吳洋
摘 要:隨著環(huán)境測量技術(shù)的日益發(fā)展和航空航天技術(shù)的結(jié)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(quán)的爭奪,極大地推動了臨近空間飛行器技術(shù)的進步和發(fā)展。文章從飛行性能、軍事價值、技術(shù)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(yōu)勢,提出了結(jié)構(gòu)與載荷射頻端一體化的設(shè)計思想,從技術(shù)實現(xiàn)方法的角度分析了一體化設(shè)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(fā)展前景。
關(guān)鍵詞:臨近空間飛行器 太陽能 無人機 結(jié)構(gòu)一體化
中圖分類號:V27 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)11(c)-0011-03
航空空間中存在風(fēng)雨雷等氣候、地球重力、大氣壓力和日益復(fù)雜的電磁環(huán)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(yīng)用和討論,隨著對臨近空間大氣環(huán)境監(jiān)測、特征分析等技術(shù)的出現(xiàn),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(shè)計理念可以指導(dǎo)和推動各學(xué)科技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)載荷一體化概念的設(shè)想,并對相關(guān)技術(shù)進行評估和展望,最后在應(yīng)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(fā)展現(xiàn)狀
近些年,隨著環(huán)境測量技術(shù)的日益發(fā)展和航空航天技術(shù)的結(jié)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(quán)的爭奪,極大地推動了臨近空間飛行器技術(shù)的進步和發(fā)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(yù)研局啟動“禿鷹”計劃,該項目的目標(biāo)是發(fā)展具有低軌道特性的傳感器平臺和通信中繼無人機系統(tǒng),預(yù)想翼展150 m,飛行高度20 000~30 000 m,任務(wù)載荷450 kg,持續(xù)飛行時間5年,要求有與衛(wèi)星相似的系統(tǒng)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(zhàn)勝了洛克希德·馬丁、極光飛行科學(xué)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(jié)構(gòu)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(fā)展計劃,其目標(biāo)是研制一種傳感器和飛艇結(jié)構(gòu)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(dāng),實現(xiàn)對地面目標(biāo)和空中目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力。ISIS作為一個遙感器系統(tǒng),可以對地面大量“時間敏感”目標(biāo)實施監(jiān)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(jiān)聽裝置和數(shù)據(jù)鏈集成在一起,用新穎復(fù)合材料和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)展和完善這種飛機所需的技術(shù)。
美空軍正在為X波段雷達開發(fā)陣面為0.37 m2的X波段薄天線陣,將其裝在聯(lián)合無人作戰(zhàn)空中系統(tǒng)(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(yōu)勢
太陽能無人機相較于其他臨近空間飛行平臺,具有環(huán)保、造價相對低廉、高飛行性能、穩(wěn)定性強,載荷能力突出等優(yōu)勢,是一款具有高可持續(xù)性的飛行器平臺種類。
2.1 太陽能飛行平臺是實現(xiàn)高空超長航時任務(wù)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(zhuǎn)換,為動力系統(tǒng)、機載設(shè)備及任務(wù)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?qū)崿F(xiàn)不間斷的晝夜持續(xù)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(shù)月甚至數(shù)年,是實現(xiàn)高空超長航時任務(wù)的理想選擇之一,可作為類“亞衛(wèi)星”的空中信息化平臺,執(zhí)行偵察、監(jiān)視、通信中繼等任務(wù),在軍事上具有的廣泛應(yīng)用前景。
2.2 太陽能無人飛行平臺的軍事應(yīng)用價值
“太陽能無人飛行平臺綜合一體通信中繼系統(tǒng)”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(yōu)勢,機體和通信中繼設(shè)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(jié)合,實現(xiàn)對隱身目標(biāo)的高效、遠距探測;二是利用太陽能飛行平臺的長航時優(yōu)勢,在戰(zhàn)區(qū)上空形成持續(xù)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(yōu)勢,可大量裝備,形成國土防空、同機群組網(wǎng)前出作戰(zhàn)等多種使用環(huán)境的作戰(zhàn)能力?!疤柲軣o人飛行平臺綜合一體通信中繼系統(tǒng)”結(jié)合飛行平臺自身的技術(shù)優(yōu)勢,可實現(xiàn)對我方通信節(jié)點持續(xù)、高效、遠距的中繼能力,為未來我軍通信中繼體系建設(shè)和能力的提升提供新型技術(shù)儲備,探索新的信息化發(fā)展道路。
2.3 太陽能無人飛行平臺的技術(shù)發(fā)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(fā)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(shù)發(fā)展趨勢為以下6點。
(1)衛(wèi)星模式的高可靠性設(shè)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(shè)計。
(4)低結(jié)構(gòu)系數(shù)設(shè)計。
(5)高效電推進系統(tǒng)設(shè)計。
(6)結(jié)構(gòu)與載荷的一體化設(shè)計。
3 結(jié)構(gòu)與射頻端一體化概念方案設(shè)想
3.1 結(jié)構(gòu)與射頻天線一體化設(shè)計及評估技術(shù)
為滿足結(jié)構(gòu)與射頻天線的一體化,可通過天線與機翼的共形設(shè)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(tài)下天線方向副瓣較高的問題;機翼材料以常規(guī)碳纖維結(jié)構(gòu)為主,搭建輕薄型分布式天線系統(tǒng),實現(xiàn)傳感器與平臺共體優(yōu)化;從常規(guī)碳纖維結(jié)構(gòu)和新型透波材料組成系統(tǒng)兩方面考慮,解決天線與結(jié)構(gòu)存在的電磁耦合問題。
3.2 結(jié)構(gòu)動態(tài)變形監(jiān)測及天線射頻補償技術(shù)
太陽能飛機的大翼展在飛行中不可避免地出現(xiàn)擺動,若天線與翼展進行共形設(shè)計,則翼展的擺動也會導(dǎo)致天線出現(xiàn)形變,進而給數(shù)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(jié)構(gòu)變形量的預(yù)測來修正天線參數(shù),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(tǒng),它由機載光接收機和幾個機翼上安裝的光發(fā)射器組成,可以直接通過光的發(fā)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(biāo)。
第二類是傳統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)變片測量當(dāng)?shù)氐膽?yīng)變值。但應(yīng)變片的連接導(dǎo)線是銅芯線,在應(yīng)變片粘貼較多的情況下會造成重量負擔(dān)。
第三類是光纖光柵傳感測量系統(tǒng)。光纖光柵是利用紫外激光改變光纖材料性質(zhì),在光纖上制作成的一種光學(xué)無源器件,光纖光柵傳感測試技術(shù)是利用測量環(huán)境對光纖的影響,將物理量轉(zhuǎn)換成光束波長變化的新型光學(xué)測試技術(shù)。其具有精度高、重量輕、柔性大等優(yōu)點,較適合于應(yīng)用在大展弦比低翼載柔性無人飛行器領(lǐng)域。綜上所述,光纖光柵傳感測量系統(tǒng)相比于其他測量系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點。
3.3 結(jié)構(gòu)天線一體化的高效環(huán)控技術(shù)
因太陽能飛行平臺的使用海拔高度為0~25 km,從環(huán)控角度來看,飛行任務(wù)可分為巡航飛行、起飛降落和地面調(diào)試3種工作狀態(tài)。環(huán)控系統(tǒng)的主要目的是使環(huán)控艙內(nèi)設(shè)備均在要求的溫度范圍內(nèi)。針對一體化天線陣列來講,面對重量和功耗的嚴格控制,環(huán)控的主要目的是在確保天線散熱能力的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)高效率優(yōu)化。
4 太陽能無人機飛行平臺的應(yīng)用前景
太陽能無人飛行平臺續(xù)航時間長,巡航高度較高,任務(wù)適應(yīng)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(yīng)用前景。
在軍事應(yīng)用方面,太陽能無人飛行平臺能夠利用其飛行高度和續(xù)航時間優(yōu)勢,完成長時間不間斷偵察與監(jiān)視、目標(biāo)定位、電子情報收集、電子干擾、通信中繼等作戰(zhàn)任務(wù),生存能力較高。與衛(wèi)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(yīng)用于國土資源調(diào)查、氣象觀測、環(huán)境監(jiān)測、邊境巡邏、通訊中繼、空中和地面交通管理等任務(wù);可在信號覆蓋地區(qū)以低成本代替通信衛(wèi)星提供電視和電信服務(wù);可在發(fā)生洪災(zāi)、地震或森林火災(zāi)等大型災(zāi)難造成通信中斷時保持受災(zāi)地區(qū)與外界的通信聯(lián)絡(luò)。
5 結(jié)語
太陽能無人飛行平臺技術(shù)的研究,可實現(xiàn)對我方通信節(jié)點持續(xù)、高效、遠距的中繼能力,為未來我軍通信中繼體系建設(shè)和能力的提升提供新型技術(shù)儲備,探索新的信息化發(fā)展道路,將推動我國相關(guān)學(xué)科科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展,如氣動技術(shù)、高效能源系統(tǒng)、材料科學(xué)和控制技術(shù)等。因此,結(jié)合軍事、民用及對相關(guān)科學(xué)技術(shù)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(jīng)濟建設(shè)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展均具有重大意義。
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