趙 煒，趙 錢，黃江流，侯振乾，杜澤弘

(1. 上海機電工程研究所，上海 201109；2. 上海航天動力技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引 言

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)與軍事理論的不斷發(fā)展，武器系統(tǒng)逐漸朝著網(wǎng)絡化、體系化、智能化的方向發(fā)展。信息作為戰(zhàn)爭要素之一，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著極為重要的作用。現(xiàn)代軍用信息網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由地基、?；?、空基與天基等系統(tǒng)組成[1-2]。其中，空基信息一般由預警機提供，天基信息則由衛(wèi)星作為主要平臺，而海拔20～100 km之間的臨近空間則缺少有效的任務載體。臨近空間太陽能無人機的出現(xiàn)可以有效填補這一區(qū)域的任務空白，為地基、天基等信息網(wǎng)絡系統(tǒng)提供有效補充。

臨近空間太陽能無人機具有航時長、高度高等優(yōu)勢，可以廣泛應用于情報搜集、通信中繼、偵察監(jiān)控等軍事任務。各軍事強國都爭相開發(fā)以臨近空間太陽能無人機為平臺的高空偽衛(wèi)星項目[3-4]，如美國的“太陽神(Helios)”系列[5]、英國的“西風(Zephyr)”系列[6]等。國內(nèi)各研究院與高校也均已展開太陽能無人機的研制工作[7]，并取得了重大進展。

本文首先介紹了國內(nèi)外太陽能無人機的發(fā)展現(xiàn)狀；之后基于臨近空間太陽能無人機系統(tǒng)優(yōu)勢與特點，對4個典型軍事應用場景作了初步設(shè)想；最后分析了其發(fā)展過程中有待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 臨近空間太陽能無人機發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外臨近空間太陽能無人機發(fā)展現(xiàn)狀

1) 太陽神

“太陽神”是美國航空環(huán)境(AeroVironment)公司在美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的環(huán)境研究飛機和傳感技術(shù)項目(the environmental research aircaft and sensor technology, ERAST)資助下設(shè)計制造的第4代飛翼布局太陽能無人機。前3代型號分別為“探路者(Pathfinder)”、“探路者改進型(Pathfinder Plus)”、“百人隊長(Centurion)”?！疤柹?Helios)”是這個系列的最終型號，希望達到30 km的飛行高度以及至少24 h的連續(xù)飛行時間。太陽神根據(jù)配置不同分為高空型和長航時型，分別用于高空飛行和長航時飛行的技術(shù)驗證。高空型太陽神HP01于2001年8月13日創(chuàng)造了29.5 km的飛行高度記錄，留空時間18h 01min。ERAST項目資助下的系列太陽能無人機均采用了飛翼布局。為了追求更高的氣動效率，其機翼保持弦長為2.4 m不變，各代機型的展長不斷增加，展弦比從“探路者”的12.3一直增加到了“太陽神”的30.4。高空版太陽神太陽能無人機HP01，翼展達到了驚人的75.3 m，而整機質(zhì)量僅為720 kg。圖1為“太陽神”無人機。

圖1 “太陽神”無人機Fig.1 “Helios” solar powered UAV

2) 西風

“西風計劃”誕生于一項打破載人氣球飛行高度世界紀錄的拍攝活動。該計劃失敗之后，英國防務公司QinetiQ以此為基礎(chǔ)繼續(xù)開展研究，于2001年將其應用于軍事、通信以及地球觀察，驗證質(zhì)量低于7 kg的超輕同溫層飛機的可行性，并改名為“Zephyr 2”。2008年，根據(jù)非官方報道，“Zephyr 6”創(chuàng)造了82 h的飛行時間記錄。這一記錄大約是由全球鷹創(chuàng)造的30 h無人飛行官方世界記錄的3倍。此外，“Zephyr 6”的最大飛行高度也達到了18.3 km。2010年，“Zephyr 7”更是創(chuàng)下了最長的空中連續(xù)飛行時間記錄，長達2周。2013年3月，“Zephyr”太陽能無人機項目被空中客車防務與航天公司從QinetiQ手中買下，并作為其高空偽衛(wèi)星項目的重要組成部分繼續(xù)開展研究。2018年8月，空中客車防務與航天公司宣布旗下的第一架量產(chǎn)型太陽能無人機“Zephyr S”進行了超過25 d的飛行。從理論上講，在零件可靠性足夠高的情況下，太陽能無人機可以實現(xiàn)永久飛行。圖2為西風系列太陽能無人機發(fā)展圖。

圖2 “西風”系列太陽能無人機發(fā)展圖Fig.2 “Zephyr” solar powered UAV development map

3) 天鷹

“天鷹(Aquila)”太陽能無人機是Facebook公司“Internet.org”項目的組成部分，該項目旨在為全球2/3的人口提供可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入服務，如圖3所示。天鷹太陽能無人機采用“V"型飛翼布局，翼展達到了43 m，與波音737相當，而整機質(zhì)量只有約454 kg。天鷹太陽能無人機于2016年6月28日實現(xiàn)了首飛。它白天飛行在27.432 km的高度，吸收和儲存太陽能，而夜間則飛行于18.288 km的高度，通過合理的航路規(guī)劃實現(xiàn)能量最優(yōu)飛行的目的。

圖3 “天鷹”太陽能無人機Fig.3 “Aquila” solar powered UAV

1.2 國內(nèi)臨近空間太陽能無人機發(fā)展現(xiàn)狀

1) “彩虹”太陽能無人機

“彩虹”太陽能無人機是由我國自主研制的臨近空間太陽能無人機，采用雙尾撐雙垂尾布局，翼展達45 m，采用了由大量碳纖維復合材料組成的大展弦比輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示?！安屎纭碧柲軣o人機飛行高度為20～30 km，航時可達數(shù)月甚至更長，是繼美國“太陽神”系列后世界上最大的太陽能無人飛行器。該機由8臺無刷直流電機驅(qū)動螺旋槳提供動力，其高效率高功率密度一體化無刷直流電機由我國自主研發(fā)，能滿足苛刻的環(huán)境要求，電機效率達到了91%以上?！安屎纭碧柲軣o人機在2017年9月20日圓滿完成了臨近空間飛行試驗，飛行高度達到了20 km，標志著我國成為繼英美之后第3個掌握該項技術(shù)的國家。

圖4 “彩虹”太陽能無人機Fig.4 “Rainbow” solar powered UAV

2) “魅影”太陽能無人機

“魅影”太陽能無人機是由我國高?？蒲袌F隊研制的臨近空間太陽能無人機，采用全翼式布局，具有超輕的結(jié)構(gòu)面密度與優(yōu)異的氣動性能，如圖5所示。目前已完成了夏季高光照度以及秋冬低光照度條件下的連續(xù)飛行試驗，并創(chuàng)造了國內(nèi)太陽能無人機最長連續(xù)飛行航時27h 37min的新記錄。

圖5 “魅影”太陽能無人機Fig.5 Phantom solar powered UAV

2 臨近空間太陽能無人機系統(tǒng)特點分析

臨近空間太陽能無人機具有飛行時間長、飛行高度高等優(yōu)勢，可以有效填補常規(guī)動力飛機與低軌道衛(wèi)星之間的任務空白區(qū)域。它兼具傳統(tǒng)常規(guī)航空器、航天器的諸多優(yōu)點，因此又被稱為“高機動性偽衛(wèi)星”。

2.1 優(yōu)異的長航時平臺

臨近空間太陽能無人機以太陽能作為消耗能源，依靠其安裝的太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，一方面為動力系統(tǒng)以及機上設(shè)備供電，另一方面可以將多余的電能儲存在蓄電池中，白天依靠轉(zhuǎn)換的電能維持正常運行，晚上依靠蓄電池存儲的電能飛行。通過提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率、提升二次能源能量密度以及基于能量管理的最優(yōu)航路規(guī)劃等途徑，臨近空間太陽能無人機可實現(xiàn)持續(xù)跨晝夜的連續(xù)飛行。此外，與衛(wèi)星相比，太陽能無人機發(fā)射難度較低，容易部署，且能夠多次回收重復利用，使用成本低，維護方便。

2.2 常規(guī)動力飛機與低軌道衛(wèi)星任務空白區(qū)域的有效填補者

臨近空間介于外層空間與國家領(lǐng)空之間，不受國際法保護，可自由通行，是一條“公共走廊”。同時，臨近空間基本處于絕大多數(shù)有人戰(zhàn)斗機升限及大多數(shù)小型防空武器的殺傷區(qū)范圍之外，因此臨近空間太陽能無人機具有極強的生存能力，活動范圍極其廣泛。

由于高空發(fā)動機推力損失和空氣稀薄等原因，常規(guī)動力飛機的靜升限通常在20 km以下，而低軌道間諜衛(wèi)星的軌道則在100 km以上，因此在20～100 km之間的臨近空間缺乏有效的任務執(zhí)行器。臨近空間太陽能無人機的飛行高度在20～30 km，可以有效填補這一區(qū)域的空白。在臨近空間這一區(qū)域，太陽能無人機可以對特定區(qū)域進行持續(xù)的高分辨率觀測以及通信覆蓋，與低軌道衛(wèi)星相比，具有更高的分辨率、更長的觀測時間以及更強的機動響應能力；與地面通信中繼站相比，擁有更大的覆蓋區(qū)域；與通信衛(wèi)星相比，具有更低的信號延時和衰減。

2.3 強大的機體、載荷一體化設(shè)計潛力

臨近空間太陽能無人機在滿足高空長航時飛行的前提下，可以根據(jù)不同的軍事需求，進行無人機機體與任務載荷一體化設(shè)計。由于太陽能無人機本身的系統(tǒng)復雜度不高，因此可以配合任務需求進行改制。例如將雷達與結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計，配合聯(lián)結(jié)翼布局的太陽能無人機，可以制造出一架臨近空間太陽能傳感器無人機，實時進行360°全向探測。

3 潛在應用場景

作戰(zhàn)需求是無人機發(fā)展的頭號牽引力，也同樣牽引著太陽能無人機的發(fā)展。臨近空間太陽能長航時無人機具有飛行高度高、工作壽命長、覆蓋范圍廣、執(zhí)行任務的空間/時間分辨率高、使用成本低等優(yōu)點，可彌補飛機平臺飛行高度低、工作時間短和衛(wèi)星平臺成本高、偵察密度低的缺點，是執(zhí)行情報偵察、目標監(jiān)視以及通信中繼等軍事任務的理想空中平臺。

3.1 巡查監(jiān)視

臨近空間太陽能無人機由于具有夜以繼日留空的能力，可以對特定區(qū)域進行持續(xù)巡查監(jiān)視。當其搭載電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相機等偵察設(shè)備時，可在國土邊境或防空識別區(qū)內(nèi)編隊巡邏飛行。既能在固定地點上空盤旋飛行，進行定點偵察，又可以選擇不同的偵察航路，對途經(jīng)區(qū)域進行連續(xù)搜索探測，可大幅提高偵察任務的時空覆蓋度，降低偵察成本。英國“西風”太陽能無人機在18 km高空飛行時所拍攝的高清晰度偵察照片的分辨率達到了25 cm，與美國的偵察衛(wèi)星相當，但是衛(wèi)星需按特定的軌道運行，存在視線盲區(qū)，且其制造與發(fā)射成本要遠遠高于太陽能無人機的制造與發(fā)射成本。太陽能無人機一方面可以避免衛(wèi)星成本過高和偵察密度不足的問題，另一方面又可以彌補飛機飛行高度和巡航能力方面的不足，顯示出了太陽能無人偵察機的巨大潛力。圖6為臨近空間太陽能無人機邊境線上空巡查監(jiān)視示意圖。

圖6 臨近空間太陽能無人機邊境線上空巡查監(jiān)視示意圖Fig.6 Schematic of surveillance patrols by a near space solar powered UAV over a border

3.2 電子偵察/干擾

隨著科技的發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)發(fā)生了深刻的變化——從過去的機械化戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代的信息化戰(zhàn)爭。信息這一要素在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著日益重要的作用，因此現(xiàn)代戰(zhàn)爭對情報的獲取與保護提出了更高的要求。將電子偵察設(shè)備裝于太陽能無人機，可以偵辨雷達和其他無線電設(shè)備的位置和特性，竊聽遙測和通信等機密信息。目前，美、英的電子偵察設(shè)備均能在2 000 km范圍內(nèi)進行偵察，完全可以將搭載電子偵察設(shè)備的太陽能無人機布置在個別重點關(guān)注國家的領(lǐng)空邊緣地帶進行全程、全天候監(jiān)控。此外，臨近空間太陽能長航時無人機還可攜帶電子干擾設(shè)備前出到敵軍事力量附近空域，實施電子干擾，致盲甚至癱瘓敵武器系統(tǒng)，開辟后續(xù)進攻通道。圖7為臨近空間太陽能無人機進行電子偵察/干擾示意圖。

圖7 臨近空間太陽能無人機進行電子偵察/干擾示意圖Fig.7 Schematic diagram of electronic reconnaissance/jamming by near space solar powered UAV

3.3 信息中繼

現(xiàn)代戰(zhàn)場大多數(shù)的戰(zhàn)術(shù)通信都采用成本較低的視距通信。而超視距通信需要依賴于性能較差的短波設(shè)備和衛(wèi)星通信，這兩種超視距通信方式的裝備部署容易受到限制，且衛(wèi)星中繼通信實時性差，被干擾的風險大。而無人機空中中繼通信可提高超視距通信覆蓋率，是目前最有效的衛(wèi)星通信備份方式之一。無人機信息中繼的工作原理與衛(wèi)星通信類似，但其飛行高度低于衛(wèi)星，具有比衛(wèi)星更強的機動能力，因而使用靈活，部署成本更低。

臨近空間太陽能長航時無人機搭載輕型多頻段機載電臺等通信中繼載荷，可以解決作戰(zhàn)部隊在執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)任務時的超視距通信問題以及高空戰(zhàn)場通信中繼轉(zhuǎn)接問題。通常情況下，戰(zhàn)術(shù)部隊配備的短波通信電臺信號穿透能力弱，很容易被戰(zhàn)場環(huán)境中的障礙物遮擋而喪失基本的通信功能。利用多架無人機搭載通信中繼載荷分布在戰(zhàn)場附近高空，形成通信鏈路，可有效滿足超視距通信需求。搭載通信中繼載荷的太陽能無人機還可作為戰(zhàn)場機載通信節(jié)點，實現(xiàn)四代機、三代機、預警機、偵察機等各個空中平臺的互聯(lián)互通。同時，由于無人機平臺使用靈活度高，可根據(jù)需要隨時部署，因此其提供的通信中繼服務在拒止戰(zhàn)場環(huán)境下具有明顯的優(yōu)勢。圖8為臨近空間太陽能無人機作為信息中繼站示意圖。

圖8 臨近空間太陽能無人機作為信息中繼站示意圖Fig.8 Schematic diagram of near space solar powered UAV as information relay station

3.4 高空預警

利用地球曲率遮蔽的低空突防是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要突防樣式。當面臨敵方導彈打擊時，由于受到地球曲率的影響，只有當導彈爬升到一定高度時，地面雷達才能有效捕捉到目標，留給地面雷達的預警時間非常短。將臨近空間太陽能長航時無人機搭載紅外或雷達載荷部署在重點空域，充分利用其高空、長航時等優(yōu)點，多站協(xié)同探測，并與地基雷達配合，能夠有效提高對敵方來襲導彈的探測距離，與地基雷達相互補充，大幅增加地面預警時間，為防御武器爭取到更多的響應時間。同時，也可以實現(xiàn)對敵方誘餌干擾的有效辨別以及對敵低空突防目標的有效探測，大幅提高武器探測系統(tǒng)抗干擾能力和綜合防御能力。圖9為臨近空間太陽能無人機進行高空預警示意圖。

圖9 臨近空間太陽能無人機進行高空預警示意圖Fig.9 Schematic diagram of high altitude early warning by near space solar powered UAV

4 臨近空間太陽能無人機關(guān)鍵技術(shù)分析

臨近空間太陽能無人機的工作過程本質(zhì)上是能量的收集、管理、存儲和耗散的過程，它無需自帶燃料，可長時間連續(xù)飛行。與傳統(tǒng)飛行器不同，臨近空間太陽能無人機的設(shè)計目標不是飛行速度快、載重量大，而是飛行高度足夠高、連續(xù)飛行時間足夠長以及可靠性足夠高。因此，臨近空間太陽能無人機的發(fā)展需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 高效的太陽能電池與儲能系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

高效的太陽能電池與儲能系統(tǒng)是支撐太陽能無人機長航時飛行的關(guān)鍵。

在太陽能電池方面，目前廣泛使用的單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率約為20%，而且受到材料特性的影響，后續(xù)進一步提升的空間有限。轉(zhuǎn)換效率更高的砷化鎵太陽能電池受工藝、設(shè)備等影響，價格昂貴，目前一般只應用在衛(wèi)星等航天器上。同時，航空領(lǐng)域?qū)μ柲茈姵氐囊蟛粌H僅是具有較高的轉(zhuǎn)換效率，它還要求具有良好的物理特性，如耐高/低溫變化、耐輻射、耐腐蝕、高可靠性等。此外，當太陽能電池應用于飛機平臺上時，它既是產(chǎn)生電能的功能原件，又作為蒙皮的一部分承載氣動載荷，其自身厚度小、剛度差、易碎易裂，很難適應弦長較小的機翼曲面環(huán)境。當飛行中機翼彎曲變形較大時，電池片將嚴重受損。因此，臨近空間太陽能無人機對太陽能電池板本身特性和封裝工藝提出了極高的要求。

在儲能系統(tǒng)方面，目前國外太陽能無人機在概念設(shè)計階段都提出儲能器應選擇高能量密度、高效率的燃料電池，個別小型太陽能無人機則選用了性能較好的鋰聚合物電池。盡管燃料電池已成功應用于大型飛行器，但對于輕、微型飛行器，燃料電池現(xiàn)有的體積和重量仍無法滿足要求。太陽神無人機加裝燃料電池后全機增重362.88 kg，占無人機起飛重量的34.8%。儲能系統(tǒng)占整機質(zhì)量的比重偏大會影響無人機最終的氣動布局和幾何尺寸，也大大減弱了飛機的載重能力。因此，研發(fā)一套擁有高電能轉(zhuǎn)換效率與高能量密度的能源系統(tǒng)是未來太陽能無人機發(fā)展的關(guān)鍵。

4.2 高空低雷諾數(shù)氣動布局設(shè)計

由于飛行高度高、空氣稀薄，臨近空間太陽能無人機的飛行雷諾數(shù)較小，具有嚴重的低雷諾數(shù)效應[8-9]。目前，高性能翼型更多是根據(jù)航程和速度要求進行設(shè)計的，并不特別適合太陽能長航時無人機，因此需要針對低雷諾數(shù)條件下的層流分離、轉(zhuǎn)捩、再附等特性進行專門的翼型設(shè)計。而且，目前針對低雷諾數(shù)流動的數(shù)值模擬方法尚有不足，數(shù)值模擬結(jié)果偏差較大，需要進行大規(guī)模的試驗來進一步研究低雷諾數(shù)流動特性。

4.3 大展弦比機翼超低結(jié)構(gòu)面密度技術(shù)

太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率較低，需要較大的機翼面積鋪設(shè)太陽能電池組件，這導致太陽能無人機的翼展較大，例如，“太陽神”高空型HP01的翼展達到了75 m。同時，臨近空間太陽能無人機的機翼比較柔軟，因此在正常飛行條件下機翼會產(chǎn)生大變形，從而導致氣動載荷重新分布，對全機性能產(chǎn)生較大影響[10]。這種氣動/結(jié)構(gòu)耦合的特點對飛行速度和飛行品質(zhì)具有較大影響，機翼的自然頻率和氣動彈性特性發(fā)生明顯變化也會導致結(jié)構(gòu)承載能力變差，從而造成穩(wěn)定性與安全性低等問題。因此，開展大展弦比無人機機翼結(jié)構(gòu)的綜合布局優(yōu)化設(shè)計研究極為重要。

5 結(jié)束語

臨近空間太陽能無人機在航時、飛行高度等方面具有獨特的優(yōu)勢。在巡查監(jiān)視、電子偵察、信息中繼、高空預警等軍事領(lǐng)域具有巨大的應用前景。隨著太陽能電池與二次電池的進一步發(fā)展，太陽能無人機的負載能力將得到有效提升，臨近空間太陽能無人機在軍事領(lǐng)域的應用必將更加廣闊。