Luke Bell 太陽能無人機 V2 再度墜毀——僅飛行 2.5 分鐘，但工程設計持續精進

太陽能板輸出 110 瓦，懸停只需 70 瓦——但依然飛不久

由 32 片手工焊接的太陽能電池、以 8×4 排列焊接在碳纖維機架上的太陽能面板陣列，仍然無法讓無人機在空中停留夠久。這就是南非工程師 Luke Bell 太陽能無人機計畫目前的現狀，也是當今無人機開發領域中最真實的工程故事之一。沒有經過美化的成功影片，只有斷裂的起落架、墜毀的 V2 原型機，以及一個可能終於能解決核心問題的重新設計電路。

專案重點摘要

• 開發進度： 曾創下 Peregreen 系列四旋翼速度紀錄的工程師 Luke Bell，已完成太陽能無人機的第二版（V2），並在 YouTube 頻道上完整記錄設計流程、兩次墜毀降落，以及硬體修復過程。
• 核心問題： V2 僅飛行 2.5 分鐘便墜毀，與 V1 的結果如出一轍。開普敦的陣風壓垮了脆弱的太陽能板陣列，導致太陽能供電系統電壓崩潰。
• 解決方案： Bell 加入一顆小型鋰離子緩衝電池搭配二極體，在太陽能輸出突然下降時自動接管供電，讓無人機在輕微風況下仍有一搏之力。

V2 改進了結構，卻敵不過天氣

太陽能無人機 V2 是一架重新設計的多旋翼機型，針對前代的三大失效點進行改良：易碎的太陽能板安裝方式、長機臂導致的高轉動慣量，以及在突然負載下崩潰的太陽能陣列。Bell 大幅縮短了機臂長度，減輕了 70 公克的重量——相當於省下約 4 瓦的功耗——並重新設計了固定碳纖維管的 TPU 套管，為泡棉膠帶提供更大的黏合面積。

V1 的太陽能板狀況相當慘烈，每片電池都出現裂痕或破損。由於泡棉膠帶與碳纖維管的接觸面積太小，黏合完全失效。新的套管設計每段採用兩個包覆，太陽能板在組裝過程中全數完好——這已經是進步。

完整陣列使用 32 片電池，後來 Bell 拆除 4 片以更好地匹配電池電壓並減少風阻，降至 28 片。在開普敦夏季充足日照下，陣列在地面測試中透過六組負載電阻輸出了 110 瓦，Bell 對此也感到驚訝。懸停功耗約為 70 瓦，因此紙面上的功率餘裕看起來相當充裕。

但實際表現並不如預期。GPS 定位訊號偏弱——僅鎖定 13 顆衛星，遠低於通常的 20 至 26 顆。開普敦難以預測的風勢如期而至，無人機在 2.5 分鐘後墜毀，一支起落架折斷，且沒有備品可替換。

真正的元兇是電壓崩潰，而非單純風力

墜毀事故的飛行紀錄數據顯示，太陽能陣列在撞擊前的瞬間出現電壓驟降——這是一次急遽的電壓崩潰，原因是無人機在對抗陣風時，馬達的電流需求超過了太陽能電池的承受極限，電壓急速下墜，電子變速器（ESC）斷電。無人機並非翻覆或失控，純粹是「沒電了」。

Bell 的修復方案直截了當：五顆鋰離子電池串聯，透過二極體連接至電源匯流排。正常運作時，太陽能陣列透過多餘電壓為電池充電。當陣列輸出崩潰時，二極體自動切換電流來源——電池接手供電、ESC 持續運作，太陽能板則在狀況穩定後恢復上線。Bell 在工作台上使用電源供應器模擬太陽能輸入進行測試，模擬日照開關時，電池在 59 至 60 瓦之間無縫接手負載。

他後來將小容量電池組更換為具有更高放電倍率（C 值）的大容量電池組，加入基本的電池管理系統（BMS）以進行電芯平衡和過充保護，並加固了太陽能板框架的中央主樑，以減少在微風中導致整架無人機不穩定的振顫現象。太陽能板也被降低至更靠近螺旋槳的位置，以降低重心。Bell 使用 AirShaper 計算流體力學（CFD）模擬軟體檢查新的面板位置是否會影響推力，結論是損失不具顯著影響。

這套 AirShaper 模擬流程也曾出現在 Bell 的續航力無人機專案中，當時他比較了五種不同機臂長度配置，最終選定 800 毫米作為最高效的方案。

太陽能無人機的續航力：天氣問題不亞於工程問題

Bell 將最終測試地點從開普敦移至 Stalenbos——一處被樹木環繞、能阻擋低空風的農場。開普敦夏季在無風時，用 Bell 的話來說「幾乎是最理想的條件」——但平靜不會持久。該地區一個靜風且陽光充足的早晨窗口極為狹窄，在兩週的天氣預報中他僅有一天可用。他連夜組裝了整組太陽能板陣列，只為趕上那個時間窗口。

這種限制並非業餘開發者獨有。Mira Aerospace 的 ApusNeo18 太陽能高空偽衛星（HAPS）平台在高空運作，正是為了避開低層大氣的亂流。Airbus 的 Zephyr 在 75,000 英尺（約 22,860 公尺）高空保持著 64 天的續航紀錄，原因也是如此。固定翼機型幾何設計加上高空飛行，能乾淨俐落地解決風的問題。而一架試圖在地面附近懸停的四旋翼，等於同時在兩個物理層面上作戰。

軍事領域也注意到同樣的取捨。在烏克蘭赫爾松地區發現的俄羅斯 FPV 無人機搭載太陽能電池，設計用途是靜態伏擊而非動態懸停——太陽能電池在無人機靜止等待時延長滯空時間。在小尺度應用中，運動是太陽能效率的天敵。

無限期飛行的問題並非新議題。PowerLight Technologies 曾探索以雷射供電實現無人機飛行，作為達成相同目標的替代路徑。物理原理不同，但問題本質一致：當亂流、姿態變化或雲層遮蔽中斷能源供應時，無人機消耗的功率遠超陽光或光束所能穩定提供的能量。

DroneXL 觀點

這個專案真正有趣之處在於紙面數據與實際表現之間的巨大落差。太陽能板在地面測試中輸出 110 瓦，懸停僅需 70 瓦，聽起來有 57% 的功率餘裕。但實際上，一陣持續不到一秒的陣風就能拉高瞬間電流需求，導致整個陣列崩潰。Bell 的二極體加緩衝電池電路是一個聰明的補救方案，但本質上等於承認：即使在微風環境下，太陽能板單獨也無法應對四旋翼的動態負載需求。這才是這個專案最核心的洞見，比任何飛行時間數據都更有價值。

Bell 的工程方法始終如一，無論是用 Peregreen V4 挑戰 408 英里時速，還是嘗試以太陽能實現無限懸停：先在工作台上測試電路、試飛、墜毀、讀取紀錄、修正一個問題。過程緩慢且不華麗，但這正是最終成功的方法。

轉移到 Stalenbos 的決策很有意義。有時候找到更好的地形是唯一可行的解決方案。Bell 無法以工程手段消除開普敦的風，但他可以選擇一座有防風林的農場。預期 V3 將在風力遮蔽更佳的地點試飛——甚至可能在人工照明的室內環境中，徹底排除天氣變數，單獨驗證電路設計。如果緩衝電池電路在受控條件下表現穩定，那麼戶外續航測試就變成時機問題而非硬體問題。在未來兩到三個月內，若 Bell 能在 Stalenbos 等到一個無風的早晨，太陽能無人機飛行超過 10 分鐘將是一個合理的目標。

編輯註：本文使用了 AI 工具輔助研究與檔案檢索。所有報導、分析與編輯觀點均出自 Haye Kesteloo。

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