優點突出的太陽能無人機,為何很難應用到軍事領域?

軍機圖 發佈 2020-03-10T08:30:19+00:00

但時至今日,除用於科研用途以外,太陽能動力無人機從未用於任何具體領域特別是軍事方面,而導致這種情況的原因,正是對於一架航空器來說至關重要的動力問題。

擁有取之不盡用之不竭的能源,是人類千百年以來的夢想。但與此同時,第三類永動機違背基本物理學原理、無法被研製出來,卻也是不爭的事實。不過,距離地球1億4千7百萬千米外的太陽無時不刻在進行核聚變、並向地球輸送光能和熱量,將如果能將太陽能充分得以收集運用,似乎是個解決能源問題的好辦法。特別是對於航空器來說,由於飛行中耗費掉的燃料相當大,因此如果將太陽能應用於航空器動力,似乎可以解決掉燃料方面的問題、從而實現航空器長航時不間斷飛行、並能夠節省下空間和重量用來提升載荷水平。但時至今日,除用於科研用途以外,太陽能動力無人機從未用於任何具體領域特別是軍事方面,而導致這種情況的原因,正是對於一架航空器來說至關重要的動力問題。

圖註:英國PHASA-35高空太陽能飛機在澳大利亞伍默拉試驗場進行首飛現場

熟悉光伏發電的朋友,肯定對於光伏發電廠內鋪天蓋地的太陽能電池板印象深刻。而之所以太陽能發電需要如此多的電池板,原因也非常簡單:現有技術條件下太陽能轉化率水平很低。雖然自美國人羅素·奧爾發明現代太陽能發電技術至今已經過去了整整74年,但時至今日太陽能電池的轉化率與其他能源相比仍然非常低。目前,理想狀態下每平方米太陽能電池也只能轉化1千瓦能量,而如果要將這1千瓦能量轉化為電力或動能,還會在轉化過程中繼續損失。

圖註:T56渦槳發動機

相比之下,現代航空器所需的能量卻堪稱天文數字,如C-130配用的T56渦槳發動機最大功率已經達3244 千瓦,而一架C-130需要四台T56、總計功率12976千瓦,換句話說即便不考慮能量二次轉化過程中的損耗,也需要12976平方米的太陽能電池才能持續提供足夠充裕的動力。相比之下,C-130的機翼面積僅為162平方米,相差達到80倍。如此一來,即便給C-130機身和翼面所有表面都鋪滿太陽能電池板,也難以滿足該機的動力需求,因此指望目前的太陽能電池板為飛機提供動力,實在有些免為其難。

圖註:PHASA-35高空太陽能飛機,整個飛機上幾乎都是光伏電池板

由於這個難以解決的問題,目前的太陽能飛機普遍採用翼展很大的平直翼,這種設計能帶來兩方面的作用:一是確保有足夠大的面積鋪設太陽能電池板,二是能在空氣密度和風力條件許可下進行滑翔飛行,從而節約能量。這種設計目前讓一些太陽能飛機實現了部分實用化,如俄羅斯的「貓頭鷹」太陽能無人機,該機沒有傳統意義的機身結構、並採用碳纖維材料減重,因此實現了在9米的翼展上全重僅有12千克,使得能夠在功率允許範圍內裝載通信中繼設備用於信號轉發,並已經在北極地區投入實際使用,續航時間長達50小時。

圖註:「貓頭鷹」太陽能無人機飛行中

然而,太陽能無人機的這種特殊構型卻又造成另一個問題,即太陽能無人機目標極其明顯、難於隱蔽。在民用方面來說,這一問題並不算是缺陷,但在軍用領域,一架體積巨大、且沒有任何隱身能力、飛行性能也不好的無人機,簡直就是漂浮在高空中的活靶子。早在上世紀50年代的S-75地空飛彈的最大射高就已經超過了2萬米,並創造了擊落U-2高空偵察機的記錄。而從目標特徵上來看,現有的大型太陽能飛機因其巨大的機翼使得其對地面雷達的反射面積遠比U-2要大、同時飛行速度還更慢,因此即便是上世紀50的防空飛彈,擊落目前的太陽能飛機也沒有任何困難。這樣的無人機用於軍事用途,後果可想而知。

圖註:從圖可見PHASA-35高空太陽能飛機的翼展也是非常大

總體來說,目前的太陽能無人機面臨一個死循環,即太陽能轉化率低→需要足夠面積的太陽能電池板轉化能量→太陽能電池板只能裝配在機翼上→機翼結構重量大→剩餘功率較低→任務載荷能力不足→缺乏實用價值。如果再考慮到軍用無人機因任務屬性需要一定的設備載荷、同時設備在工作時也需要電力支持,太陽能無人機的能源轉化效率就更顯得捉襟見肘了。更要命的是,除極晝區域外,地表任何一個區域都不是全天都有太陽輻射,這就導致太陽能無人機在使用時總有一段時間只能依靠蓄電池內儲備的電力,因此就更加限制了使用條件。故不難得出結論,以目前的技術條件,根本無法確保太陽能無人機的軍用化,指望這種平台能在實戰環境中使用更是無稽之談。

圖註:想要執行部分戰鬥機的任務,太陽能無人機要走的路還很長

不過,也不能以目前太陽能無人機的技術狀態斷定未來此類飛行器也沒有軍用價值。在對於太陽能無人機根深蒂固的太陽能電池板與機身的重量和結構矛盾問題上,或許飛翼式布局能夠解決這個麻煩。同時,飛翼式布局先天隱身效果好,也有利於降低遭到攻擊的機率,可以說一舉多得。目前來看,太陽能無人機雖然因性能缺陷尚難以應用於軍事領域,但如果單純從航空器設計問題角度來說,太陽能無人機就是一架動力不夠充沛的飛機,因此只要解決了太陽能轉化率低的問題,未來太陽能無人機仍然可能在現代戰場上占據一席之地,但不是現在。

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