“西風”保持著太陽能飛行的領先地位

目前，太陽能在許多技術領域得到了應用，以太陽能為動力實現不間斷長時間飛行已經不是一個新的概念，但是在實現太陽能動力飛行過程中，試圖在平流層進行極端耐久飛行時，就會遇到幾個重大挑戰，就像“西風”（Zephry）計劃一樣。

在“西風”計劃正式啟動之前，有人駕駛飛機與無人駕駛飛行器領域已經進行過幾次大膽嘗試。不同的是，“西風”無人機已進行了飛行試驗，并且顯示出潛在的作戰效能，目前已經收到了英國國防部下屬軍事客戶的訂單。如果驗證工作順利，首批2架“西風”無人機將在今年底開始接受作戰測試和性能評估。

延長續航時間

“西風”計劃于2003年由英國奎奈蒂克公司（QinetiQ）發起，并實現了世界持續飛行紀錄，多架原型機在澳大利亞、歐洲和美國的各個地點建成并飛行，在尺寸和性能上不斷得到提升。

2003年，首架“西風”原型機在英國康沃爾郡進行了起飛試驗，但是用于牽引的氣球發生漏氣，導致試飛失敗。2005年2月，第二架原型機在澳大利亞武麥拉試驗場再度借助氣球牽引，進行了初次試飛，然而在測試過程中遭遇到狂風，導致無人機在10000m高空失控。同年12月，“西風”5原型機實現了4h持續飛行，飛行高度為10973m。2006年7月底，一架“西風”無人機持續飛行了18h，其中包括在夜間飛行了7h。

從設計上看，“西風”無人機是一種翼展達16m但重量只有27kg的輕型太陽能無人機，采用了拱形翼尖小翼，在翼尖處設計了一種彎折裝置，以增強氣動性能。覆蓋在機翼上部的太陽能電池組在白天為飛機提供動力，同時將能量儲存在可充電的電池組內，以便在夜晚繼續提供充足的動力。該機的設計目標是實現在15240m以上高度連續飛行數月時間。

2007年，奎奈蒂克公司為“西風”無人機改裝了新式非晶硅太陽能電池組和一套鋰硫電池，在由透明聚酯薄膜板制造的機翼上固化了一層太陽能陣列電池板，顯著提高了電源系統的效率，并于9月10日完成了54h的持續飛行，飛行高度達到17780m，再次創造了新的飛行紀錄，打破了RQ-4A“全球鷹”無人機在2001年3月創下的30h24min的無人機最長飛行時間紀錄。2008年8月，“西風”無人機的持續飛行時間延長到 82h37min。

2010年7月9日，奎奈蒂克公司全新設計的一架“西風”7型太陽能無人機攜帶著27.7kg的有效載荷，在美國亞利桑那州的一個試驗場上空連續飛行超過了14天，達到336h22min8s，達到了21562m的飛行高度，從而創造了無人機不間斷飛行時間的新紀錄，朝著預期飛行3個月的最終目標前進了一大步。

發展HAPS概念

2013年3月，空中客車集團防務與空間公司收購了“西風”計劃，構成了該公司高空偽衛星（High Altitude Pseudo Satellite，HAPS）概念的飛行器組件。

針對“西風”計劃，空客公司制定了一個提高載荷能力的路線圖，在制造“西風”8無人機的基礎上，將設計和制造新一代太陽能無人機。為此，研制人員開始著手測試無人機通信適配性和光電傳感器，利用此前制造衛星的技術和經驗來減少機載關鍵設備的體積和重量。

自2008年以來，空客公司一直致力于研發HAPS，并將其作為一個跨部門的項目來研制和發展多種能力。HAPS并不是與衛星或傳統的高空長航時（HALE）無人機競爭，而是擁有已實現的一些獨特能力。例如，如果未被派遣其他任務，HAPS可以持續數月地提供季節性監測能力。針對HAPS，空客公司已經將遙感和類似衛星的通信應用確定為感興趣的領域，準備將一些任務載荷集成到“西風”無人機上。

空中客車公司看好HAPS的賣點是能夠像衛星一樣提供全球覆蓋和長期運行，同時提供了典型的燃油無人機或載人飛機所具有的重點關注局域事態的能力。所有這些都是以非常低的成本實現。

與衛星相比，“西風”無人機價格低廉，在動力方面自給自足，并能提供更精確的觀測數據，彌補衛星觀測的不足。更為重要的是，“西風”無人機能以極低的費用起飛升空，一旦到達預定高度并開始工作，可以很容易實現任務重新規劃，如果任務載荷出現故障，還可以快速恢復、維修并重新起飛。

與普通無人機的不同之處在于，“西風”無人機將太陽能存儲在鋰硫電池中，無需頻繁地著陸補充燃料，從而改變了操作方式。該機可以自動駕駛，在預先設定的航路點之間飛行，不需要人工參與?？湛凸窘ㄗh，HAPS可以采用與衛星相同的方式運行，對所需的操作幾乎不進行直接的控制與監督，而是由一名操作員通過非連續通信方式控制多個平臺。

空客公司指出，盡管平臺很輕，載荷能力較弱，但HAPS的運行高度使其作為衛星運行時，可以攜帶1kg的裝備載荷，即等效于低地球軌道衛星攜帶1t的裝備載荷。HAPS的運行高度為20km，而相同功能的衛星運行高度為600km。

HAPS的成本方案也非常有吸引力，空客公司預計，當生產率和運營需求達到確定水平時，飛行器的成本約為100萬美元，每飛行小時的運行成本低至100美元。無疑，“西風”無人機的任務能力與相對低費用將重塑無人機后勤操作。

面臨多種挑戰

“西風”無人機飛行途經的空域中，同時存在著技術和環境挑戰。太陽能飛機在平流層中運行，需要重量非常輕并具有非常高效的設計。然而，它也必須具有良好的堅固和耐用，可以在所處飛行高度的極低溫度下正常工作，并且能在通向工作空域的6h飛行過程中，順利通過遇到的湍流。

太陽能飛機仍然存在的最大限制之一是夜間需要使用電池作為電源，并且由于電源功率要求而限制了飛行的緯度。例如，在過于偏北或偏南的地方，太陽光的照射強度較弱，無法滿足電池充電的需求。但“西風”無人機目前已證實可以運行在更高的高度與更高的緯度，這是它與其他太陽能飛機的顯著區別。

在國際無人機系統協會（AUVSI）的會議上，“西風”計劃的創始人之一保羅？布魯克斯（Paul Brooks）指出，盡管進行太陽能飛行且達到高空不是特別困難，但長航時飛行的主要挑戰在于如何維持飛行高度和在夜間正常飛行。

為了高效地飛行，并提供有持續的通信服務，高空太陽能飛機必須保持在地球高空的大氣急流（Jet Stream）（約13716～15240m）之上飛行，并避開那些高度及以下的潛在湍流。如果一架飛機無法維持飛行剖面，即在夜晚期間沒有保持在必要的高度（例如由于電池電量不足），它將不得不下降到對流層頂（對流層和平流層交界處），并可能會遇到湍流，無法高效飛行和提供作戰能力。

在急流內，較慢的飛機無法保持位置。由于“西風”無人機將能夠在急流之上運行，其速度將超過風速，使其能夠停留在站位或轉移到作戰區域。

布魯克斯指出，在赤道附近飛行是一個更好的建議。這里，太陽的輻射強度更大，而且由于風更輕且高度更低，使大氣急流造成的影響較小，從而使無人機可以在較低的高度和較慢的速度下飛行。

優化S型結構

根據目前的設計構型，空客公司制造的最新型號是“西風”S（Zephyr S）無人機，之前稱為“西風”8，名稱中的“S”代表了它采用了單梁尾翼。這架正在制造的無人機將交付給英國國防部。

“西風”S無人機的碳纖維機身設計采用了支撐機翼的桿式機身形式和T形尾翼部件，機頭設計有載荷艙。該機只采用了方向舵和升降舵，沒有采用柔性機翼和擾流板等復雜的控制元件。機翼和水平尾翼的上表面覆蓋著太陽能電池，每個機翼裝有一個電力推進單元，突出安裝在機翼內側部分的前緣?！拔黠L”沒有安裝起落架，依靠人工手持輔助起飛，借助機身著陸。

根據布魯克斯介紹，“西風”S在性能上比“西風”7無人機高出112%，表明在續航能力方面是后者的兩倍。

按照目前的配置，“西風”S的翼展25m（“西風7”的翼展為22.5m），可以實現至少30天的續航飛行，總重62kg，其中大約一半由電池占據，有效載荷為5kg，通過降低飛機質量和提高功率效率相結合，可以實現性能提升。最新的飛行器比其前身減重約30%，可以承載1.5倍重量的電池，絕熱層的重量也減少了20%。目前，該機已經實現輕量化，同時保持了機身的強度和完整性，在試驗室，“西風”S經受了2.5g翼展載荷的測試。

“西風”S無人機性能提升的關鍵是電源技術。該機安裝了MicroLink Devices公司生產的太陽能電池板，采用了基于砷化鎵的技術，每千克重量能產生1500w的能量，可以提供28%的轉換效率。

“西風”無人機將太陽能電池板與機身融合是一個關鍵設計。由于其結構非常輕薄，完成這樣的設計絕非易事，因此該機采用了聚酯薄膜。目前看來，“西風”所使用的太陽能電池技術已經足夠先進，并可以支持當前和未來在40°緯度上實現全年飛行的性能要求。

“西風”無人機在飛行高度使用紅外傳感器的一個優勢是環境溫度非常低，通常為零下83℃。

驗證T型設計

空客公司在認識到“西風”S無人機無法執行一些所需的任務后，開始著手研發一種尺寸更大的“西風”T無人機。它擁有33m的翼展，其中的“T”指代的是雙尾翼構型?！拔黠L”T無人機更重，最大重量高達140kg，可以攜帶20kg任務載荷。新型號將沿用“西風”S無人機的機身結構、航空電子設備、軟件和其他系統，并采用了相同的電源系統。

“西風”T無人機在大展弦比機翼的中央位置設計有一個任務載荷“吊艙”，在兩側分別設計有尾撐，尾撐前端容納了牽引式推進裝置，末端分別安裝有不相連的兩個T形尾翼。目前，空客公司已經完成了“西風”T縮比尺寸驗證機的初次飛行試驗，預計在2018年將制造全尺寸原型機，并進行首次試飛，初步計劃在2019年投入使用。

布魯克斯指出，與“西風”S無人機一樣，“西風”T無人機的設計目標和挑戰是在最差的氣候條件下（例如高緯度地區的冬末春分時節）提供飛行能力，因此功率和質量成為關鍵性因素。

“西風”T無人機預計提供的附加功能包括寬帶通信和“主動”情報搜集、監視與偵察（ISR），其中可能包括為其配備合成孔徑雷達（SAR）或激光雷達。許多任務載荷和作戰想定已經在“西風”平臺上進行了試驗，包括遙感、光電/紅外（EO/ IR）、通信中繼和信號監測傳感器。

布魯克斯表示，典型的無人機EO/IR設備已經集成到飛機上，包括一個雙軸平衡i2Tech UlS設備，只需要不到20W的功率就能在19812m距離下提供50cm的分辨率，并具有35倍的光學變焦。50cm的分辨率通過使用光電（EO）單元和中波紅外攝像機實現，18cm的分辨率則使用了一種定制的輕量級EO/IR設備實現，而空客公司希望通過為光學和紅外攝像機配備實時高清或4K視頻來實現15cm的分辨率。

另外，據《簡氏防務周刊》報道，2013年，“西風”無人機在美國進行的試驗中。曾經將戰場手持式戰術無線電設備搭載至高空，實現了644km傳輸距離。

為了支持數據和圖像的實時傳輸，“西風”無人機還配備有一個S波段的數據鏈路，在200km范圍內將數據傳輸到一個直徑1.2m的拋物面天線時，傳輸速度可以達到10Mb/s。此外布魯克斯表示，如果是下載到一個更大的天線中，下載速度可以達到100Mb/s。

與“西風”S相比，“西風”T無人機將是一種尺寸更大和性能更好的平臺。

接受用戶評估

“西風”無人機的一個主要優勢是具備提供中繼高帶寬應用的能力，潛在的民用價值包括大氣與環境數據采集、地圖與攝像、災區通信中繼和火災監視。早在2010年，“西風”無人機在英國國防部資助的為期兩周飛行試驗中，搭載了由奎奈蒂克公司研制的一款軍用通信載荷。在其他飛行試驗中，該機搭載了照相機和通信中繼載荷。在此基礎上，空客公司在軍事和安全領域為“西風”無人機發展了許多潛在的作戰概念（CONOPS）。

作為第一位評估“西風”無人機的軍方客戶，英國國防部已經訂購了3架“西風”S飛行平臺，其中兩架于2016年2月訂購，總價值為1060萬英鎊（折合1360萬美元），隨后在同年8月追加訂購了第3架，合同總金額達到了1300萬英鎊。這些無人機將成為作戰概念驗證（OCD）的一部分，用以評估“西風”無人機用于英國軍隊和其他政府部門的性能與潛力。

在擁有3架飛機的情況下，這項計劃將能同時測試兩架“西風”S無人機，并驗證運行交接能力，以表明這種高空長航時能力可以無限期地保持下去。

作戰概念驗證將于今年晚些時候進行，預計持續3個月。其后，這些無人機將立即交付給英國國防部，而此前預計交付的時間是2017年夏天?？湛凸緦⒃谧鲬鸶拍铗炞C中負責操作和控制這些飛機。

在作戰概念驗證期間，可以測試的一個性能是通過3G蜂窩數據系統以及后來的4G傳輸實時圖像和視頻的數據鏈路。2015年12月，羅克邁諾研究公司（Roke Manor Research）收到英國國防部授予的一份合同，負責研制可以在高空長航時無人機上使用的數據鏈路，從而與50km外的基站保持通信。當時，該項目方案預計使用現成的商用3G硬件，結合定制的自適應波束成形技術，通過將信號引導到特定的蜂窩基礎設施或軍事基站來實現從高空進行傳輸。

羅克邁諾研究公司的代表表示，該方案將利用其“智能鏈”（Smartlink）系統，并規劃5-10Mb/s的吞吐量，加以與民用及軍事基站的配合能力。這一能力歸功于無人機的機載數據轉換性能：無人機上的處理單元下載并轉換軍事頻段中用于基本頻段處理的信號，然后將其轉換并上傳至民用頻段，從而進入標準民用蜂窩調質解調器。設計人員已經考慮了包括抗干擾能力在內的軍用特性。

根據發展規劃，英國國防部希望組建一支由“西風”無人機組成的中隊，在戰場前線和自然災害地區的上空執行偵察任務，并提供通信中繼。

（責任編輯：溫杰）