登峰造極的空天無人機

林一平

現(xiàn)代無人機微型化、小型化、中大型化設計已取得許多重大成就，成功拓展了無人機應用領域，并把觸角從陸?？昭由斓教眨_到了登峰造極的高度，對當今科技進步及未來科學發(fā)展均有巨大推進作用。

人類早已嘗試研發(fā)在大氣層之外飛行的空天無人機。如今，美國、俄羅斯、中國、歐盟和日本等國仍在繼續(xù)從事這項宏偉工程的研究，科技意義重大且產(chǎn)業(yè)前景十分看好。

設計與技術

空天無人機可以在大氣層內飛行，也可以突破大氣層束縛進入空間軌道飛行，這需要諸多條件保證，需要解決氣動外形設計、總體布局、結構、材料、動力裝置、飛控系統(tǒng)、一體化設計、起飛、著陸等技術難題，重點攻克氣動設計、耐熱材料、超燃沖壓發(fā)動機三大技術難關，為空天無人機研制奠定技術基礎。

圖1 空天無人機系統(tǒng)工程框架圖。

氣動設計

空天無人機在爬升階段要經(jīng)受發(fā)動機的沖擊、振動及氣動力等影響，在返回階段要經(jīng)受燒蝕、顫振、抖振、擺振等考驗。在這種情況下，防熱系統(tǒng)既要保持良好的外形，又要能多次重復使用，其技術難度相當大?？仗鞜o人機采用翼身融合、單垂直尾翼或雙垂直尾翼等氣動布局設計，符合高超聲速面積律，適合突破高超聲速音障、熱障等一系列高速減阻、耐熱、降溫、散熱等嚴酷關卡，可借鑒航天飛機氣動設計經(jīng)驗，減少了研制中的盲目性，并少走一些彎路。

總體設計

圖2 空天無人機一體優(yōu)化設計過程圖。

空天無人機通常由翼身融合機體、系統(tǒng)控制艙、設備艙、任務載荷艙、動力艙、燃料艙等組成，圍繞目標函數(shù)，單/多因素的約束條件進行優(yōu)化，再經(jīng)過集成、量化、整合、協(xié)調、優(yōu)化、融合，最終完成具有突出功能的總體設計。這方面前有衛(wèi)星、飛船研制經(jīng)驗可借鑒，后有航天飛機研制經(jīng)驗可供參考，能極大降低研發(fā)風險，更有把握、更快地取得成功。

材料性能

空天無人機需反復使用，每次出入大氣層時，其表面都會與空氣劇烈摩擦而產(chǎn)生大量熱量，特別是以高超聲速返回進入大氣層時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度。機頭表面溫度約為1800℃，機翼和尾翼前緣表面溫度約為1460℃，機身下表面約為980℃，上表面約為760℃。因此，防熱系統(tǒng)必須重量輕、性能好、能重復使用，同時對材料性能也提出更高的要求。

空天無人機在飛行時，其機頭和機翼前緣的表面溫度可達2760℃。原來的氧化硅防熱瓦外罩就不再適用，單靠增加防熱層厚度來解決問題，將使重量大大增加。因此，要采用一種新型復合材料來代替，并且用于機頭、機翼前緣等一些特殊部位，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉移到溫度較低的部位。即采用新型冷卻裝置，避免高溫燒蝕。

為滿足空天無人機的防熱要求，研究人員正利用快速固化粉末冶金工藝制造高純度、輕質耐高溫合金。已研制出的高速固化鈦硼合金在高溫下的強度，已達到鈦合金在常溫下的強度，這種合金適宜用來制造機身內部結構件。機頭與機翼等溫度最高的部件，要求采用碳纖維復合材料，其表面有碳化硅涂層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基復合材料，例如碳化硅纖維增強的鈦復合材料兼有碳化硅的耐高溫性能和鈦合金的高強度。

動力裝置

固體火箭發(fā)動機、液體火箭發(fā)動機、渦噴發(fā)動機各具特點及適用范圍。渦噴發(fā)動機僅適合在大氣層內使用，不能在空間環(huán)境中使用。固體火箭發(fā)動機、液體火箭發(fā)動機可以在大氣層內外使用，但體積較大，重量較重。前者只能一次性使用，且燃料燃燒時間短，推力大小不可控；后者能多次點火，燃燒過程可控，推力大小可調節(jié)，但兩者經(jīng)濟性均不理想。

當前各國正在研制超燃沖壓發(fā)動機見圖3，其優(yōu)點是結構簡單、重量輕、成本低、單位推力大和適合超高速飛行。與火箭發(fā)動機相比，超燃沖壓發(fā)動機無需攜帶氧化劑，提高了任務載荷重量，可為高超聲速飛行器、跨大氣層飛行器、可重復使用的空間發(fā)射器和單級入軌空天飛機提供動力，其熱管理技術，主動冷卻和強預冷技術不僅要求運行有效，而且必須工作可靠，達到規(guī)定的使用壽命。

圖3 超燃沖壓發(fā)動機結構示意圖。

飛控系統(tǒng)

飛行管理與控制系統(tǒng)對空天無人機飛行任務起決定性作用，該系統(tǒng)包含速度、角速率、高度、氣壓、光流等多種傳感器。通過傳感器調節(jié)PID，增強空天無人機飛行控制的穩(wěn)定性，由電調控制電機轉速改變空天無人機的飛行姿態(tài)。

空天無人機的控制指令由系統(tǒng)自動發(fā)出?？仗鞜o人機的俯仰、滾轉和偏航控制，增升和增阻控制、自動配平、直接力控制以及改變空天無人機的構形控制，對空天無人機實施自動或半自動控制。自動駕駛儀、發(fā)動機油門的自動控制、結構模態(tài)抑制等保證空天無人機的穩(wěn)定性和操縱性，提高完成任務的效率，增強飛行安全控制性。目前空天無人機飛控系統(tǒng)有遙控飛行、遙控加自動控制、自主控制、智能控制等類型。

圖4 空天無人機飛控系統(tǒng)原理框架圖。

空天無人機的飛控系統(tǒng)由飛行性能、顯示、導航、制導四個組塊構成。

（1）性能組塊

該組塊用于速度計算和姿態(tài)限制，確定最佳姿態(tài)速度，給出空天無人機各階段飛行的建議數(shù)據(jù)。

（2）顯示組塊

由計算機選擇航線、導航點，輸出數(shù)據(jù)到地面控制站電子儀表系統(tǒng)的顯示屏上供監(jiān)控人員實時掌握。

（3）導航組塊

導航組塊在全程運行中計算位置、速度、姿態(tài)、風速等參數(shù)。其中導航數(shù)據(jù)庫存儲了大量有關空天無人機回返機場和航線數(shù)據(jù)以供編程時使用。

（4）制導組塊

由飛控系統(tǒng)下達操控指令、推控指令給子系統(tǒng)，制導組塊在全程運行中計算誤差并修正。

一體化設計

空天無人機設計中不僅需要解決平行的單因素技術，而且需要解決氣動、結構、材料、動力、控制等一系列交叉、匹配、整合的系統(tǒng)性問題見圖5。雖然超燃沖壓發(fā)動機一體化設計系統(tǒng)復雜，包括氣動力一體化、結構設計一體化、燃料供應和冷卻系統(tǒng)設計一體化和調節(jié)控制設計一體化，但設法把這些局部的氣動、結構、供燃、冷卻、調控作為一體運籌，予以系統(tǒng)性全面解決，則功能性、緊湊性、輕量化就落實到實處，先進性也就得到體現(xiàn)。在解決空天無人機降溫控制方面，若采取主動式冷卻防熱系統(tǒng)，把機體結構與防熱系統(tǒng)、燃料供應和冷卻系統(tǒng)一體化集成，即把機體結構設計成夾層式或管道式，先讓低溫推進劑在夾層內或管道內流動，吸走空氣與結構件表面摩擦所生成的熱量，達到降溫冷卻效果，然后再輸入發(fā)動機供燃燒做功，產(chǎn)生推力，這不失為妙招。

圖5 基于一體化設計的空天無人機。

起飛方式

空天無人機起飛方式可選擇火箭運載發(fā)射、滑跑起飛、飛機載運起飛。

（1）火箭運載發(fā)射

空天無人機與運載火箭捆綁為一體，在地面垂直發(fā)射升空后與火箭分離，然后加速沖出大氣層，進入地球軌道運行。優(yōu)點是空天無人機能在整流罩內回避起飛階段的氣動加熱，順利突破音障和熱障，節(jié)省自身攜帶的推進劑，以最短距發(fā)射、最快速度入軌，滿足快速發(fā)射的需要，缺點是發(fā)射費用相當高。

（2）滑跑起飛

空天無人機以滑跑方式離地升空，然后繼續(xù)加速爬升，直至沖出大氣層進入地球軌道運行。優(yōu)點是單級入軌屬于高科技技術的理想起飛方式。缺點是技術要求高，研制難度大，所承擔的技術風險大。

（3）飛機載運起飛

空天無人機由大型飛機搭載并位于其上方，飛機不斷加速爬升，抵達指定高度后，空天無人機與飛機分離，飛機返回機場，空天無人機自行啟動飛行，繼續(xù)加速爬升，直至沖出大氣層進入地球軌道運行。優(yōu)點是降低研制難度，減少技術風險。缺點是會增加管理、維護工作量。

著陸方式

空天無人機可根據(jù)技術要求選擇滑翔著陸、傘降返回、機動著陸方式，并在設計時固化。

（1）滑翔著陸

空天無人機結束在軌任務后再入大氣層，采取滑翔方式著陸。優(yōu)點是不必攜帶動力裝置，著陸時重量輕。缺點是一旦著陸失敗，風險增大。

圖6 大型飛機載運空天無人機起飛。

（2）傘降返回

空天無人機結束在軌任務后再入大氣層，采取傘降返回方式降落地面時，在末端打開降落傘，減速著陸。優(yōu)點是技術成熟，可靠。缺點是不適宜大中型空天無人機。

（3）機動著陸

空天無人機結束在軌任務后再入大氣層，采取機動著陸方式。其優(yōu)點是機動性好，選擇性強。缺點是技術復雜，需自行攜帶燃料，會增加著陸重量。

作為一種可重復使用的飛行器，空天無人機具備極強的再入大氣層與自主飛行能力，能夠在亞軌道與近地軌道之間切換飛行模式。亞軌道空間的大氣密度高，與近地軌道的環(huán)境截然不同，因此要求其防熱能力更強。

從能量綜合優(yōu)化方向進行空天無人機設計見圖7，可從源頭解決整機節(jié)能的核心難題。首先需要摸清全機的能量分布，再做好全機的能量分配，然后落實全機的能量使用。在使用過程中發(fā)現(xiàn)問題，找到薄弱環(huán)節(jié)，再進行補救、協(xié)調和改進，促成全機能量的科學轉化，使之更合理，達到更高效。其中的關鍵環(huán)節(jié)是，超燃沖壓動力熱管理、魯棒電力系統(tǒng)REPS（REPS系指強健的無人機機載電力能量優(yōu)化與綜合熱管理系統(tǒng)）和基于模型的設計技術等。

圖7 空天無人機能量綜合優(yōu)化設計框架圖。

遠景展望

空天無人機用途十分廣泛，例如能搭載人員在太空開展大量科學實驗和空間研究，將人造衛(wèi)星從地面帶到太空并釋放，回收在太空失效或毀壞的航天器如低軌道衛(wèi)星，修改好后再投入使用，甚至可以把新研制的空間實驗室裝進艙內，開展各項科研工作。

未來，人類航天任務異常繁重，空天無人機將承擔衛(wèi)星發(fā)射/回收、太空客貨運輸、空間站建設、太空旅游、太空冶金、太空制藥、太空醫(yī)療、太空探索等任務。

衛(wèi)星發(fā)射/回收

圖10 往返地球與太空的客運空天無人機。

空天無人機能夠一次搭載多顆人造衛(wèi)星在軌釋放，回收在軌毀壞和失效的衛(wèi)星，幫助清理軌道碎片，保持太空環(huán)境清潔及安全。

太空客貨運輸

空天無人機作為在地球與太空之間的往返運載工具，可開通定期、定點、定時航班供物流和人員來往見圖8。

圖8 空天無人機提供客貨運輸。

空間站建設

空天無人機可運載物資/人員到空間軌道參加空間站擴建、改建和修建等工作見圖9。

圖9 空天無人機運送人員參加空間站建設。

洲際客運

空天無人機能夠在全球范圍內提供跨洲際客運，地球上任何兩個城市間的直達航班飛行時間都不超過2h。美國設計的一種洲際空天客機，可容納乘客305人，在32km的高度以Ma5飛行速度飛行12000km航程。

太空旅游

在前期，旅客可乘坐空天無人機前往近地軌道觀光、空間站參觀；中期可組團到月球觀光；遠期可組隊去火星等其他星球觀光旅游。

太空冶金

企業(yè)利用空天無人機失重條件和真空環(huán)境，開展在軌冶煉特種合金、冶煉單晶材料等，進一步提高產(chǎn)品質量。

太空制藥

藥企在空天無人機提供的失重條件和真空環(huán)境下，進行在軌制藥和提純藥物，批量生產(chǎn)，造福人類。

太空醫(yī)療

醫(yī)務人員在空天無人機失重條件和真空環(huán)境中，對一些患者的疑難雜癥進行特殊治療。

太空探索

科研人員在空天無人機失重條件和真空環(huán)境中，開展科學研究和太空探索。■