我設(shè)想

張　健

“節(jié)點”臨近空間無人偵察／預(yù)警平臺是一種將情報、監(jiān)視、偵察(ISR)功能與遠程預(yù)警功能集合于一身，以高空長航時無人機為平臺，能夠在臨近空間進行超長航時連續(xù)飛行的新概念裝備。與傳統(tǒng)的預(yù)警機相比，飛行時間更長，采用有源相控陣雷達，并采用共形天線技術(shù)，將雷達天線與蒙皮和機身結(jié)構(gòu)融為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)360度全空域、無盲區(qū)預(yù)警；與現(xiàn)有的執(zhí)行情報、監(jiān)視、偵察任務(wù)高空長航時無人機相比，它的續(xù)航時間更長、任務(wù)載荷更多、隱身性能更好，而且兼具預(yù)警和ISR雙重功能，不僅能夠?qū)o止目標和運動目標進行有效的偵察、識別、跟蹤與監(jiān)視，還能夠?qū)罩型{進行有效預(yù)警。

創(chuàng)新的總體與隱身設(shè)計

“節(jié)點”無人機采用雙機身、前后串列翼、無垂尾布局。兩機身互相平行，并與互相平行的前、后機翼形成巨大的“口”字，機身截面形狀呈菱形。為了實現(xiàn)360度全空域無盲區(qū)預(yù)警，“節(jié)點”無人機采用共形相控陣天線技術(shù)。

“節(jié)點”無人機將天線布置在前后翼的下表面，并與機翼蒙皮融為一體；四塊平面相控陣天線布置在機身的四條邊上。四塊天線構(gòu)成巨大的“口”字形，增加了天線的口徑，可實現(xiàn)360度全向無盲區(qū)探測。而且天線安裝在機身，以及前、后機翼翼中段，這里的結(jié)構(gòu)剛度大，從而最大限度地減小了氣動變形對天線的影響，能夠更好地發(fā)揮天線的性能。

與機翼共形的相控陣天線主要作為預(yù)警雷達天線使用，機身下方兩側(cè)的天線可以有兩種模式工作：預(yù)警雷達模式和合成孔徑雷達模式，因此可執(zhí)行對空預(yù)警和對地雷達三維成像雙重任務(wù)；機身上方兩側(cè)天線為預(yù)警雷達對上方全空域的威脅進行預(yù)警探測，同時也是衛(wèi)星通信天線，用于無人機與地面站的遠程通信與控制。

采用共形天線技術(shù)以后，天線與機體復(fù)雜的三維曲面融合在一起，可以克服線陣和平面陣掃描角小的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)全空域掃描和全向感知；徹底避免了傳統(tǒng)飛機需要碩大的雷達罩和單獨為天線安裝布置突起物，對飛機氣動性能帶來的不利影響，同時降低了雷達散射截面積，提高了飛機的隱身性能。

機頭下方安裝有綜合傳感器吊艙，光電／紅外傳感器和其他高性能專用傳感器安裝在里面。高性能渦輪風扇發(fā)動機位于機身上部，從而避免了地面雷達照射發(fā)動機葉片產(chǎn)生的巨大回波，因此大大提高了飛機的隱身性能；由于沒有垂尾，全機在側(cè)視圖上呈扁平狀，機身由四塊平面按能使飛機在最安全方向飛行的角度簡單拼接而成；從上視圖看，飛機的邊緣均相互平行，這樣的設(shè)計可以將雷達波反射到幾個特定的角度上；在強雷達反射的直角部位涂上先進的輕質(zhì)隱身材料。這一系列隱身設(shè)計可大大減小飛機的雷達散射截面積，提高了飛機生存力。

嶄新的非常規(guī)氣動布局設(shè)計

“節(jié)點”無人機采用了一系列增升減阻新技術(shù)。采用超大展弦比，前后翼串列布局，兩個機翼同時產(chǎn)生升力，避免了升力損失，或者可以在同樣的升力需求下減小機翼的尺寸，從而降低了阻力。超大展弦比機翼設(shè)計大大降低了誘導(dǎo)阻力，從而提高飛機的升阻比。這種布局一個先天劣勢是前后翼的干擾問題，前翼對后翼氣流的阻滯與下洗，導(dǎo)致后翼的可用升力較小，抵消了該布局的氣動優(yōu)勢?！肮?jié)點”無人機將采用一種創(chuàng)造性的解決方案來解決這一問題：在后翼上表面采用弦向吹氣增升技術(shù)，克服前翼的氣流阻滯與下洗影響，從發(fā)動機外涵道引出低溫高速氣流，通過沿主翼中段展向縫狀噴口噴出，加速上翼面氣流，增加后翼環(huán)量，從而克服了氣流阻滯與下洗對后翼的不利影響。同時為了減少部件間的干擾阻力，“節(jié)點”無人機將采用主動干擾控制技術(shù)，通過在轉(zhuǎn)折部位吹氣，主動改變流場狀況，降低部件的相互干擾，減小阻力。為了進一步減小飛機阻力，采用主動層流控制技術(shù)，人為地增大層流面積，減小摩擦阻力。

為了使飛機在起飛、爬升、巡航、下滑的各個飛行階段都能獲得優(yōu)異的氣動效率，“節(jié)點”無人機將采用壓電材料和柔性蒙皮制造能夠感受氣動載荷的變化并主動改變彎度的智能自適應(yīng)機翼，以使飛機在任何飛行狀態(tài)下均能達到最佳的氣動性能。壓電材料是利用壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)研制的新型智能材料。壓電材料呈現(xiàn)壓電效應(yīng)時，在外電場作用下壓電體會產(chǎn)生形變，因此可以利用壓電材料制造機翼的前后緣，通過控制電壓實現(xiàn)對機翼的彎度與形狀控制。壓電材料在呈現(xiàn)逆壓電效應(yīng)時能夠?qū)⑿巫冝D(zhuǎn)化為電信號，這時候壓電材料就是載荷傳感器，實時感知翼面載荷變化，使反饋控制成為可能。

為了更好地解決超大展弦比機翼嚴重的氣動彈性變形問題，“節(jié)點”無人機將采用先進的主動氣動彈性控制技術(shù)，通過主動控制技術(shù)改善機翼載荷分布，從而抑制或減小氣動彈性變形問題。另外，機翼采用復(fù)合材料整體成型技術(shù)制造，通過巧妙的剪裁設(shè)計，能夠大大增加機翼剛度，減少氣動彈性的變形。

基于自適應(yīng)機翼的無舵面飛行控制的概念

在傳統(tǒng)的飛機控制系統(tǒng)設(shè)計中，人們通過舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生不對稱的氣動力矩作為操縱力矩對飛機的飛行姿態(tài)實施操縱。這種操縱模式必須輔以許多液壓或電液驅(qū)動舵機和其他配套的相關(guān)設(shè)備才能進行，而且舵面的安裝破壞了連續(xù)光滑的機翼，導(dǎo)致很多縫隙從而產(chǎn)生很大的泄漏阻力，同時舵面偏轉(zhuǎn)還將增加飛機的雷達散射截面積值，不利于隱身。隨著控制技術(shù)的不斷進步與自適應(yīng)機翼的逐漸成熟，這里提出了基于自適應(yīng)機翼的無舵面飛行控制的概念設(shè)想，具體原理是這樣的：

自適應(yīng)機翼采用壓電材料作為形狀變化的驅(qū)動材料，當需要對飛機進行操縱時，操縱信號由機載飛行控制計算機發(fā)出，并最終轉(zhuǎn)換成控制電壓，傳遞到機翼前后緣的壓電材料結(jié)構(gòu)上，壓電材料在精心計算的控制電壓的作用下發(fā)生形變，從而改變機翼的剖面形狀，進而產(chǎn)生不對稱的操縱力矩，對飛機姿態(tài)實施操縱。同時，姿態(tài)傳感器將飛機當前姿態(tài)反饋給機載計算機，飛控計算機參照當前飛行姿態(tài)對操縱信號進行實時修整直到完成某一飛行操縱為止。通俗地講，就是通過協(xié)調(diào)機翼任意剖面的翼形氣動特性，使整個機翼構(gòu)成一個“虛擬”的氣動力控制面。這時候機翼宛如一個靈動的翅膀，像鳥兒的翅膀一樣實時地感受氣動力的微妙變化，快速地修正翅膀的角度與姿態(tài)，是一種高度智能化的飛行控制模式。

可以想見，在整個飛行控制過程中，作為神經(jīng)中樞的機載計算機是否具有對海量信息實時處理能力是這種概念操縱模式能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。隨著計算機存儲容量與計算能力的幾何級數(shù)式增長，在不遠的將來是可以實現(xiàn)的。

基于分子篩氫氧燃料電池新型供電系統(tǒng)概念

大功率相控陣雷達、各種傳感器、航空電子設(shè)備在長時間的工作中要消耗大量電能，如果僅僅靠提取發(fā)動機的軸功率來滿足所有的電力需求顯然是遠遠不夠的?！肮?jié)點”無人機采用一種基于氫氧分子篩燃料電池的新型供電系統(tǒng)。它的工作原理是這樣的：沿機身中軸線布置一個圓柱形空腔，機身頭部開口，正對來流方向，無人機在平飛時，高空的稀薄的空氣被灌入空腔，利用氣體的沖壓作用，密度增大，壓強升高。在空腔內(nèi)部均勻地按比例涂上能將空氣中的氧氣析出的分子篩薄膜，析出的氧氣通過管道輸送到位于機身中部的燃料電池反應(yīng)器中與自身攜帶的液態(tài)氫燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過導(dǎo)線將電能源源不斷地供給相控陣雷達、各種傳感器和其它航空電子設(shè)備。

由于氧氣直接取自空氣，因此節(jié)省了燃料重量，供電時間也可大大延長，十分經(jīng)濟。這種燃料電池產(chǎn)生的廢物是水，對空氣無污染。裝置結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，因此是一種經(jīng)濟、環(huán)保高效的新型機載能源系統(tǒng)。目前，分子篩制氧技術(shù)已經(jīng)在有人駕駛飛機飛行員的生命保障系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。隨著材料技術(shù)和分子篩析取氣體效率的不斷提高，在不遠的將來，分子篩膜可以做得很薄，直接貼附在圓形空腔的內(nèi)壁，增加與空氣的接觸面積，提高氧氣的制備效率。同時高空的低溫空氣進入機身后，能夠帶走大量熱量，起到很好的冷卻作用。