林一平

現(xiàn)代無人機(jī)微型化、小型化、中大型化設(shè)計(jì)已取得許多重大成就，成功拓展了無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，并把觸角從陸海空延伸到太空，達(dá)到了登峰造極的高度，對(duì)當(dāng)今科技進(jìn)步及未來科學(xué)發(fā)展均有巨大推進(jìn)作用。

人類早已嘗試研發(fā)在大氣層之外飛行的空天無人機(jī)。如今，美國、俄羅斯、中國、歐盟和日本等國仍在繼續(xù)從事這項(xiàng)宏偉工程的研究，科技意義重大且產(chǎn)業(yè)前景十分看好。

設(shè)計(jì)與技術(shù)

空天無人機(jī)可以在大氣層內(nèi)飛行，也可以突破大氣層束縛進(jìn)入空間軌道飛行，這需要諸多條件保證，需要解決氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、總體布局、結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)力裝置、飛控系統(tǒng)、一體化設(shè)計(jì)、起飛、著陸等技術(shù)難題，重點(diǎn)攻克氣動(dòng)設(shè)計(jì)、耐熱材料、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)三大技術(shù)難關(guān)，為空天無人機(jī)研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 空天無人機(jī)系統(tǒng)工程框架圖。

氣動(dòng)設(shè)計(jì)

空天無人機(jī)在爬升階段要經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊、振動(dòng)及氣動(dòng)力等影響，在返回階段要經(jīng)受燒蝕、顫振、抖振、擺振等考驗(yàn)。在這種情況下，防熱系統(tǒng)既要保持良好的外形，又要能多次重復(fù)使用，其技術(shù)難度相當(dāng)大?？仗鞜o人機(jī)采用翼身融合、單垂直尾翼或雙垂直尾翼等氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，符合高超聲速面積律，適合突破高超聲速音障、熱障等一系列高速減阻、耐熱、降溫、散熱等嚴(yán)酷關(guān)卡，可借鑒航天飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，減少了研制中的盲目性，并少走一些彎路。

總體設(shè)計(jì)

圖2 空天無人機(jī)一體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程圖。

空天無人機(jī)通常由翼身融合機(jī)體、系統(tǒng)控制艙、設(shè)備艙、任務(wù)載荷艙、動(dòng)力艙、燃料艙等組成，圍繞目標(biāo)函數(shù)，單/多因素的約束條件進(jìn)行優(yōu)化，再經(jīng)過集成、量化、整合、協(xié)調(diào)、優(yōu)化、融合，最終完成具有突出功能的總體設(shè)計(jì)。這方面前有衛(wèi)星、飛船研制經(jīng)驗(yàn)可借鑒，后有航天飛機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)可供參考，能極大降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，更有把握、更快地取得成功。

材料性能

空天無人機(jī)需反復(fù)使用，每次出入大氣層時(shí)，其表面都會(huì)與空氣劇烈摩擦而產(chǎn)生大量熱量，特別是以高超聲速返回進(jìn)入大氣層時(shí)，氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面達(dá)到極高的溫度。機(jī)頭表面溫度約為1800℃，機(jī)翼和尾翼前緣表面溫度約為1460℃，機(jī)身下表面約為980℃，上表面約為760℃。因此，防熱系統(tǒng)必須重量輕、性能好、能重復(fù)使用，同時(shí)對(duì)材料性能也提出更高的要求。

空天無人機(jī)在飛行時(shí)，其機(jī)頭和機(jī)翼前緣的表面溫度可達(dá)2760℃。原來的氧化硅防熱瓦外罩就不再適用，單靠增加防熱層厚度來解決問題，將使重量大大增加。因此，要采用一種新型復(fù)合材料來代替，并且用于機(jī)頭、機(jī)翼前緣等一些特殊部位，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉(zhuǎn)移到溫度較低的部位。即采用新型冷卻裝置，避免高溫?zé)g。

為滿足空天無人機(jī)的防熱要求，研究人員正利用快速固化粉末冶金工藝制造高純度、輕質(zhì)耐高溫合金。已研制出的高速固化鈦硼合金在高溫下的強(qiáng)度，已達(dá)到鈦合金在常溫下的強(qiáng)度，這種合金適宜用來制造機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。機(jī)頭與機(jī)翼等溫度最高的部件，要求采用碳纖維復(fù)合材料，其表面有碳化硅涂層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基復(fù)合材料，例如碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦復(fù)合材料兼有碳化硅的耐高溫性能和鈦合金的高強(qiáng)度。

動(dòng)力裝置

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)各具特點(diǎn)及適用范圍。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)僅適合在大氣層內(nèi)使用，不能在空間環(huán)境中使用。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可以在大氣層內(nèi)外使用，但體積較大，重量較重。前者只能一次性使用，且燃料燃燒時(shí)間短，推力大小不可控；后者能多次點(diǎn)火，燃燒過程可控，推力大小可調(diào)節(jié)，但兩者經(jīng)濟(jì)性均不理想。

當(dāng)前各國正在研制超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)見圖3，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低、單位推力大和適合超高速飛行。與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無需攜帶氧化劑，提高了任務(wù)載荷重量，可為高超聲速飛行器、跨大氣層飛行器、可重復(fù)使用的空間發(fā)射器和單級(jí)入軌空天飛機(jī)提供動(dòng)力，其熱管理技術(shù)，主動(dòng)冷卻和強(qiáng)預(yù)冷技術(shù)不僅要求運(yùn)行有效，而且必須工作可靠，達(dá)到規(guī)定的使用壽命。

圖3 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

飛控系統(tǒng)

飛行管理與控制系統(tǒng)對(duì)空天無人機(jī)飛行任務(wù)起決定性作用，該系統(tǒng)包含速度、角速率、高度、氣壓、光流等多種傳感器。通過傳感器調(diào)節(jié)PID，增強(qiáng)空天無人機(jī)飛行控制的穩(wěn)定性，由電調(diào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速改變空天無人機(jī)的飛行姿態(tài)。

空天無人機(jī)的控制指令由系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出?？仗鞜o人機(jī)的俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航控制，增升和增阻控制、自動(dòng)配平、直接力控制以及改變空天無人機(jī)的構(gòu)形控制，對(duì)空天無人機(jī)實(shí)施自動(dòng)或半自動(dòng)控制。自動(dòng)駕駛儀、發(fā)動(dòng)機(jī)油門的自動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)模態(tài)抑制等保證空天無人機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性，提高完成任務(wù)的效率，增強(qiáng)飛行安全控制性。目前空天無人機(jī)飛控系統(tǒng)有遙控飛行、遙控加自動(dòng)控制、自主控制、智能控制等類型。

圖4 空天無人機(jī)飛控系統(tǒng)原理框架圖。

空天無人機(jī)的飛控系統(tǒng)由飛行性能、顯示、導(dǎo)航、制導(dǎo)四個(gè)組塊構(gòu)成。

（1）性能組塊

該組塊用于速度計(jì)算和姿態(tài)限制，確定最佳姿態(tài)速度，給出空天無人機(jī)各階段飛行的建議數(shù)據(jù)。

（2）顯示組塊

由計(jì)算機(jī)選擇航線、導(dǎo)航點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)到地面控制站電子儀表系統(tǒng)的顯示屏上供監(jiān)控人員實(shí)時(shí)掌握。

（3）導(dǎo)航組塊

導(dǎo)航組塊在全程運(yùn)行中計(jì)算位置、速度、姿態(tài)、風(fēng)速等參數(shù)。其中導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了大量有關(guān)空天無人機(jī)回返機(jī)場(chǎng)和航線數(shù)據(jù)以供編程時(shí)使用。

（4）制導(dǎo)組塊

由飛控系統(tǒng)下達(dá)操控指令、推控指令給子系統(tǒng)，制導(dǎo)組塊在全程運(yùn)行中計(jì)算誤差并修正。

一體化設(shè)計(jì)

空天無人機(jī)設(shè)計(jì)中不僅需要解決平行的單因素技術(shù)，而且需要解決氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)力、控制等一系列交叉、匹配、整合的系統(tǒng)性問題見圖5。雖然超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)雜，包括氣動(dòng)力一體化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化、燃料供應(yīng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化和調(diào)節(jié)控制設(shè)計(jì)一體化，但設(shè)法把這些局部的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、供燃、冷卻、調(diào)控作為一體運(yùn)籌，予以系統(tǒng)性全面解決，則功能性、緊湊性、輕量化就落實(shí)到實(shí)處，先進(jìn)性也就得到體現(xiàn)。在解決空天無人機(jī)降溫控制方面，若采取主動(dòng)式冷卻防熱系統(tǒng)，把機(jī)體結(jié)構(gòu)與防熱系統(tǒng)、燃料供應(yīng)和冷卻系統(tǒng)一體化集成，即把機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成夾層式或管道式，先讓低溫推進(jìn)劑在夾層內(nèi)或管道內(nèi)流動(dòng)，吸走空氣與結(jié)構(gòu)件表面摩擦所生成的熱量，達(dá)到降溫冷卻效果，然后再輸入發(fā)動(dòng)機(jī)供燃燒做功，產(chǎn)生推力，這不失為妙招。

圖5 基于一體化設(shè)計(jì)的空天無人機(jī)。

起飛方式

空天無人機(jī)起飛方式可選擇火箭運(yùn)載發(fā)射、滑跑起飛、飛機(jī)載運(yùn)起飛。

（1）火箭運(yùn)載發(fā)射

空天無人機(jī)與運(yùn)載火箭捆綁為一體，在地面垂直發(fā)射升空后與火箭分離，然后加速?zèng)_出大氣層，進(jìn)入地球軌道運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是空天無人機(jī)能在整流罩內(nèi)回避起飛階段的氣動(dòng)加熱，順利突破音障和熱障，節(jié)省自身攜帶的推進(jìn)劑，以最短距發(fā)射、最快速度入軌，滿足快速發(fā)射的需要，缺點(diǎn)是發(fā)射費(fèi)用相當(dāng)高。

（2）滑跑起飛

空天無人機(jī)以滑跑方式離地升空，然后繼續(xù)加速爬升，直至沖出大氣層進(jìn)入地球軌道運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是單級(jí)入軌屬于高科技技術(shù)的理想起飛方式。缺點(diǎn)是技術(shù)要求高，研制難度大，所承擔(dān)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）飛機(jī)載運(yùn)起飛

空天無人機(jī)由大型飛機(jī)搭載并位于其上方，飛機(jī)不斷加速爬升，抵達(dá)指定高度后，空天無人機(jī)與飛機(jī)分離，飛機(jī)返回機(jī)場(chǎng)，空天無人機(jī)自行啟動(dòng)飛行，繼續(xù)加速爬升，直至沖出大氣層進(jìn)入地球軌道運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是降低研制難度，減少技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)是會(huì)增加管理、維護(hù)工作量。

著陸方式

空天無人機(jī)可根據(jù)技術(shù)要求選擇滑翔著陸、傘降返回、機(jī)動(dòng)著陸方式，并在設(shè)計(jì)時(shí)固化。

（1）滑翔著陸

空天無人機(jī)結(jié)束在軌任務(wù)后再入大氣層，采取滑翔方式著陸。優(yōu)點(diǎn)是不必?cái)y帶動(dòng)力裝置，著陸時(shí)重量輕。缺點(diǎn)是一旦著陸失敗，風(fēng)險(xiǎn)增大。

圖6 大型飛機(jī)載運(yùn)空天無人機(jī)起飛。

（2）傘降返回

空天無人機(jī)結(jié)束在軌任務(wù)后再入大氣層，采取傘降返回方式降落地面時(shí)，在末端打開降落傘，減速著陸。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，可靠。缺點(diǎn)是不適宜大中型空天無人機(jī)。

（3）機(jī)動(dòng)著陸

空天無人機(jī)結(jié)束在軌任務(wù)后再入大氣層，采取機(jī)動(dòng)著陸方式。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性好，選擇性強(qiáng)。缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，需自行攜帶燃料，會(huì)增加著陸重量。

作為一種可重復(fù)使用的飛行器，空天無人機(jī)具備極強(qiáng)的再入大氣層與自主飛行能力，能夠在亞軌道與近地軌道之間切換飛行模式。亞軌道空間的大氣密度高，與近地軌道的環(huán)境截然不同，因此要求其防熱能力更強(qiáng)。

從能量綜合優(yōu)化方向進(jìn)行空天無人機(jī)設(shè)計(jì)見圖7，可從源頭解決整機(jī)節(jié)能的核心難題。首先需要摸清全機(jī)的能量分布，再做好全機(jī)的能量分配，然后落實(shí)全機(jī)的能量使用。在使用過程中發(fā)現(xiàn)問題，找到薄弱環(huán)節(jié)，再進(jìn)行補(bǔ)救、協(xié)調(diào)和改進(jìn)，促成全機(jī)能量的科學(xué)轉(zhuǎn)化，使之更合理，達(dá)到更高效。其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是，超燃沖壓動(dòng)力熱管理、魯棒電力系統(tǒng)REPS（REPS系指強(qiáng)健的無人機(jī)機(jī)載電力能量優(yōu)化與綜合熱管理系統(tǒng)）和基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)等。

圖7 空天無人機(jī)能量綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)框架圖。

遠(yuǎn)景展望

空天無人機(jī)用途十分廣泛，例如能搭載人員在太空開展大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間研究，將人造衛(wèi)星從地面帶到太空并釋放，回收在太空失效或毀壞的航天器如低軌道衛(wèi)星，修改好后再投入使用，甚至可以把新研制的空間實(shí)驗(yàn)室裝進(jìn)艙內(nèi)，開展各項(xiàng)科研工作。

未來，人類航天任務(wù)異常繁重，空天無人機(jī)將承擔(dān)衛(wèi)星發(fā)射/回收、太空客貨運(yùn)輸、空間站建設(shè)、太空旅游、太空冶金、太空制藥、太空醫(yī)療、太空探索等任務(wù)。

衛(wèi)星發(fā)射/回收

圖10 往返地球與太空的客運(yùn)空天無人機(jī)。

空天無人機(jī)能夠一次搭載多顆人造衛(wèi)星在軌釋放，回收在軌毀壞和失效的衛(wèi)星，幫助清理軌道碎片，保持太空環(huán)境清潔及安全。

太空客貨運(yùn)輸

空天無人機(jī)作為在地球與太空之間的往返運(yùn)載工具，可開通定期、定點(diǎn)、定時(shí)航班供物流和人員來往見圖8。

圖8 空天無人機(jī)提供客貨運(yùn)輸。

空間站建設(shè)

空天無人機(jī)可運(yùn)載物資/人員到空間軌道參加空間站擴(kuò)建、改建和修建等工作見圖9。

圖9 空天無人機(jī)運(yùn)送人員參加空間站建設(shè)。

洲際客運(yùn)

空天無人機(jī)能夠在全球范圍內(nèi)提供跨洲際客運(yùn)，地球上任何兩個(gè)城市間的直達(dá)航班飛行時(shí)間都不超過2h。美國設(shè)計(jì)的一種洲際空天客機(jī)，可容納乘客305人，在32km的高度以Ma5飛行速度飛行12000km航程。

太空旅游

在前期，旅客可乘坐空天無人機(jī)前往近地軌道觀光、空間站參觀；中期可組團(tuán)到月球觀光；遠(yuǎn)期可組隊(duì)去火星等其他星球觀光旅游。

太空冶金

企業(yè)利用空天無人機(jī)失重條件和真空環(huán)境，開展在軌冶煉特種合金、冶煉單晶材料等，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

太空制藥

藥企在空天無人機(jī)提供的失重條件和真空環(huán)境下，進(jìn)行在軌制藥和提純藥物，批量生產(chǎn)，造福人類。

太空醫(yī)療

醫(yī)務(wù)人員在空天無人機(jī)失重條件和真空環(huán)境中，對(duì)一些患者的疑難雜癥進(jìn)行特殊治療。

太空探索

科研人員在空天無人機(jī)失重條件和真空環(huán)境中，開展科學(xué)研究和太空探索。■