臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

趙凱 (西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司)

針對衛(wèi)星發(fā)射的高成本，以及受載荷限制，高空超長航時(shí)無人機(jī)近年來受到廣泛關(guān)注。此類無人機(jī)的動(dòng)力是關(guān)鍵技術(shù)之一，目前主要有常規(guī)燃料、氫燃料和太陽能三種。

臨近空間通常指距海平面20～100km，傳統(tǒng)航空器的靜升限和航天器的最低運(yùn)行高度之間的空域，屬于“空”與“天”的過渡區(qū)。根據(jù)美國的定義，高空超長航時(shí)無人機(jī)飛行高度在10km以上，續(xù)航時(shí)間應(yīng)大于48h。本文討論的臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)是一種能夠在20km以上高度持續(xù)飛行大于48h的無人機(jī)。

臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)一般用于執(zhí)行戰(zhàn)略或戰(zhàn)役偵察任務(wù),具備持久的情報(bào)收集和戰(zhàn)場監(jiān)視能力,并且可用作無人作戰(zhàn)平臺(tái),因而成為當(dāng)今各國武器裝備發(fā)展的重點(diǎn)。

2006年初，美國空軍科學(xué)顧問委員會(huì)發(fā)布題為《在臨近空間高度持久存在》的研究報(bào)告，認(rèn)為高空長航時(shí)無人機(jī)是美國空軍近期利用臨近空間的最佳選擇?，F(xiàn)有技術(shù)體系下，包括RQ-4“全球鷹”在內(nèi)的常規(guī)動(dòng)力高空無人機(jī)受限于機(jī)載能源供給水平，通常只能維持?jǐn)?shù)十小時(shí)的持續(xù)飛行。為滿足更進(jìn)一步的續(xù)航時(shí)間要求，尋求新的能源替代形式成為必然趨勢。

近年來，由于新能源及其配套推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)迅猛發(fā)展，國外已經(jīng)形成太陽能和氫動(dòng)力兩條主線，并行發(fā)展。以下按照能源類型，對已經(jīng)取得一定成果的常規(guī)燃油動(dòng)力、太陽能動(dòng)力、氫動(dòng)力分別進(jìn)行分析。

常規(guī)燃油動(dòng)力

現(xiàn)有的常規(guī)燃油動(dòng)力臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)主要采用渦輪增壓活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率可降低到渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的30%～40%，同時(shí)渦輪增壓器可解決高空飛行時(shí)因大氣稀薄導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的問題，從而維持在20km以上的飛行高度。

20世紀(jì)80年代，波音公司采用多級渦輪增壓活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，開發(fā)了一種大型高空長航時(shí)無人機(jī)，該無人機(jī)被稱為“禿鷹”（Condor）。這是超長航時(shí)無人機(jī)發(fā)展史上的重要里程碑。“禿鷹”于1988年10月9日進(jìn)行了首飛，并在1988～1989年進(jìn)行了141h的飛行試驗(yàn)，創(chuàng)造了飛行高度20420m的紀(jì)錄，在其中一次飛行試驗(yàn)中留空時(shí)間曾經(jīng)達(dá)到了2.5天。但是因?yàn)椤岸d鷹”尺寸較大、速度緩慢，且缺乏隱身能力，易受攻擊而不能用于軍事?！岸d鷹”在氣候檢測和大氣研究方面也有著巨大的潛能，只是在當(dāng)時(shí)這樣一架飛行器的費(fèi)用大大超過了大部分民用機(jī)構(gòu)的預(yù)算。最終，“禿鷹”被送進(jìn)了圣地亞哥希勒博物館。

（左）“禿鷹”無人機(jī)。

（右）臉譜網(wǎng)的“天鷹座”（Aquila）無人機(jī)。

太陽能動(dòng)力

太陽能無人機(jī)是以光能作為唯一能源的電動(dòng)無人飛行器。白天，太陽能無人機(jī)依靠其上安裝的太陽電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換為動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備及任務(wù)裝載提供能量，維持正常飛行，同時(shí)將多余的能量儲(chǔ)存為儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能和高度勢能。夜晚，它再通過蓄電池的電能和滑翔持續(xù)飛行。如果太陽能無人機(jī)每天白天存儲(chǔ)的能量可以滿足夜晚飛行的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)全年不間斷的晝夜持續(xù)飛行，若不考慮其部件的壽命，理論上就可以進(jìn)行 “永久飛行”。

（上）谷歌的“太陽”（Solara）無人機(jī)。

（下）“西風(fēng)”7無人機(jī)。

和傳統(tǒng)以化學(xué)燃料為能源的飛機(jī)相比，太陽能無人機(jī)的能量來源不受空氣密度的影響，而且不污染大氣，是真正的“綠色環(huán)?！憋w行器。和衛(wèi)星相比，太陽能無人機(jī)無需高昂的研發(fā)、發(fā)射費(fèi)用，離地近，可回收重復(fù)利用，可控制航跡執(zhí)行多種任務(wù)。同時(shí)，太陽能飛機(jī)受本身的特點(diǎn)和目前能源技術(shù)水平限制，存在速度低、尺度大、載荷能力小、抗風(fēng)能力差等缺點(diǎn)，但隨著能源技術(shù)的發(fā)展，未來其載荷能力將進(jìn)一步提升，可在平流層駐留數(shù)月甚至數(shù)年，是理想的臨近空間超長航時(shí)飛行平臺(tái)，應(yīng)用前景廣闊。因此，臨近空間超長航時(shí)太陽能無人機(jī)目前成為一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，如美國國防預(yù)研局（DARPA）可飛行5年的“禿鷹”（Vulture）項(xiàng)目、臉譜網(wǎng)可飛行3-6個(gè)月的“天鷹座”（Aquila）無人機(jī)、谷歌可飛行5年的“太陽”（Solara）無人機(jī)等，其飛行高度都在18～30km之間，航時(shí)數(shù)月或數(shù)年。

目前，已有一定應(yīng)用價(jià)值高空超長航時(shí)太陽能無人機(jī)為英國的“西風(fēng)”（Zephyr）7無人機(jī)。“西風(fēng)”7無人機(jī)翼展23m，重53kg，有效載荷5kg。20010年7月9日-23日， 其在亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場完成了14天22分鐘的持續(xù)飛行，最高飛行高度達(dá)到21562m，同時(shí)打破了官方無人飛行器持續(xù)飛行時(shí)間和飛行高度紀(jì)錄。

2013年空客防務(wù)與空間公司收購“西風(fēng)”無人機(jī)方案，計(jì)劃發(fā)展一款實(shí)用的“偽衛(wèi)星”，并計(jì)劃發(fā)展“西風(fēng)”8方案?！拔黠L(fēng)”8翼展2 8 m，重量60kg，續(xù)航時(shí)間3個(gè)月，巡航高度21336m，有效載荷5～10kg，據(jù)稱改進(jìn)了機(jī)身、動(dòng)力和推進(jìn)，總體性能將提升60%。2016年2月，英國國防部將訂購2架“西風(fēng)”8，合同價(jià)值1550萬美元。

（上）GO-0飛行試驗(yàn)圖。（

氫動(dòng)力

臨近空間氫動(dòng)力無人機(jī)以液氫為燃料，分為氫燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)兩種，氫燃料電池利用氫和氧在其內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，為推進(jìn)系統(tǒng)供電；氫內(nèi)燃機(jī)通常由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)改造而來，其原理與常規(guī)無人機(jī)類似，將汽油等常規(guī)燃料替換成具有更高比能量的液氫燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)只需消耗較少質(zhì)量的液氫就可以獲得較大的功率。因此，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)天至十?dāng)?shù)天量級的高空超長航時(shí)持續(xù)飛行。

現(xiàn)有臨近空間氫動(dòng)力無人機(jī)中最為著名的是航空環(huán)境公司的“全球觀察者”（Global Observer）和波音公司的“鬼怪眼”（Phantom Eye）。

航空環(huán)境公司發(fā)展的“全球觀察者”無人機(jī)采用氫燃料電池為動(dòng)力，將發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組成一個(gè)全電力網(wǎng)絡(luò)，盡管設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，但在靈活性、可靠性等方面有明顯優(yōu)勢。該機(jī)共發(fā)展了GO-0，GO-1和GO-2三個(gè)型號，計(jì)劃通過3架原型機(jī)來驗(yàn)證在20km附近高空持續(xù)飛行一周的能力。

G O-0為縮比樣機(jī)，翼展為15.25m，重量約80kg，以氫燃料電池為動(dòng)力，2005年進(jìn)行了兩次低空飛行試驗(yàn)，在相對低的高度進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，是第一架采用液氫燃料電池的無人機(jī)。GO-1翼展53.3m，總重1805kg，有效載荷180kg，設(shè)計(jì)在20km飛行5-7天，2010年9月完成電池驅(qū)動(dòng)飛行試驗(yàn)階段，2011年1月6日在加利福尼亞愛德華空軍基地成功完成由其氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)的首次飛行，飛行試驗(yàn)持續(xù)4小時(shí)，無人機(jī)飛到15.2km的高空。GO-2翼展79m，總重4131kg，有效載荷450kg，可在20千米高度飛行一周。

下左）GO-1飛行試驗(yàn)圖。

“鬼怪眼”無人機(jī)

波音公司的“鬼怪眼”驗(yàn)證機(jī)采用的是通過燃燒液氫燃料的內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，該機(jī)基于“禿鷹”無人機(jī)的基礎(chǔ)研制?！肮砉盅邸笔且环N采用兩臺(tái)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)功率110kW，翼展45.72m。按照設(shè)計(jì)要求，“鬼怪眼”可攜帶205kg有效載荷，在20km高空連續(xù)飛行長達(dá)4天。全尺寸的“鬼怪眼”無人機(jī)能夠攜帶1000kg有效載荷，一次可飛行10天。“鬼怪眼”樣機(jī)于2012年首飛，2014年完成第9次演示驗(yàn)證飛行后被保存起來，同時(shí)尋求軍用和民用方面的機(jī)會(huì)以求繼續(xù)發(fā)展。

（下右）GO-2效果圖。

（上）“鬼怪眼”無人機(jī)。

（下）極元公司“奧德修斯”太陽能高空超長航時(shí)無人機(jī)。

發(fā)展趨勢分析

總體來看，國外太陽能無人機(jī)和氫動(dòng)力無人機(jī)整體上已逐步進(jìn)入實(shí)用化階段，常規(guī)燃油動(dòng)力無人機(jī)則較為成熟。其中，常規(guī)燃油動(dòng)力無人機(jī)已達(dá)到臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)要求；而太陽能無人機(jī)的具有臨近空間長達(dá)數(shù)年的續(xù)航能力，但有效載荷承載能力有限，性能受日期和地域限制，在目前飛行試驗(yàn)中已進(jìn)入臨近空間，最長續(xù)航時(shí)間達(dá)14天；氫動(dòng)力無人機(jī)有效載荷承載能力大，可續(xù)航數(shù)周，但飛行試驗(yàn)中尚未達(dá)到臨近空間的高度要求。

因此，未來要實(shí)現(xiàn)較大載重能力，同時(shí)滿足臨近空間超長航時(shí)無人機(jī)的要求，若要求數(shù)天的續(xù)航能力，則采用常規(guī)燃油動(dòng)力無人機(jī)是較好的選擇；若要求數(shù)周的續(xù)航能力，則需等待液氫燃料動(dòng)力技術(shù)進(jìn)一步成熟；若要求數(shù)月甚至數(shù)年的巡航能力，則需要在未來很長一段時(shí)間等待太陽能動(dòng)力技術(shù)大幅度提升。

繼承，充分考慮環(huán)境可靠性和無人平臺(tái)限制，充分考慮海上無人系統(tǒng)信息裝備的模塊化、集成化、多功能化要求，加快無人系統(tǒng)走向?qū)崙?zhàn)的步伐。

運(yùn)用構(gòu)想

海上無人系統(tǒng)信息裝備的作戰(zhàn)運(yùn)用，本質(zhì)是各類偵察感知數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、任務(wù)控制指令、作戰(zhàn)指令等所有相關(guān)信息在單個(gè)無人系統(tǒng)內(nèi)、無人作戰(zhàn)體系中各節(jié)點(diǎn)部門間的組織形式和流轉(zhuǎn)過程，受組織關(guān)系、業(yè)務(wù)流程的頂層約束，是海上無人系統(tǒng)信息裝備發(fā)揮作用的過程。信息關(guān)系根據(jù)不同規(guī)模、不同層次的裝備體系有不同的表現(xiàn)，需要根據(jù)不同約束情況開展設(shè)計(jì)。因此，建立從單平臺(tái)、多平臺(tái)編隊(duì)、有人無人編隊(duì)三個(gè)層次，以及遙控、自主、協(xié)同等使用方式和作戰(zhàn)任務(wù)出發(fā)考慮的典型信息關(guān)系結(jié)構(gòu)十分必要。

在組織海上無人系統(tǒng)信息關(guān)系時(shí)，要充分契合所服務(wù)的無人系統(tǒng)的使命任務(wù)、作戰(zhàn)條件和方式等要求，與平臺(tái)其他系統(tǒng)和外界網(wǎng)絡(luò)充分協(xié)調(diào)。通常來說，在遙控模式和自主模式下，無人系統(tǒng)信息裝備主要針對平臺(tái)自身控制和任務(wù)開展運(yùn)行，以控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、控制任務(wù)設(shè)備工作為主要目的；在無人編隊(duì)模式和與有人系統(tǒng)協(xié)同模式下，除了平臺(tái)自身控制與任務(wù)控制外，無人系統(tǒng)信息裝備還要負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互和協(xié)同。但不論在哪種模式下，無人系統(tǒng)信息裝備都是按照“感知-處理-決策-行動(dòng)-感知”的總體閉環(huán)回路進(jìn)行信息組織，可見無人系統(tǒng)信息裝備的運(yùn)用是以智能決策控制系統(tǒng)為中心，圍繞其開展信息的搜集、處理和交互的。因此，在任務(wù)系統(tǒng)專業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)上，從體系建設(shè)發(fā)展和作戰(zhàn)運(yùn)用的角度出發(fā)，提高決策系統(tǒng)的互操作水平，加強(qiáng)各類平臺(tái)互聯(lián)與協(xié)同，注重提高決策控制系統(tǒng)靈活性、通用性和模塊化，借鑒和共享有人平臺(tái)與無人平臺(tái)成熟技術(shù)是發(fā)展的必然要求。 ■