臨近空間太陽能無人機飛行平臺的特點及發展前景

吳洋

摘 要：隨著環境測量技術的日益發展和航空航天技術的結合，臨近空間飛行器漸漸成為了空天科研的熱點，以太陽能無人機、飛艇和臨近空間傳感器飛機的研究為先鋒，各國展開了對臨近空間制空權的爭奪，極大地推動了臨近空間飛行器技術的進步和發展。文章從飛行性能、軍事價值、技術支撐等方面介紹了太陽能無人機作為臨近空間飛行平臺的優勢，提出了結構與載荷射頻端一體化的設計思想，從技術實現方法的角度分析了一體化設想的可行性，最后從軍用和民用的使用范圍討論了臨近空間太陽能無人機飛行平臺的發展前景。

關鍵詞：臨近空間飛行器 太陽能 無人機 結構一體化

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（c）-0011-03

航空空間中存在風雨雷等氣候、地球重力、大氣壓力和日益復雜的電磁環境；航天空間則具有高真空、零重力、超低溫等特征，并存在來自宇宙的各種帶點粒子、宇宙射線、微流星和空間碎片等威脅。臨近空間不存在地表氣候的影響，空氣流動相對小，但同時也存在空氣稀薄，溫度變化大等情況，受電離層粒子、流星殘片等影響。

早期的空天研究多針對航空航天空間的應用和討論，隨著對臨近空間大氣環境監測、特征分析等技術的出現，臨近空間飛行器逐漸進入科研大眾視野，但是由于研究起點較低，目前的臨近空間飛行器仍然處于探索階段，而一些概念機和設計理念可以指導和推動各學科技術的發展。

該文首先介紹了臨近空間飛行器的不同種類，通過性能、可行性等各方面的比較，重點著眼于太陽能飛行平臺的特點和前景介紹，提出結構載荷一體化概念的設想，并對相關技術進行評估和展望，最后在應用層面對太陽能無人飛行平臺進行了介紹。

1 臨近空間飛行器的發展現狀

近些年，隨著環境測量技術的日益發展和航空航天技術的結合，臨近空間飛行器漸漸成為了空天科研的熱點，以太陽能無人機、飛艇和臨近空間傳感器飛機的研究為先鋒，各國展開了對臨近空間制空權的爭奪，極大地推動了臨近空間飛行器技術的進步和發展。

1.1 太陽能無人機

國外開展太陽能無人機研究的，主要為美國和歐盟國家，比較著名的有NASA的Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios（見圖1）四型太陽能無人機，以及Solong、Zephyr、HELIPLAT、Sky-Sailor等。

2009年3月初，美國國防部預研局啟動“禿鷹”計劃，該項目的目標是發展具有低軌道特性的傳感器平臺和通信中繼無人機系統，預想翼展150 m，飛行高度20 000～30 000 m，任務載荷450 kg，持續飛行時間5年，要求有與衛星相似的系統可靠性和余度。2010年，波音/奎奈蒂克公司團隊研制的太陽鷹（見圖2）戰勝了洛克希德·馬丁、極光飛行科學公司，贏得8 900萬美元的合同，該項目計劃將在2014年進行首次驗證飛行，該機翼展約123 m，留空時間30天，飛行高度17～27 km，概念外形如圖1所示。

1.2 飛艇

傳感器與結構集成（Integrated Sensor Is Structure，ISIS）項目是美國國防高級研究計劃局的近空間發展計劃，其目標是研制一種傳感器和飛艇結構集于一身的大型平流層飛艇，攜帶的巨型雷達與飛艇尺寸相當，實現對地面目標和空中目標的持續監視能力。ISIS作為一個遙感器系統，可以對地面大量“時間敏感”目標實施監視和跟蹤。

1.3 傳感器飛機

美國空軍將雷達、大型天線、電子監聽裝置和數據鏈集成在一起，用新穎復合材料和創新的結構設計圍繞集成好的組件模塑出一架大型飛機，計劃的目的是發展和完善這種飛機所需的技術。

美空軍正在為X波段雷達開發陣面為0.37 m2的X波段薄天線陣，將其裝在聯合無人作戰空中系統（J-UCAS）上進行驗證試驗。

2 太陽能無人機作為臨近空間飛行平臺的優勢

太陽能無人機相較于其他臨近空間飛行平臺，具有環保、造價相對低廉、高飛行性能、穩定性強，載荷能力突出等優勢，是一款具有高可持續性的飛行器平臺種類。

2.1 太陽能飛行平臺是實現高空超長航時任務的理想選擇之一

太陽能飛行平臺是一種以光能作為主要能量來源的電動無人飛行器。白天，它依靠其上安裝的太陽電池進行光電轉換，為動力系統、機載設備及任務裝載提供能量，維持正常飛行，同時將多余的能量儲存為蓄電池的電能和高度勢能；夜晚，依靠白天蓄電池儲存的電能維持正常運行。如果太陽能飛機每天白天存儲的能量可以滿足夜晚飛行的需要，就能夠實現不間斷的晝夜持續飛行。高空長航時太陽能無人飛行平臺具有空域機動、長航時、高空巡航的特點，其飛行高度可達20～30 km，航時可達數月甚至數年，是實現高空超長航時任務的理想選擇之一，可作為類“亞衛星”的空中信息化平臺，執行偵察、監視、通信中繼等任務，在軍事上具有的廣泛應用前景。

2.2 太陽能無人飛行平臺的軍事應用價值

“太陽能無人飛行平臺綜合一體通信中繼系統”的基本概念是以平均飛行高度約20 km的太陽能無人飛行平臺為載體，一是利用太陽能飛行平臺大翼展的優勢，機體和通信中繼設備一體化，有效增大通信天線的功率孔徑積，與低頻通信體制結合，實現對隱身目標的高效、遠距探測；二是利用太陽能飛行平臺的長航時優勢，在戰區上空形成持續的通信中繼能力；三是利用太陽能飛行平臺使用維護低成本的優勢，可大量裝備，形成國土防空、同機群組網前出作戰等多種使用環境的作戰能力?！疤柲軣o人飛行平臺綜合一體通信中繼系統”結合飛行平臺自身的技術優勢，可實現對我方通信節點持續、高效、遠距的中繼能力，為未來我軍通信中繼體系建設和能力的提升提供新型技術儲備，探索新的信息化發展道路。

2.3 太陽能無人飛行平臺的技術發展趨勢

太陽能飛行平臺方面，逐步向具有大載荷能力，可高空超長航時飛行的方向發展，以滿足長期高空飛行的軍事需求為主，填補臨近空間的飛行器空白。主要的技術發展趨勢為以下6點。

（1）衛星模式的高可靠性設計。

（2）太陽能量的高效收集、存儲、消耗。

（3）高升阻比的高效率氣動設計。

（4）低結構系數設計。

（5）高效電推進系統設計。

（6）結構與載荷的一體化設計。

3 結構與射頻端一體化概念方案設想

3.1 結構與射頻天線一體化設計及評估技術

為滿足結構與射頻天線的一體化，可通過天線與機翼的共形設計，制作出“可作為天線的機翼”；以高增益、低副瓣、寬角掃描的端射陣列形成天線面（見圖4），解決大尺度、扁平機翼天線型態下天線方向副瓣較高的問題；機翼材料以常規碳纖維結構為主，搭建輕薄型分布式天線系統，實現傳感器與平臺共體優化；從常規碳纖維結構和新型透波材料組成系統兩方面考慮，解決天線與結構存在的電磁耦合問題。

3.2 結構動態變形監測及天線射頻補償技術

太陽能飛機的大翼展在飛行中不可避免地出現擺動，若天線與翼展進行共形設計，則翼展的擺動也會導致天線出現形變，進而給數字波束形成、信號相參積累等帶來困難，機翼的形變對天線的影響很大，因此需要通過對機翼結構變形量的預測來修正天線參數，并且是隨機和實時的（見圖3）。

大展弦比柔性無人機機翼的形變測試方法主要有以下幾種。

第一類是光電飛行變形測量系統，它由機載光接收機和幾個機翼上安裝的光發射器組成，可以直接通過光的發射接收并采集位移信息，但其對超輕型飛翼布局重量太大，難以滿足高空長航時飛行目標。

第二類是傳統的應變計測量方法，通過電信號解算成變形信息，利用粘貼在機翼上的多組應變片測量當地的應變值。但應變片的連接導線是銅芯線，在應變片粘貼較多的情況下會造成重量負擔。

第三類是光纖光柵傳感測量系統。光纖光柵是利用紫外激光改變光纖材料性質，在光纖上制作成的一種光學無源器件，光纖光柵傳感測試技術是利用測量環境對光纖的影響，將物理量轉換成光束波長變化的新型光學測試技術。其具有精度高、重量輕、柔性大等優點，較適合于應用在大展弦比低翼載柔性無人飛行器領域。綜上所述，光纖光柵傳感測量系統相比于其他測量系統具有很多的優點。

3.3 結構天線一體化的高效環控技術

因太陽能飛行平臺的使用海拔高度為0～25 km，從環控角度來看，飛行任務可分為巡航飛行、起飛降落和地面調試3種工作狀態。環控系統的主要目的是使環控艙內設備均在要求的溫度范圍內。針對一體化天線陣列來講，面對重量和功耗的嚴格控制，環控的主要目的是在確保天線散熱能力的基礎上，實現高效率優化。

4 太陽能無人機飛行平臺的應用前景

太陽能無人飛行平臺續航時間長，巡航高度較高，任務適應性強，能夠隨時降落加以維修和變更有效載荷，效費比高，因而有著十分廣泛的潛在應用前景。

在軍事應用方面，太陽能無人飛行平臺能夠利用其飛行高度和續航時間優勢，完成長時間不間斷偵察與監視、目標定位、電子情報收集、電子干擾、通信中繼等作戰任務，生存能力較高。與衛星和巨型飛艇相比，具有成本低、機動性強、部署相對容易等特點。

在民用方面，太陽能無人飛行平臺可應用于國土資源調查、氣象觀測、環境監測、邊境巡邏、通訊中繼、空中和地面交通管理等任務；可在信號覆蓋地區以低成本代替通信衛星提供電視和電信服務；可在發生洪災、地震或森林火災等大型災難造成通信中斷時保持受災地區與外界的通信聯絡。

5 結語

太陽能無人飛行平臺技術的研究，可實現對我方通信節點持續、高效、遠距的中繼能力，為未來我軍通信中繼體系建設和能力的提升提供新型技術儲備，探索新的信息化發展道路，將推動我國相關學科科學和技術的發展，如氣動技術、高效能源系統、材料科學和控制技術等。因此，結合軍事、民用及對相關科學技術的帶動，開展太陽能無人飛行平臺的研究對我國國防和國民經濟建設以及科學技術的發展均具有重大意義。

參考文獻

[1] 王彥廣，李建金，李勇，等.近空間飛行器的特點及其應用前景[J].航天器工程，2007（16）：50-57.

[2] 王艷奎.臨近空間飛行器應用前景及發展分析[J].國防科技，2009，30（2）：20-24.

[3] 王亞飛，安永旺.臨近空間飛行器的現狀及發展趨勢[J].國防技術基礎，2010（1）：33-37.

[4] 李峰，葉正寅，賀濟洲.臨近空間浮升一體化飛行器氣動布局研究[J].飛行力學，2009，27（6）：22-25.

[5] 周張華，聶萬勝.近空間飛行器巡航方式對比分析[J].彈箭與制導學報，2008，28（6）：186-188.

[6] 聶萬勝，羅世彬，豐松江，等.近空間飛行器關鍵技術及其發展趨勢分析[J].國防科技大學學報，2012，34（2）：107-112.