 | >10 h | 16.67 | 柔性太阳能电池/燃料电池 | |
| 灵翼 I | 2014 | 常规 | 4.50 | — | 5 | — | 500 | — | 7.50 | 铜铟镓硒太阳电池/— | |
| 彩虹 T4 | 2017 | 常规 | 45.00 | — | 70 | 20 | 20 000 | 15 h | — | — | |
| 魅影 5 | 2017 | 全翼 | 7.00 | — | 15 | — | — | 16 h | — | 铜铟镓硒太阳电池/— | |
| 墨子 II | 2019 | 常规 | 5.00 | — | 45 | — | 8 000 | 12 h | 18.06 | — | |
| 启明星50 | 2022 | 中国 | 常规 | 50.00 | — | — | — | ＞20 | | — | — |
表3 国内外太阳能无人机性能参数对比 |
| 机型 | 年份 | 翼展/m | 飞行高度/m | 飞行速度/（m·s-1） | 国内/国外 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sunrise I | 1974 | 9.76 | 100 | — | 国外 |
| Pathfinder | 1997 | 29.50 | 15 400 | — | 国外 |
| 翱翔者 | 1994 | 1.88 | 1 500 | — | 国内 |
| Helios | 2003 | 75.30 | 29 500 | 33.06 | 国外 |
| 绿色先锋 | 2003 | 7.50 | 5 000 | 16.67 | 国内 |
| Solara 50 | 2015 | 50.00 | 19 800 | 28.89 | 国外 |
| 灵翼 I | 2014 | 4.50 | 500 | 7.50 | 国内 |
| Zephyr S | 2018 | 25.00 | 22 500 | — | 国外 |
| 彩虹 T4 | 2017 | 45.00 | 20 000 | — | 国内 |
| PHASA-35 | 2019 | 35.00 | 21 300 | 25.56~40.00 | 国外 |
| 墨子 II | 2019 | 15.00 | 8 000 | 18.06 | 国内 |
| EAV-3 | 2021 | 20.00 | 22 000 | — | 国外 |
| 启明星50 | 2022 | 50.00 | >20 000 | — | 国内 |
通过表2中的数据可以看到，2017年研发的彩虹T4的载荷比约为0.286，已经超过了同时期英国Zephyr S的载荷比0.081和瑞士Atlantiksolar的载荷比0.130，但是与美国超长机翼太阳能无人机Helios的载荷比0.457还有差距。通过表3可以看到，国内的翱翔者翼展为1.88 m，飞行高度为1 500 m，同时期国外的Pathfinder无人机翼展为29.50 m，几乎是翱翔者的16倍，飞行高度为15 400 m，是翱翔者的10倍；绿色先锋翼展为7.50 m，飞行高度为5 000 m，飞行速度为16.67 m/s。同时期的Helios的翼展几乎是绿色先锋的5倍，飞行高度为29 500 m，远远高于绿色先锋的飞行高度，飞行速度是绿色先锋2倍。
通过前面的数据分析可以看出，我国太阳能无人机在飞行高度、飞行速度和载荷比等关键性能指标上与国际先进水平仍存在一定差距。导致这些差距的原因是电池的转换效率和能源管理能力有待进一步提升等。
2 能源系统
太阳能电池阵、储能电池是太阳能无人机的能源系统，下面从电池发展历程及需求等方面进行探讨。
2.1 太阳能电池
目前应用在太阳能无人机上的电池主要是晶体硅电池和柔性薄膜电池。
2.1.1 晶体硅电池
晶体硅电池是目前最常见并且广泛应用的太阳能电池。单晶硅太阳能电池出现最早，目前最高效率是隆基绿能自主研发的背接触晶硅异质结太阳电池，刷新了硅太阳能电池效率的世界纪录，达到了27.09%。单晶硅电池广泛应用于多种太阳能无人机，如Helios、Pathfinder和国产的翱翔者等（如表1和表2所示）。单晶硅电池的光电转换率高、技术成熟并且性能稳定，但抗形变能力较差，因此需要改进工艺和材料等，在提高电池效率的同时改善其柔韧性［22-23］。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的科研团队于2023年成功开发出柔性单晶硅电池，60 μm厚的单晶硅电池可以像A4纸一样进行折叠［24］，转换效率超过24％。该研究团队采用边缘圆滑处理技术抑制了硅片应变断裂，在保证光电转换效率的同时提升了硅片的柔韧性［25］，较好地克服了传统硅电池的刚性限制，在太阳能无人机技术领域展现出巨大的发展潜力和应用前景。
2.1.2 柔性薄膜电池
相比于传统的晶体硅电池，柔性薄膜电池的材料相对轻薄，能够更好地满足柔性大展弦比机翼的铺片需求。应用较为广泛的薄膜电池主要有砷化镓薄膜电池、铜铟硒和铜铟镓硒薄膜电池。
表4 常用太阳能电池的性能参数 |
| 电池种类 | 机型 | 年份 | 效率/% | 比功率/ （W·kg-1） | 优点 | 缺点 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 晶硅体电池 | 单晶硅电池 | 翱翔者 | 1994 | 24.70 | — | 光电转换效率高、 稳定性好、技术成熟 | 成本较高、电池组 件脆、质量大 |
| Helios | 2003 | 24.85 | 455 | ||||
| 薄膜电池 | 砷化镓电池 | Zephyr S | 2018 | 28.00 | 1 500 | 光电转换效率高、 柔性大、质量轻 | 成本高、材料稀缺 |
| PHASA-35 | 2019 | 33.06 | 2 467 | ||||
| 铜铟镓硒电池 | 灵翼 I | 2014 | 10.00~14.20 | 400 | 成本低、柔性大 | 稳定性较差、 材料稀缺 | |
| 魅影 5 | 2017 | 22.80 | — | ||||
通过表4中的数据可以看出，晶体硅电池的光电转换效率在2003年就已经达到了24.85％，虽不及砷化镓电池的光电转换效率高，但是比2017年铜铟镓硒电池22.80％的转换效率还高。综上，晶体硅太阳能电池的生产技术已经很成熟，光电转换效率也比较高，但是由于其刚性大，在贴合机翼表面时可能出现破碎，当机翼面积较大且较为平缓时可以选择。砷化镓电池技术发展迅速，2018—2019年仅一年时间其光电转换效率就由28.00％提高到了33.60％，展现出巨大的发展潜力。
2.2 储能电池
2.2.1 锂离子电池
2.2.2 锂聚合物电池
锂聚合物电池的能量密度略大于锂离子电池，且加工方便，但成本要高于锂离子电池。Solong搭载了5.6 kg的锂聚合物电池，Solar Impulse搭载了400 kg的锂聚合物电池，它们的能量密度均为180~240 Wh/kg［32］。
2.2.3 锂硫电池
2.2.4 燃料电池
表5列出了无人机用储能电池的性能参数［32，34］。由表5中的数据可以看到，锂离子电池的能量密度由最初的145 Wh/kg发展到2018年的435 Wh/kg，约提高了两倍。同样，锂硫电池的能量密度也由2010年的350 Wh/kg提高到2021年的650 Wh/kg。由此可见，随着电池正负极材料的创新、电解液的优化及电极材料的改进等因素，储能电池的能量密度在不断地提高。横向观察同时期的储能电池数据发现，2000—2010年间锂离子电池的能量密度为170 Wh/kg，锂聚合物电池的能量密度最高为240 Wh/kg，而锂硫电池的能量密度为350 Wh/kg，是这3种储能电池中能量密度最高的。目前为止，锂离子电池的能量密度提高到了435 Wh/kg，而锂硫电池达到了650 Wh/kg的能量密度，仍是能量密度最高的储能电池。
表5 储能电池的性能参数 |
| 性能参数 | 数值 | ||
|---|---|---|---|
| 锂离子电池 | 锂聚合物电池 | 锂硫电池 | |
| 能量密度/（Wh·kg-1） | 145（Sunrise I，1974年） | — | — |
| 170（Sky Sailor，2008年） | 180~240（Solong，2005年） | 350（Zephyr 7，2010年） | |
| 435（Zephyr S，2018年） | 180~240（Solar Impulse，2015年） | 650（EAV-3，2021年） | |
| 功率密度/（Wh·kg-1） | 1 000~1 200 | 2 800 | 2 800 |
| 充电时间/h | 2~4 | 2~4 | — |
| 循环次数 | 500~1 000 | ＞1 000 | ＞1 000 |
| 室温自放电率 | 10% | — | — |
| 额定电压/V | 3.6 | 3.7 | 3.7 |
| 工作温度/℃ | -40~60 | — | — |
综上所述，锂硫电池的能量密度最大，但是其在充放电过程中可能发生形变，稳定性能较差，而太阳能无人机的飞行环境通常比较苛刻，所以锂硫电池在太阳能无人机领域的应用并不广泛。虽然锂离子电池的能量密度和功率密度都不是最优，但锂离子电池的自放电率低，工作温度范围广，在临近空间低温低传热的极限环境下也有较好的充放电能力且使用寿命长，适用于太阳能无人机长航时的飞行要求，因此锂离子电池在太阳能无人机领域应用最为广泛。
3 气动布局
气动布局对太阳能无人机的飞行具有较大影响，优良可靠的气动布局可以减少电量损耗，是太阳能无人机稳定飞行、持久续航的关键保证。目前太阳能无人机的布局方式有常规布局、飞翼布局、分布式布局和串列翼布局。
3.1 常规布局
3.2 飞翼布局
3.3 分布式布局
3.4 串列翼布局
表6 气动布局性能对比 |
| 布局方式 | 优点 | 缺点 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 常规布局 | 结构简单、稳定性好、 技术成熟 | 气动效率低 | Solara 50、Zephyr S、启明星 50、EAV-3等 |
| 飞翼布局 | 阻力小、气动效率高、 结构质量轻 | 纵向稳定性差、操控难度大 | Helios、Aquila、Sunglider |
| 分布式布局 | 太阳能利用率高、 续航能力强 | 气动参数不稳定、飞机整体 稳定性差、操作难度大 | 奥德修斯（未试飞） |
| 串列翼布局 | 升阻比较大 | 机翼间会相互影响 | ApusDuo |
4 结论
本文对太阳能无人机的研究情况、能源系统及气动布局3个方面进行了综述。得到了以下结论：
1） Sunglider无人机因其80 m的翼展，成为翼展最大的太阳能无人机。目前为止还没有无人机能打破Helios创下的29.5 km的飞行高度记录；PHASA-35是目前最高速的太阳能无人机，其最高速度能达到144 km/h。随着技术的不断进步，太阳能无人机的载荷比在稳步提高，我国彩虹T4的载荷比约为0.286，仅次于Helios的0.457。
2） 薄膜太阳能电池相比于晶体硅太阳能电池具有更好的柔性，在无人机的铺设与应用上展现出了更大的便利性。目前，砷化镓薄膜单结电池效率达到了29.1%，多结电池效率更是高达33.6%，在太阳能无人机领域展现出巨大的发展潜力。在储能电池方面，锂硫电池理论能量密度高达2 600 Wh/kg，在实际应用中最高也能达到650 Wh/kg，是能量密度最高的储能电池，但是其稳定性能较差，不能很好地适应无人机的工作环境。锂离子电池的能量密度在435 Wh/kg左右，锂离子电池的各项性能参数在所有无人机用储能电池中并不是最优的，然而，当考虑到成本效益和制造工艺等现实因素时，锂离子电池仍然是太阳能无人机储能方案的首选。
3）目前，飞翼布局是气动效率最好的布局方式，但是其稳定性不如常规布局且操控难度大。
综上，气动结构设计无疑是影响太阳能无人机性能的关键因素，然而其在现有技术框架下的改进空间相对有限。展望未来，光伏电池和储能电池的效率提升及能量密度的增加将成为推动太阳能无人机性能突破性进展的决定性因素。随着电池技术的不断进步，太阳能无人机能够实现更高效的能源转换和更持久的飞行能力，这将是太阳能无人机领域创新和发展的重要方向。