段海濱，范彥銘，張雷

(1.北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191;2.北京航空航天大學(xué) 飛行器控制一體化技術(shù)重點實驗室，北京100191;3.中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽110035;4.中國人民解放軍 空軍裝備部，北京 100843)

高空長航時(high-altitude long-endurance，HALE)無人機是指飛行高度在18 000 m以上，飛行時間不少于24 h的無人駕駛飛機(unmanned aerial vehicle，UAV)［1］.在未來戰(zhàn)爭中，高空長航時無人機將成為偵察衛(wèi)星和有人駕駛戰(zhàn)略偵察飛機的重要補充和增強手段，同時也成為獲取戰(zhàn)略情報的重要手段之一［2-5］.高空型長航時無人機在戰(zhàn)場上的任務(wù)是對敵方進行戰(zhàn)略或戰(zhàn)役偵察，具備持久的情報收集和戰(zhàn)場監(jiān)視能力，并且可轉(zhuǎn)換成對地作戰(zhàn)平臺.高空長航時無人機已經(jīng)成為當今各國武器裝備發(fā)展的重點，被美國空軍列為21世紀的關(guān)鍵技術(shù)之一［6］.

高空長航時無人機與有人駕駛戰(zhàn)略偵察機相比，其最主要的優(yōu)勢是不必考慮人的安全問題，在危險區(qū)域執(zhí)行偵察任務(wù)時，既不必冒生命危險，也不需派遣護航機保護，無人機還能晝夜持續(xù)進行空中偵察探測，這些都是有人駕駛戰(zhàn)略偵察機所不及的［7-9］.以美國“全球鷹”為例，其巡航高度可達19 850 m，可在距防空武器發(fā)射區(qū)5 556 km的范圍外活動，具有全天候偵察能力，為了滿足高空長航時的任務(wù)要求，飛機最大起飛重量為11 610 kg，其中燃料約6 600 kg，載油系數(shù)非常高，有效地利用了機內(nèi)的空間，飛機采用了大展弦比的直機翼(翼展為35.5 m)，為了兼顧低可探測性的要求，飛機采用了V型尾翼和背負式進氣道.“全球鷹”可同時攜帶光電、紅外傳感系統(tǒng)和合成孔徑雷達，既可進行大范圍雷達搜索，又可提供74 Gm2范圍內(nèi)的光電/紅外圖像，目標定位的圓誤差概率最小可達20 m，另外裝有1.2 m直徑天線的合成孔徑雷達能穿透云雨等障礙，能連續(xù)地監(jiān)視運動的目標.2006年，第一架生產(chǎn)型“全球鷹”無人機部署到中東地區(qū)，用以支持美軍在伊拉克和阿富汗的軍事行動.

根據(jù)我國未來無人機發(fā)展的戰(zhàn)略需要，為了全面提升高空長航時無人機飛行的安全性、經(jīng)濟性和可靠性，本文將從多目標組合優(yōu)化設(shè)計、能源動力、軟件使能自主控制、自主導(dǎo)航、測控和信息傳輸、多機分布協(xié)同等方面提出高空長航時無人機的發(fā)展思路，可提升高空長航時無人機系統(tǒng)方面的可持續(xù)發(fā)展能力，增強我國在相關(guān)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力，支撐和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，為創(chuàng)新型國家建設(shè)和保障國家安全提供必要的發(fā)展戰(zhàn)略支撐.

1 高空長航時無人機技術(shù)發(fā)展思路

圖1給出了所提出的高空長航時無人機技術(shù)發(fā)展新思路的框架.

圖1 高空長航時無人機技術(shù)發(fā)展新思路框圖Fig.1 Block diagram of HALE UAV new technical development

1.1 高空長航時無人機多目標組合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

高空長航時無人機的設(shè)計過程是一個典型的系統(tǒng)工程［9］.按照系統(tǒng)工程的觀點，概念設(shè)計階段負責(zé)確定高空長航時無人機的外形、載荷、尺寸、質(zhì)量和其他總體性能，高空長航時無人機一切好的或壞的特征均在設(shè)計的起始階段被確定下來［10］.衡量一個高空長航時無人機設(shè)計是否成功的標準很多，通常情況下這一目標并不具有惟一性.由于對飛機的要求是多方面的，因此，進行多目標總體優(yōu)化的好處是能對眾多方面的要求進行協(xié)調(diào)分析，從而發(fā)掘方案潛力，提高設(shè)計質(zhì)量.

傳統(tǒng)的無人機設(shè)計方法是一種串行設(shè)計模式，存在諸多缺陷，例如虛擬設(shè)計階段短缺、各學(xué)科配合不到位、不能充分利用虛擬設(shè)計階段時的自由度來改進設(shè)計質(zhì)量、不能集成不同學(xué)科以實現(xiàn)最優(yōu)化等，這種設(shè)計方式不能適應(yīng)新的需求，導(dǎo)致設(shè)計的僵化.隨著現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，一種跨學(xué)科多目標的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化思想開始出現(xiàn).其基本思路是:增加虛擬設(shè)計在整個設(shè)計過程中的比例，在設(shè)計的每個階段力求各學(xué)科的平衡，充分考慮各學(xué)科間相互影響和耦合作用，應(yīng)用有效的設(shè)計/優(yōu)化策略對設(shè)計過程進行優(yōu)化，應(yīng)用分布式計算機網(wǎng)絡(luò)來組織管理整個系統(tǒng)的設(shè)計過程，通過充分利用各個學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，以獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解［11］.

目前多目標系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法尚未成熟，處于對最優(yōu)化方法的探索階段.高空長航時無人機系統(tǒng)的多目標組合優(yōu)化設(shè)計是總體設(shè)計階段所需解決的一個重要問題.在全面考慮氣動、隱身、結(jié)構(gòu)、發(fā)動機等因素的前提下，今后可著重研究該方向的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)運用飛行器設(shè)計理論進行高空長航時無人機總體布局設(shè)計;

2)高空長航時無人機多目標組合優(yōu)化建模技術(shù);

3)高空長航時無人機多參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，這些參數(shù)包括總體參數(shù)設(shè)計、發(fā)動機匹配、機翼平面參數(shù)設(shè)計、翼型選擇、舵面配置以及起落架參數(shù)設(shè)計等.

1.2 高空長航時無人機氣動－隱身一體化設(shè)計技術(shù)

隱身化是現(xiàn)代和未來武器裝備的重要發(fā)展趨勢，隱身技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也日益成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中決定勝負的一個重要因素［12］.無人機的隱身性能在很大程度上決定于其氣動布局方式.對高空長航時無人機而言，由于飛行任務(wù)與結(jié)構(gòu)的限制，對實現(xiàn)隱身十分苛刻.因此必須綜合考慮氣動和隱身要求，運用一體化設(shè)計思路尋找氣動和隱身性能要求的最佳組合搭配.高升力、低雷諾數(shù)和跨聲速是高空長航時無人機主要的氣動特征，在進行相關(guān)的氣動設(shè)計和分析過程中，必須處理流動的粘性問題或邊界層問題.由于長航時飛行，不僅要求發(fā)動機耗油率低、機內(nèi)儲油空間大，而且要求巡航阻力小，這就需要采用大展弦比、厚翼型機翼，于是在小迎角下翼面上就可能出現(xiàn)超聲速區(qū)，從而導(dǎo)致跨聲速問題.

影響高空長航時無人機隱身性能的因素包括機翼構(gòu)型、翼身結(jié)合方式、尾翼形式、部件遮蔽等.如何從低雷諾數(shù)條件下氣動性能的要求出發(fā)，綜合隱身要求是現(xiàn)階段高空長航時無人機氣動設(shè)計方面面臨的主要問題［13］.面對高空長航時無人機的高升力、低雷諾數(shù)和跨聲速等主要氣動特征，可以通過具備描述邊界層轉(zhuǎn)捩和分離能力的分析和設(shè)計工具進行相關(guān)的氣動設(shè)計和分析，處理流動的粘性問題或邊界層問題.

今后可研究如何采用XFOIL技術(shù)來解決高空長航時無人機翼型的分析與設(shè)計問題，XFOIL通過指定特定的表面速度分布，計算轉(zhuǎn)捩的氣泡分離等，對翼型進行設(shè)計和優(yōu)化.可以實現(xiàn)完全反設(shè)計和混合反設(shè)計，并且可以進行互動式的翼型優(yōu)化設(shè)計，可望在我國高空長航時無人機的氣動－隱身一體化設(shè)計與研究中發(fā)揮一些促進作用.由此，今后可著重研究該方向的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)基于面元法的氣動性能計算技術(shù);

2)基于物理光學(xué)法的雷達散射截面積計算技術(shù);

3)基于XFOIL技術(shù)的高空長航時無人機翼型分析與設(shè)計技術(shù);

4)基于智能優(yōu)化氣動性能目標與隱身性能目標之間的折衷技術(shù);

5)推進/熱控/氣動力/姿態(tài)耦合特性分析與建模技術(shù).

1.3 高空長航時無人機能源動力技術(shù)

高空長航時無人機對動力的要求包括發(fā)動機應(yīng)具有良好的燃油經(jīng)濟性，穩(wěn)定的高空工作能力，良好的任務(wù)可靠性和良好的爬升能力;發(fā)動機的重量應(yīng)盡可能輕，壽命應(yīng)盡可能長，成本應(yīng)盡可能低;由于高空的空氣密度低，發(fā)動機的散熱不好，對發(fā)動機的冷卻提出了更高的要求.而采用普通的發(fā)動機和電池已不能滿足無人機長時間高空飛行的要求［14］.由于高空長航時無人機與民用運輸機對發(fā)動機的要求有許多相似之處，例如它們都要求發(fā)動機的重量輕、油耗低、成本低、工作壽命長、維護性好、可靠性高等.因此，可以考慮采用現(xiàn)成的民用大涵道比渦扇發(fā)動機作為高空長航時無人機的動力.在高空條件下，由于空氣密度減小，雷諾數(shù)的降低帶來許多問題，如壓氣機的喘振裕度減小，并且由于功率提取的增加，壓氣機的喘振裕度進一步減小.因此，渦扇發(fā)動機在用作高空長航時無人機動力時，需根據(jù)其任務(wù)特點進行一些適應(yīng)性的技術(shù)改進.由此，今后可著重研究該方向的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)渦輪－沖壓組合發(fā)動機技術(shù);

2)渦扇發(fā)動機技術(shù);

3)基于液氫(LH2)為燃料的推進系統(tǒng);

4)太陽能動力技術(shù);

5)燃料電池推進技術(shù).

1.4 高空長航時無人機軟件使能自主控制技術(shù)

高空長航時無人機的飛行速度、高度等變化很大，從而大氣密度或動壓均會隨之在大范圍內(nèi)變化.另外飛行航跡因飛行任務(wù)的不同而不同，這些因素都使得無人機成為一個模型不準確、參數(shù)和干擾大范圍不確定性變化的被控對象［14］.針對高空長航時無人機的飛控系統(tǒng)面向的環(huán)境、任務(wù)、功能的日益復(fù)雜和更多的不確定性，研究和實現(xiàn)增穩(wěn)控制、主動控制、自適應(yīng)控制、自動飛行和飛行管理、健康管理等多重任務(wù)系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合技術(shù)，依據(jù)軟件使能控制理論與技術(shù)解決復(fù)雜飛控系統(tǒng)的軟硬件綜合實現(xiàn)問題.軟件使能自主控制不僅在于控制理論和實時計算的先進性，還在于控制算法和實現(xiàn)平臺(軟件和硬件)的交互作用和統(tǒng)一.此外，基于仿生智能的自主控制技術(shù)也是該領(lǐng)域一個重要的研究內(nèi)容［15］.今后可著重研究該方向的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)多操縱面飛行控制技術(shù);

2)魯棒自適應(yīng)控制技術(shù);

3)綜合飛行/推進隱身控制技術(shù);

4)可重構(gòu)飛行控制技術(shù);

5)余度配置理論與余度容錯高可靠控制技術(shù);

6)面向突發(fā)事件的航路重規(guī)劃技術(shù);

7)仿真建模的校核、驗證與確認技術(shù).

1.5 高空長航時無人機自主導(dǎo)航技術(shù)

高空長航時無人機由于飛行距離遠，航行時間長，對導(dǎo)航定位精度提出了很高的要求［16］.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以其時間短、精度高，可以連續(xù)輸出位置、速度、姿態(tài)信息，以及完全自主等突出優(yōu)點［17］，已被各種類型的飛行器普遍采用，但其誤差隨時間積累而逐步擴大.根據(jù)長航時無人機對隱蔽性的要求，需要完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，并且由于其飛行高度一般在18 km以上，選擇天文導(dǎo)航系統(tǒng)與慣導(dǎo)系統(tǒng)進行組合導(dǎo)航是最佳選擇.

高空長航時無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)要比常規(guī)飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)復(fù)雜得多，且自主性要求很高.現(xiàn)有的常規(guī)飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)很難適合高空長航時飛行狀態(tài)下的技術(shù)要求，需要研究新的高空長航時無人機自主導(dǎo)航技術(shù)的體系結(jié)構(gòu).今后可著重研究該方向的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)基于天文與速度聯(lián)合觀測的自主導(dǎo)航技術(shù);

2)基于天文/慣性導(dǎo)航的自主導(dǎo)航技術(shù);

3)基于星敏感器/紅外地平儀的自主導(dǎo)航技術(shù);

4)基于日、地、月方位信息的自主導(dǎo)航技術(shù);

5)提高自主導(dǎo)航精度的自適應(yīng)濾波技術(shù);

6)多自主導(dǎo)航的傳感信息融合技術(shù).

1.6 高空長航時無人機測控和信息傳輸技術(shù)

高空長航時無人機的測控和信息傳輸系統(tǒng)是非常關(guān)鍵和重要的組成部分.無人機測控與信息傳輸技術(shù)是指對無人機進行遙控、遙測、跟蹤定位和信息傳輸?shù)募夹g(shù).遙控是指對無人機飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的控制;遙測是指對無人機飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的測量;跟蹤定位是指對無人機實時連續(xù)的位置測量;信息傳輸是指無人機任務(wù)載荷傳感器信息的傳輸.在高空長航時無人機的測控和信息傳輸技術(shù)中，還應(yīng)重點關(guān)注超視距中繼傳輸技術(shù)和寬帶數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等研究方向:

1)超視距中繼傳輸技術(shù);

2)寬帶數(shù)據(jù)鏈技術(shù);

3)數(shù)據(jù)鏈自適應(yīng)功率控制技術(shù);

4)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈仿真新技術(shù).

1.7 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高空長航時無人機的空天地多機分布協(xié)同技術(shù)

高空長航時無人機本質(zhì)上是一個分層遞階的混合自主系統(tǒng)［18］.自主性的體現(xiàn)包括頂層的任務(wù)管理直到底層的飛行器可重構(gòu)控制.系統(tǒng)具有自適應(yīng)決策、組織協(xié)調(diào)和控制執(zhí)行3個層次，各層次均可在線實時感知和評估內(nèi)外環(huán)境，并通過調(diào)整其可調(diào)環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)性能滿足要求或達到最優(yōu).而網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下高空長航時無人機空天地多機分布協(xié)同技術(shù)是一個新的前沿性技術(shù)領(lǐng)域，該技術(shù)可以拓寬高空長航時無人機的應(yīng)用范圍，提高其偵察及執(zhí)行其他任務(wù)的效率.將多機、多編隊協(xié)同控制的規(guī)劃問題進行抽象和遞階分解，通過協(xié)調(diào)變量將復(fù)雜的集中式優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成相對簡單的分散式優(yōu)化問題，進而將多機協(xié)同控制規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化成單機的規(guī)劃問題，大大簡化問題的復(fù)雜程度，并且確保性能滿足要求.今后可著重研究該方向的關(guān)鍵技術(shù)如下:

1)空天地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的復(fù)雜態(tài)勢/威脅評估技術(shù);

2)多機協(xié)同航路規(guī)劃及重規(guī)劃技術(shù);

3)多機協(xié)同任務(wù)分配及重分配技術(shù);

4)多機異構(gòu)協(xié)同控制技術(shù);

5)多機隱身察打一體化技術(shù);

6)多機作戰(zhàn)效能評估技術(shù).

2 結(jié)束語

近年來，高空長航時無人機有了驚人的快速發(fā)展，而高空長航時無人機技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)基本上仍遵循一種固定的模式.如今，當大家爭相研制高空長航時無人機的時候，就感到常規(guī)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)難以滿足新型高空長航時無人機的發(fā)展需求.新型高空長航時無人機強調(diào)要高、精、尖，特別在自主化和智能化方面有很高的要求，各種技術(shù)上也要創(chuàng)新，從而帶來研制上的高難度和高風(fēng)險.本文從多目標組合優(yōu)化、氣動－隱身一體化、能源動力、軟件使能自主控制、自主導(dǎo)航、測控和信息傳輸、空天地多機分布協(xié)同等方面所提出的發(fā)展思路，可為新型高空長航時無人機的自主化、智能化、綜合化和先進化提供一些概括性的新方向和技術(shù)途徑.

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