1.1 新能源飞行器的发展情况
新能源飞行器的发展一直伴随着能源技术及其应用的发展不断前行，并对新能源技术的发展和应用起到驱动作用。新能源飞行器技术的发展非常迅速，取得了丰硕的研究成果，下面介绍其中几个比较典型的例子。
1.“日出”（Sunrise）系列太阳能无人机
1974年11月4日，世界上第一架太阳能无人机“日出1号”（Sunrise Ⅰ，图1-1（a））在加利福尼亚州的Camp Irwin进行了3～4 h的低空首飞，这标志着太阳能飞机时代的来临。该无人机采用正常式布局，总重12.25 kg，机翼上铺设了4096片太阳能电池。1975年9月12日，“日出1号”的改进型“日出2号”（SunriseⅡ，图1-1（b））进行了试飞；与“日出1号”相比，在相同翼展情况下，其质量减轻了2.04 kg，并增加了384片太阳能电池。
图1-1 “日出”系列太阳能无人机
（a）日出1号；（b）日出2号
2.“太阳神”（Helios）系列太阳能无人机
美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和美国AeroVironment公司联合开展了“环境研究飞行器与传感器技术”（Environmental Research Aircraft and Sensor Technology，ERAST）项目，研制了“太阳神”（Helios）系列太阳能无人机（图1-2）。2001年8月13日，“太阳神号”创造了29.43 km的飞行高度纪录。
图1-2 “太阳神”系列太阳能无人机
（a）探路者号；（b）百夫长号；（c）太阳神号
在实施第二阶段长航时任务过程中，该公司尝试将可再生的氢燃料电池用于“太阳神号”太阳能无人机（图1-3（a）），采用了18.5 kW可再生燃料电池系统（图1-3（b）），用于支持夜间飞行。
图1-3 “太阳神号”太阳能无人机和可再生燃料电池系统
（a）挂载储氢装置的“太阳神号”太阳能无人机；（b）可再生燃料电池系统
3.“离子虎”（Ion Tiger）系列无人机
“离子虎”（Ion Tiger）无人机是美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）研制的氢燃料电池无人机。该无人机采用正常式布局，总重15.9 kg，翼展5.2 m，采用美国Protonex公司开发的550 W轻型燃料电池。2009年，“离子虎”无人机携带气态氢气燃料飞行26 h，创造了当时氢燃料电池无人机的最长航时纪录；2013年，携带液态氢燃料持续飞行48 h，刷新了氢燃料电池无人机新的航时纪录，且保持至今。“离子虎”无人机的燃料电池动力系统布局和试飞样机如图1-4所示。
图1-4 “离子虎”氢燃料电池无人机
（a）燃料电池动力系统布局；（b）“离子虎”试飞样机
2018年，在“离子虎”无人机的基础上，NRL开始探索氢能／太阳能混合动力的“混合虎”（Hybrid Tiger）无人机（图1-5）。该无人机将机翼加长至7.3 m，以增加太阳能电池的铺设面积；采用约1200 Wh／kg的质子交换膜氢燃料电池和发电效率为23％的太阳能电池作为动力电池，并将起飞重量限制在25 kg以内。2020年11月，“混合虎”无人机进行了超过24 h的飞行试验。
图1-5 “混合虎”氢燃料电池／太阳能电池混合动力无人机
4.“阳光动力号”（Solar Impulse）有人驾驶太阳能飞机
2002年11月28日，瑞士启动了“阳光动力号”项目，在与合作单位的共同努力下，先后研制了“阳光动力1号”和“阳光动力2号”有人驾驶太阳能飞机（图1-6），这两款飞机的主要参数对比如表1-1所示。
图1-6 两款“阳光动力号”有人驾驶太阳能飞机
（a）阳光动力1号；（b）阳光动力2号
表1-1 两款“阳光动力号”飞机的主要参数对比
2009年12月，“阳光动力1号”原型机首飞；2010年7月，“阳光动力1号”实现了跨昼夜飞行，航时达26 h，其中9 h为夜间飞行；2012年，“阳光动力1号”开始跨区域飞行；2013年，“阳光动力1号”实现了横跨美国西岸到东岸的飞行。2014年6月，“阳光动力2号”在瑞士空军基地完成了第一次试飞；2015年3月，“阳光动力2号”自阿布扎比起飞，开始环绕地球一圈的飞行，其间，跨越多个大洲，途经我国的重庆和南京并短暂停留和宣传；2016年6月26日，“阳光动力2号”返回阿布扎比，完成环球飞行。
5.“西风”（Zephyr）系列太阳能无人机
“西风”太阳能无人机最早由英国国防部下属的奎奈蒂克公司（QinetiQ）研发，旨在拍摄一项“打破载人气球世界飞行高度纪录”活动，后来逐渐发展为一种高空长航时无人机。该无人机将飞行器设计技术和能源技术巧妙结合，使其不断打破无人机持续滞空的航时纪录，成为自2002年至今发展最成功的太阳能无人机。图1-7给出了“西风”系列无人机的外形布局，表1-2给出了“西风”系列太阳能无人机的主要参数。正是看到了“西风”无人机的潜在能力，欧洲空中客车集团防务及航天公司于2013年3月收购了“西风”项目，优化现有设计，打造了更大尺寸的平台——“西风8号”（Zephyr 8）。“西风8号”通过对能源系统进行升级，使其航时提升到了25天23小时。升级包括：采用柔性高效三节砷化镓太阳能电池，效率为28％，比功率超过1500 W／kg，面功率大于350 W／m2；储能电池采用硅纳米线阳极锂离子电池，比能量达到435 Wh／kg；等等。
图1-7 “西风”系列太阳能无人机
（a）西风3号；（b）西风4号；（c）西风5号；（d）西风6号；（e）西风7号；（f）西风8号
表1-2 “西风”系列太阳能无人机的主要参数
