張　健

“節(jié)點(diǎn)”臨近空間無(wú)人偵察／預(yù)警平臺(tái)是一種將情報(bào)、監(jiān)視、偵察(ISR)功能與遠(yuǎn)程預(yù)警功能集合于一身，以高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，能夠在臨近空間進(jìn)行超長(zhǎng)航時(shí)連續(xù)飛行的新概念裝備。與傳統(tǒng)的預(yù)警機(jī)相比，飛行時(shí)間更長(zhǎng)，采用有源相控陣?yán)走_(dá)，并采用共形天線(xiàn)技術(shù)，將雷達(dá)天線(xiàn)與蒙皮和機(jī)身結(jié)構(gòu)融為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)360度全空域、無(wú)盲區(qū)預(yù)警；與現(xiàn)有的執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視、偵察任務(wù)高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)相比，它的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)、任務(wù)載荷更多、隱身性能更好，而且兼具預(yù)警和ISR雙重功能，不僅能夠?qū)o止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行有效的偵察、識(shí)別、跟蹤與監(jiān)視，還能夠?qū)罩型{進(jìn)行有效預(yù)警。

創(chuàng)新的總體與隱身設(shè)計(jì)

“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)采用雙機(jī)身、前后串列翼、無(wú)垂尾布局。兩機(jī)身互相平行，并與互相平行的前、后機(jī)翼形成巨大的“口”字，機(jī)身截面形狀呈菱形。為了實(shí)現(xiàn)360度全空域無(wú)盲區(qū)預(yù)警，“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)采用共形相控陣天線(xiàn)技術(shù)。

“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)將天線(xiàn)布置在前后翼的下表面，并與機(jī)翼蒙皮融為一體；四塊平面相控陣天線(xiàn)布置在機(jī)身的四條邊上。四塊天線(xiàn)構(gòu)成巨大的“口”字形，增加了天線(xiàn)的口徑，可實(shí)現(xiàn)360度全向無(wú)盲區(qū)探測(cè)。而且天線(xiàn)安裝在機(jī)身，以及前、后機(jī)翼翼中段，這里的結(jié)構(gòu)剛度大，從而最大限度地減小了氣動(dòng)變形對(duì)天線(xiàn)的影響，能夠更好地發(fā)揮天線(xiàn)的性能。

與機(jī)翼共形的相控陣天線(xiàn)主要作為預(yù)警雷達(dá)天線(xiàn)使用，機(jī)身下方兩側(cè)的天線(xiàn)可以有兩種模式工作：預(yù)警雷達(dá)模式和合成孔徑雷達(dá)模式，因此可執(zhí)行對(duì)空預(yù)警和對(duì)地雷達(dá)三維成像雙重任務(wù)；機(jī)身上方兩側(cè)天線(xiàn)為預(yù)警雷達(dá)對(duì)上方全空域的威脅進(jìn)行預(yù)警探測(cè)，同時(shí)也是衛(wèi)星通信天線(xiàn)，用于無(wú)人機(jī)與地面站的遠(yuǎn)程通信與控制。

采用共形天線(xiàn)技術(shù)以后，天線(xiàn)與機(jī)體復(fù)雜的三維曲面融合在一起，可以克服線(xiàn)陣和平面陣掃描角小的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全空域掃描和全向感知；徹底避免了傳統(tǒng)飛機(jī)需要碩大的雷達(dá)罩和單獨(dú)為天線(xiàn)安裝布置突起物，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能帶來(lái)的不利影響，同時(shí)降低了雷達(dá)散射截面積，提高了飛機(jī)的隱身性能。

機(jī)頭下方安裝有綜合傳感器吊艙，光電／紅外傳感器和其他高性能專(zhuān)用傳感器安裝在里面。高性能渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)位于機(jī)身上部，從而避免了地面雷達(dá)照射發(fā)動(dòng)機(jī)葉片產(chǎn)生的巨大回波，因此大大提高了飛機(jī)的隱身性能；由于沒(méi)有垂尾，全機(jī)在側(cè)視圖上呈扁平狀，機(jī)身由四塊平面按能使飛機(jī)在最安全方向飛行的角度簡(jiǎn)單拼接而成；從上視圖看，飛機(jī)的邊緣均相互平行，這樣的設(shè)計(jì)可以將雷達(dá)波反射到幾個(gè)特定的角度上；在強(qiáng)雷達(dá)反射的直角部位涂上先進(jìn)的輕質(zhì)隱身材料。這一系列隱身設(shè)計(jì)可大大減小飛機(jī)的雷達(dá)散射截面積，提高了飛機(jī)生存力。

嶄新的非常規(guī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)

“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)采用了一系列增升減阻新技術(shù)。采用超大展弦比，前后翼串列布局，兩個(gè)機(jī)翼同時(shí)產(chǎn)生升力，避免了升力損失，或者可以在同樣的升力需求下減小機(jī)翼的尺寸，從而降低了阻力。超大展弦比機(jī)翼設(shè)計(jì)大大降低了誘導(dǎo)阻力，從而提高飛機(jī)的升阻比。這種布局一個(gè)先天劣勢(shì)是前后翼的干擾問(wèn)題，前翼對(duì)后翼氣流的阻滯與下洗，導(dǎo)致后翼的可用升力較小，抵消了該布局的氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)?！肮?jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)將采用一種創(chuàng)造性的解決方案來(lái)解決這一問(wèn)題：在后翼上表面采用弦向吹氣增升技術(shù)，克服前翼的氣流阻滯與下洗影響，從發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道引出低溫高速氣流，通過(guò)沿主翼中段展向縫狀噴口噴出，加速上翼面氣流，增加后翼環(huán)量，從而克服了氣流阻滯與下洗對(duì)后翼的不利影響。同時(shí)為了減少部件間的干擾阻力，“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)將采用主動(dòng)干擾控制技術(shù)，通過(guò)在轉(zhuǎn)折部位吹氣，主動(dòng)改變流場(chǎng)狀況，降低部件的相互干擾，減小阻力。為了進(jìn)一步減小飛機(jī)阻力，采用主動(dòng)層流控制技術(shù)，人為地增大層流面積，減小摩擦阻力。

為了使飛機(jī)在起飛、爬升、巡航、下滑的各個(gè)飛行階段都能獲得優(yōu)異的氣動(dòng)效率，“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)將采用壓電材料和柔性蒙皮制造能夠感受氣動(dòng)載荷的變化并主動(dòng)改變彎度的智能自適應(yīng)機(jī)翼，以使飛機(jī)在任何飛行狀態(tài)下均能達(dá)到最佳的氣動(dòng)性能。壓電材料是利用壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)研制的新型智能材料。壓電材料呈現(xiàn)壓電效應(yīng)時(shí)，在外電場(chǎng)作用下壓電體會(huì)產(chǎn)生形變，因此可以利用壓電材料制造機(jī)翼的前后緣，通過(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼的彎度與形狀控制。壓電材料在呈現(xiàn)逆壓電效應(yīng)時(shí)能夠?qū)⑿巫冝D(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)候壓電材料就是載荷傳感器，實(shí)時(shí)感知翼面載荷變化，使反饋控制成為可能。

為了更好地解決超大展弦比機(jī)翼嚴(yán)重的氣動(dòng)彈性變形問(wèn)題，“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)將采用先進(jìn)的主動(dòng)氣動(dòng)彈性控制技術(shù)，通過(guò)主動(dòng)控制技術(shù)改善機(jī)翼載荷分布，從而抑制或減小氣動(dòng)彈性變形問(wèn)題。另外，機(jī)翼采用復(fù)合材料整體成型技術(shù)制造，通過(guò)巧妙的剪裁設(shè)計(jì)，能夠大大增加機(jī)翼剛度，減少氣動(dòng)彈性的變形。

基于自適應(yīng)機(jī)翼的無(wú)舵面飛行控制的概念

在傳統(tǒng)的飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人們通過(guò)舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的氣動(dòng)力矩作為操縱力矩對(duì)飛機(jī)的飛行姿態(tài)實(shí)施操縱。這種操縱模式必須輔以許多液壓或電液驅(qū)動(dòng)舵機(jī)和其他配套的相關(guān)設(shè)備才能進(jìn)行，而且舵面的安裝破壞了連續(xù)光滑的機(jī)翼，導(dǎo)致很多縫隙從而產(chǎn)生很大的泄漏阻力，同時(shí)舵面偏轉(zhuǎn)還將增加飛機(jī)的雷達(dá)散射截面積值，不利于隱身。隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步與自適應(yīng)機(jī)翼的逐漸成熟，這里提出了基于自適應(yīng)機(jī)翼的無(wú)舵面飛行控制的概念設(shè)想，具體原理是這樣的：

自適應(yīng)機(jī)翼采用壓電材料作為形狀變化的驅(qū)動(dòng)材料，當(dāng)需要對(duì)飛機(jī)進(jìn)行操縱時(shí)，操縱信號(hào)由機(jī)載飛行控制計(jì)算機(jī)發(fā)出，并最終轉(zhuǎn)換成控制電壓，傳遞到機(jī)翼前后緣的壓電材料結(jié)構(gòu)上，壓電材料在精心計(jì)算的控制電壓的作用下發(fā)生形變，從而改變機(jī)翼的剖面形狀，進(jìn)而產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的操縱力矩，對(duì)飛機(jī)姿態(tài)實(shí)施操縱。同時(shí)，姿態(tài)傳感器將飛機(jī)當(dāng)前姿態(tài)反饋給機(jī)載計(jì)算機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)參照當(dāng)前飛行姿態(tài)對(duì)操縱信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)修整直到完成某一飛行操縱為止。通俗地講，就是通過(guò)協(xié)調(diào)機(jī)翼任意剖面的翼形氣動(dòng)特性，使整個(gè)機(jī)翼構(gòu)成一個(gè)“虛擬”的氣動(dòng)力控制面。這時(shí)候機(jī)翼宛如一個(gè)靈動(dòng)的翅膀，像鳥(niǎo)兒的翅膀一樣實(shí)時(shí)地感受氣動(dòng)力的微妙變化，快速地修正翅膀的角度與姿態(tài)，是一種高度智能化的飛行控制模式。

可以想見(jiàn)，在整個(gè)飛行控制過(guò)程中，作為神經(jīng)中樞的機(jī)載計(jì)算機(jī)是否具有對(duì)海量信息實(shí)時(shí)處理能力是這種概念操縱模式能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量與計(jì)算能力的幾何級(jí)數(shù)式增長(zhǎng)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)是可以實(shí)現(xiàn)的。

基于分子篩氫氧燃料電池新型供電系統(tǒng)概念

大功率相控陣?yán)走_(dá)、各種傳感器、航空電子設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的工作中要消耗大量電能，如果僅僅靠提取發(fā)動(dòng)機(jī)的軸功率來(lái)滿(mǎn)足所有的電力需求顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。“節(jié)點(diǎn)”無(wú)人機(jī)采用一種基于氫氧分子篩燃料電池的新型供電系統(tǒng)。它的工作原理是這樣的：沿機(jī)身中軸線(xiàn)布置一個(gè)圓柱形空腔，機(jī)身頭部開(kāi)口，正對(duì)來(lái)流方向，無(wú)人機(jī)在平飛時(shí)，高空的稀薄的空氣被灌入空腔，利用氣體的沖壓作用，密度增大，壓強(qiáng)升高。在空腔內(nèi)部均勻地按比例涂上能將空氣中的氧氣析出的分子篩薄膜，析出的氧氣通過(guò)管道輸送到位于機(jī)身中部的燃料電池反應(yīng)器中與自身攜帶的液態(tài)氫燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)將電能源源不斷地供給相控陣?yán)走_(dá)、各種傳感器和其它航空電子設(shè)備。

由于氧氣直接取自空氣，因此節(jié)省了燃料重量，供電時(shí)間也可大大延長(zhǎng)，十分經(jīng)濟(jì)。這種燃料電池產(chǎn)生的廢物是水，對(duì)空氣無(wú)污染。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，因此是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保高效的新型機(jī)載能源系統(tǒng)。目前，分子篩制氧技術(shù)已經(jīng)在有人駕駛飛機(jī)飛行員的生命保障系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。隨著材料技術(shù)和分子篩析取氣體效率的不斷提高，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，分子篩膜可以做得很薄，直接貼附在圓形空腔的內(nèi)壁，增加與空氣的接觸面積，提高氧氣的制備效率。同時(shí)高空的低溫空氣進(jìn)入機(jī)身后，能夠帶走大量熱量，起到很好的冷卻作用。