臨近空間超長航時無人機發展現狀及趨勢

趙凱 (西安愛生技術集團公司)

針對衛星發射的高成本，以及受載荷限制，高空超長航時無人機近年來受到廣泛關注。此類無人機的動力是關鍵技術之一，目前主要有常規燃料、氫燃料和太陽能三種。

臨近空間通常指距海平面20～100km，傳統航空器的靜升限和航天器的最低運行高度之間的空域，屬于“空”與“天”的過渡區。根據美國的定義，高空超長航時無人機飛行高度在10km以上，續航時間應大于48h。本文討論的臨近空間超長航時無人機是一種能夠在20km以上高度持續飛行大于48h的無人機。

臨近空間超長航時無人機一般用于執行戰略或戰役偵察任務,具備持久的情報收集和戰場監視能力,并且可用作無人作戰平臺,因而成為當今各國武器裝備發展的重點。

2006年初，美國空軍科學顧問委員會發布題為《在臨近空間高度持久存在》的研究報告，認為高空長航時無人機是美國空軍近期利用臨近空間的最佳選擇。現有技術體系下，包括RQ-4“全球鷹”在內的常規動力高空無人機受限于機載能源供給水平，通常只能維持數十小時的持續飛行。為滿足更進一步的續航時間要求，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技術的進步，臨近空間超長航時無人機迅猛發展，國外已經形成太陽能和氫動力兩條主線，并行發展。以下按照能源類型，對已經取得一定成果的常規燃油動力、太陽能動力、氫動力分別進行分析。

常規燃油動力

現有的常規燃油動力臨近空間超長航時無人機主要采用渦輪增壓活塞發動機，活塞發動機的耗油率可降低到渦輪噴氣發動機的30%～40%，同時渦輪增壓器可解決高空飛行時因大氣稀薄導致發動機功率下降的問題，從而維持在20km以上的飛行高度。

20世紀80年代，波音公司采用多級渦輪增壓活塞發動機，開發了一種大型高空長航時無人機，該無人機被稱為“禿鷹”（Condor）。這是超長航時無人機發展史上的重要里程碑。“禿鷹”于1988年10月9日進行了首飛，并在1988～1989年進行了141h的飛行試驗，創造了飛行高度20420m的紀錄，在其中一次飛行試驗中留空時間曾經達到了2.5天。但是因為“禿鷹”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。“禿鷹”在氣候檢測和大氣研究方面也有著巨大的潛能，只是在當時這樣一架飛行器的費用大大超過了大部分民用機構的預算。最終，“禿鷹”被送進了圣地亞哥希勒博物館。

（左）“禿鷹”無人機。

（右）臉譜網的“天鷹座”（Aquila）無人機。

太陽能動力

太陽能無人機是以光能作為唯一能源的電動無人飛行器。白天，太陽能無人機依靠其上安裝的太陽電池進行光電轉換為動力系統、航空電子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儲能系統的電能和高度勢能。夜晚，它再通過蓄電池的電能和滑翔持續飛行。如果太陽能無人機每天白天存儲的能量可以滿足夜晚飛行的需要，能夠實現全年不間斷的晝夜持續飛行，若不考慮其部件的壽命，理論上就可以進行 “永久飛行”。

（上）谷歌的“太陽”（Solara）無人機。

（下）“西風”7無人機。

和傳統以化學燃料為能源的飛機相比，太陽能無人機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“綠色環保”飛行器。和衛星相比，太陽能無人機無需高昂的研發、發射費用，離地近，可回收重復利用，可控制航跡執行多種任務。同時，太陽能飛機受本身的特點和目前能源技術水平限制，存在速度低、尺度大、載荷能力小、抗風能力差等缺點，但隨著能源技術的發展，未來其載荷能力將進一步提升，可在平流層駐留數月甚至數年，是理想的臨近空間超長航時飛行平臺，應用前景廣闊。因此，臨近空間超長航時太陽能無人機目前成為一個發展熱點，如美國國防預研局（DARPA）可飛行5年的“禿鷹”（Vulture）項目、臉譜網可飛行3-6個月的“天鷹座”（Aquila）無人機、谷歌可飛行5年的“太陽”（Solara）無人機等，其飛行高度都在18～30km之間，航時數月或數年。

目前，已有一定應用價值高空超長航時太陽能無人機為英國的“西風”（Zephyr）7無人機。“西風”7無人機翼展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場完成了14天22分鐘的持續飛行，最高飛行高度達到21562m，同時打破了官方無人飛行器持續飛行時間和飛行高度紀錄。

2013年空客防務與空間公司收購“西風”無人機方案，計劃發展一款實用的“偽衛星”，并計劃發展“西風”8方案。“西風”8翼展2 8 m，重量60kg，續航時間3個月，巡航高度21336m，有效載荷5～10kg，據稱改進了機身、動力和推進，總體性能將提升60%。2016年2月，英國國防部將訂購2架“西風”8，合同價值1550萬美元。

（上）GO-0飛行試驗圖。（

氫動力

臨近空間氫動力無人機以液氫為燃料，分為氫燃料電池和氫內燃機兩種，氫燃料電池利用氫和氧在其內部發生的電化學反應產生電能，為推進系統供電；氫內燃機通常由活塞發動機改造而來，其原理與常規無人機類似，將汽油等常規燃料替換成具有更高比能量的液氫燃料，發動機只需消耗較少質量的液氫就可以獲得較大的功率。因此，可以實現數天至十數天量級的高空超長航時持續飛行。

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

航空環境公司發展的“全球觀察者”無人機采用氫燃料電池為動力，將發電機、發動機和電池組成一個全電力網絡，盡管設計上較為復雜，但在靈活性、可靠性等方面有明顯優勢。該機共發展了GO-0，GO-1和GO-2三個型號，計劃通過3架原型機來驗證在20km附近高空持續飛行一周的能力。

G O-0為縮比樣機，翼展為15.25m，重量約80kg，以氫燃料電池為動力，2005年進行了兩次低空飛行試驗，在相對低的高度進行了技術驗證試驗，是第一架采用液氫燃料電池的無人機。GO-1翼展53.3m，總重1805kg，有效載荷180kg，設計在20km飛行5-7天，2010年9月完成電池驅動飛行試驗階段，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力系統推進的首次飛行，飛行試驗持續4小時，無人機飛到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飛行試驗圖。

“鬼怪眼”無人機

波音公司的“鬼怪眼”驗證機采用的是通過燃燒液氫燃料的內燃機直接驅動螺旋槳，該機基于“禿鷹”無人機的基礎研制。“鬼怪眼”是一種采用兩臺活塞發動機，單臺功率110kW，翼展45.72m。按照設計要求，“鬼怪眼”可攜帶205kg有效載荷，在20km高空連續飛行長達4天。全尺寸的“鬼怪眼”無人機能夠攜帶1000kg有效載荷，一次可飛行10天。“鬼怪眼”樣機于2012年首飛，2014年完成第9次演示驗證飛行后被保存起來，同時尋求軍用和民用方面的機會以求繼續發展。

（下右）GO-2效果圖。

（上）“鬼怪眼”無人機。

（下）極元公司“奧德修斯”太陽能高空超長航時無人機。

發展趨勢分析

總體來看，國外太陽能無人機和氫動力無人機整體上已逐步進入實用化階段，常規燃油動力無人機則較為成熟。其中，常規燃油動力無人機已達到臨近空間超長航時無人機要求；而太陽能無人機的具有臨近空間長達數年的續航能力，但有效載荷承載能力有限，性能受日期和地域限制，在目前飛行試驗中已進入臨近空間，最長續航時間達14天；氫動力無人機有效載荷承載能力大，可續航數周，但飛行試驗中尚未達到臨近空間的高度要求。

因此，未來要實現較大載重能力，同時滿足臨近空間超長航時無人機的要求，若要求數天的續航能力，則采用常規燃油動力無人機是較好的選擇；若要求數周的續航能力，則需等待液氫燃料動力技術進一步成熟；若要求數月甚至數年的巡航能力，則需要在未來很長一段時間等待太陽能動力技術大幅度提升。

繼承，充分考慮環境可靠性和無人平臺限制，充分考慮海上無人系統信息裝備的模塊化、集成化、多功能化要求，加快無人系統走向實戰的步伐。

運用構想

海上無人系統信息裝備的作戰運用，本質是各類偵察感知數據、傳輸數據、任務控制指令、作戰指令等所有相關信息在單個無人系統內、無人作戰體系中各節點部門間的組織形式和流轉過程，受組織關系、業務流程的頂層約束，是海上無人系統信息裝備發揮作用的過程。信息關系根據不同規模、不同層次的裝備體系有不同的表現，需要根據不同約束情況開展設計。因此，建立從單平臺、多平臺編隊、有人無人編隊三個層次，以及遙控、自主、協同等使用方式和作戰任務出發考慮的典型信息關系結構十分必要。

在組織海上無人系統信息關系時，要充分契合所服務的無人系統的使命任務、作戰條件和方式等要求，與平臺其他系統和外界網絡充分協調。通常來說，在遙控模式和自主模式下，無人系統信息裝備主要針對平臺自身控制和任務開展運行，以控制平臺運動、控制任務設備工作為主要目的；在無人編隊模式和與有人系統協同模式下，除了平臺自身控制與任務控制外，無人系統信息裝備還要負責與其他節點進行交互和協同。但不論在哪種模式下，無人系統信息裝備都是按照“感知-處理-決策-行動-感知”的總體閉環回路進行信息組織，可見無人系統信息裝備的運用是以智能決策控制系統為中心，圍繞其開展信息的搜集、處理和交互的。因此，在任務系統專業化發展的基礎上，從體系建設發展和作戰運用的角度出發，提高決策系統的互操作水平，加強各類平臺互聯與協同，注重提高決策控制系統靈活性、通用性和模塊化，借鑒和共享有人平臺與無人平臺成熟技術是發展的必然要求。 ■