传感器无人机发展状况及其关键技术

李国民，张军红

（电子科技集团第38研究所浮空平台部，安徽合肥 230031）

引言

传感器无人机（Sensorcraft）是由先进的传感器构造的飞机而不是挂载先进传感器的无人机，是由美国空军研究实验室（AFRL）首先提出的一种新概念飞行器。作为美国未来全球感知系统的空中载体，传感器无人机被想象成为一种完全集成的情报、监视和侦察（ISR）系统的组成部分。该ISR系统能将整个空、天、地的ISR设施有机地集成到一起。这种技术架构远远超出了信息融合（如交互导引（Cross Cueing））的概念，上升到自动集成的水平，从而使传感性能大幅提升，能够识别伪装的、隐蔽的和具有欺骗性的目标。此外，这种传感器无人机还能够与天基设施进行多点静态协同，并能从地面传感器获取数据［1］。

传感器无人机概念中，首次体现了传感器与无人机的综合一体化设计思想，其设计理念要求突破传统飞行器设计中传感器的附属地位，将传感器性能发挥作为一种总体设计约束，增加到系统的方案设计过程中，真正体现了平台与载荷的无缝融合，做到了传感器即是结构件。结合现代战场对信息化建设的迫切需求，一体化设计的传感器无人机凭借其不可估量的战略价值，成为世界各军事强国的研究热点。

1 传感器无人机的发展状况

1.1 系统总体发展状况

自“灵巧蒙皮结构”的最初技术探索到“传感器无人机”概念的提出，再到项目的正式开展，传感器无人机系统总体的发展分为四个阶段。

1993年～1997年为第一阶段，是共形天线技术的起步阶段。美国空军研究实验室在此阶段对共形天线技术的发展前景和应用潜力进行了初步的评估。

1997年～2000年为第二阶段，是共形天线技术的应用阶段。以传感器为核心，全面采用共形天线技术、具备360°全方位探测能力的空中无人预警探测飞行器概念——“传感器飞机”开始酝酿并逐渐成熟。

2000年～2004年为第三阶段，是概念可行性研究评估阶段。从2003年的“X波段天线阵列”和2004年的“联接翼缩比样机”两个项目可以看出，AFRL从天线阵列技术和飞行器平台技术两个方面对传感器无人机的可行性进行了先期检验。

2004年至今为第四个阶段，是工程化研制阶段，波音公司和诺斯罗普-格鲁曼公司两大军工巨头正式开始介入。波音公司采用联接翼布局满足了360°全向探测要求；诺斯罗普-格鲁曼公司采用一种能够从侧面辐射电磁波的雷达天线技术—— “Endfire”，并搭配其成熟的飞翼布局来实现360°全向探测。

1.2 气动布局发展状况

传感器无人机外形设计的关键问题是使气动效率最大，同时使飞行器结构效率最高，重量最轻。同时，还要满足传感器天线360°全向扫描的要求［2］，因此，必须选择合适的布局才能达到预定目标。目前比较流行的传感器无人机的气动布局是联接翼构型和飞翼构型。

1.2.1 连接翼构型

连接翼构型是波音公司提出的适合360°全向扫描的飞机构型，如图1所示。

图1 波音公司的连接翼构型

连接翼构型通过后翼增加了配平能力，因前后翼良好干扰，使飞机具有特别高的自然姿态恢复能力和良好的气动静安定特性。由于后翼前掠，其迎角失速范围本身就比后掠翼的前翼宽，叠加下洗流的作用，飞机飞行大迎角自然恢复角度相当宽，很难进入失速状态，总的升阻比也很高，适合高空高速长航时的飞行任务需求。通过前后翼的巧妙连接，前后翼翼盒的结构变成了一种闭合的具有大厚度的结构支撑框架，使机翼的刚性和弹性控制要求大为降低。同时，由于受力结构更加合理和稳定，使飞机结构重量大大减轻［3］。

连接翼的缺点是前掠的后翼气动弹性发散速度很低，需要进行发散控制，由于前后翼的联结，联接翼构型具有与常规飞机不同的特性，存在着气动、结构、气动弹性、操纵性和稳定性等专业之间的强耦合，其中许多几何参数将同时影响着每个专业方面的设计，增加了设计难度［4］。较大的飞机尾翼需要在设计时考虑有效结构形式，以减轻结构效率方面的压力。

1.2.2 飞翼构型

飞翼构型是美国格鲁曼公司提出的适合360°全向扫描的飞机构型，如图2所示。

图2 格鲁曼公司的飞翼构型

飞翼构型通过无尾翼设计减小了飞机的结构重量，通过翼身融合设计使飞机具有很高的气动效率，气动载荷分布也达到最佳，增大了飞机的升阻比，减小了机身对天线扫描的遮挡，减小了飞机的RCS，增加了预警威力。

由于飞翼构型是一种无尾的形式，稳定性天生不足，操纵面不好设置，其纵向和航向都将不稳定或稳定性不足，相应地大大增加了飞控系统中控制律的设计难度。另外，飞翼构型的飞机突风敏感因子较大，不但在起降时不能利用襟翼增升，而且为配平飞机升降舵向上偏转，襟翼本身在起飞着陆时还要提供负升力。为了解决着陆性不好的问题，飞翼构型的翼载比有尾飞机小得多［5］。

1.3 共形传感器发展状况

1.3.1 美国空军共形传感器研制情况

从20世纪90年代初开始，美国空军围绕传感器无人机进行了共形承重阵列项目研究。主要包括“灵巧蒙皮结构（S3TD）”、“射频多功能共口径结构（MUSTRAP）”、“低波段结构天线（LOBSTAR）”和“结构一体化X波段阵列（SIXA）”项目。

S3TD项目起始时间为1993年～1996年，美国空军同时研究了飞行器适装共形天线位置、如何用共形天线替代原结构件和电磁兼容性等几个问题。项目的成果是设计加工了共形承重天线的试验件，尺寸为915 mm×915 mm，工作频率从225～400 MHz，并进行了相关的力学试验。

图3 F/A-18端帽天线

MUSTRAP项目1997年开始进行，是“灵巧蒙皮结构项目”的延续，对外宣布“具备多功能、宽带、结构一体化的低成本天线，满足通信、导航、目标识别和电子战需求”，其成果形式为机身共形天线与F/A-18端帽天线（见图3）。与“灵巧蒙皮结构项目”相比，机身共形天线具备材料不易疲劳和结构强度更大两个优点。F/A-18端帽天线采用VHF/UHF波段，天线安装于NASA的F/A-18尾翼，在1997年2月进行了飞行试验。结果显示，在低频情况下，端帽天线信噪比可以比刀片天线提升15～25 dB。2000年，诺格公司与美国空军实验室联合开展了MUSTRAP项目研究，开发了一个可以承重的1000 mm×1000 mm四臂螺旋天线。在此基础上，诺格公司展开了进一步的研究，开始了“传感器无人机共形低波段天线结构”（S-CLAS）项目。该项目演示了半尺寸传感器无人机所需的天线阵列，尺寸为7600 mm×2700 mm，包含25个单元，但是由于种种原因，天线未进行电性能测试。

LOBSTAR项目在“传感器无人机共形低波段天线结构”项目基础之上进行研发，其主要目的是开发一种低频段天线，可以探测丛林植物中隐藏的慢速移动目标。LOBSTAR项目前期对“S-CLAS”项目的天线阵列进行了电磁性能测试，测试结果可用于后续的研究中。LOBSTAR项目原计划制造全尺寸的试验件，可用来制造传感器机翼，并且包含大尺寸的天线阵列。试验件将进行冷热环境试验、力学试验、湿度环境试验，并在疲劳试验前后进行天线射频性能测试。

SIXA项目起止时间为2003年～2007年，目的是证实结构的有效性，同时提升射频性能。2006年2月进行了子结构试验。试验中，子阵列被集成在盒装结构试验件中，盒子由内部四个支撑点支撑，这些内部的支撑点保持固定，发射阵子垂直飞机表皮放置，形成蜂窝状结构（见图4）。

图4 发射阵子形成蜂窝状结构

1.3.2 雷声公司共形传感器研制情况

雷声公司研制的共形天线可分为四代:第一代为共形天线，曲面半径约为0.5 m；第二代天线为可以用于扫描的波束，天线上折叠或栅格的间距X波段为0.15 m，UHF为1.00 m；第三代为有源电扫共形阵列天线，起初是一种小型、可弯曲的收发模块，面积约6.5 cm2，而现在可以直接垫置在一种轻型的、类似于塑料的材料底部，通过加热与材料融为一体（见图5）；目前正在研制的第四代阵列，能够直接“粘贴”到空中和地面的大型结构件中。

目前，世界上对共形阵列的研究主要是将厚达几厘米的共形天线直接贴装在飞机蒙皮上，但今后的共形天线将是能够在结构上承载的阵列，其天线单元嵌入到飞机蒙皮内，在辐射或接收电磁能量的同时，能够承载很高的动力载荷，并成为飞机本身结构的一部分。

图5 雷声公司的曲面有源天线阵列

2 传感器无人机关键技术分析

传感器无人机是一项复杂的系统工程，系统兼具飞机和传感器的双重特性，每个关键部位均有关键技术需要攻克。

2.1 有源天线与机翼一体化设计技术

传感器无人机的设计方案主要由先进传感器载荷和射频天线孔径的设计要求决定，具有先进射频功能的天线（包括雷达和电子信号采集）也将全部集成到飞行器上。设计人员所面临的最大挑战是如何将大型天线和射频天线孔径集成到机身上。另外，大型天线应具有很高的增益，并且能够探测到极难发现的目标。这些大型天线与机身结构的集成对于减小飞行器的结构重量十分关键。与传统的独立于结构载荷的天线不同，这些天线必须能够承受一定的载荷，而且设计人员必须确保天线的每一部件尽可能地具有较高的结构效率。为了设计出这样的承载共形天线，必须将天线与机翼走向、结构承力形式和翼盒变形问题从设计阶段予以综合考虑。同时，传统机翼的加工方式也要满足天线安装要求，进行一体化制造和装配。

2.2 瓦片数字阵列模块技术

机翼空间与重量有限，数字阵列模块不但需要轻薄化共形设计以减轻体积与重量，而且还需要考虑瓦片数字阵列模块承重。在全数字化片式有源阵列模块体系设计中，必须根据功耗、电路形式、互连关系等进行科学分析，合理组合，形成若干个薄层，然后采用适当的支撑与屏蔽材料，有机地形成一个整体。瓦片数字阵列模块的关键技术和难点主要包括:微芯片高密度集成组装技术；微波高密度封装技术；宽带、高效微带迭层天线设计技术；微波高密度互连技术。

2.3 低雷诺数层流超临界机翼设计问题

传感器无人机要求在高空低雷诺数的飞行条件下长时间飞行，如何获得高升阻比是获得长航时的关键，大展弦比机翼平面形状与低雷诺数自然层流超临界翼型的结合可以提供长航时所需的气动性能，因此，低雷诺数层流超临界机翼的设计问题就成为传感器无人机设计的关键问题之一［6］。在进行层流超临界机翼的设计时，主要考虑如下技术难题:低雷诺数导致超临界层流机翼边界层变厚，机翼摩擦阻力系数变大；低雷诺数导致气流对机翼表面光洁度的敏感性增大，要充分考虑后掠翼层流控制、翼面层流控制、制造公差对层流影响分析等技术难题［1］。

2.4 大展弦比机翼非线性气动弹性分析技术与变形感知补偿技术

传感器无人机的特点之一是高空长航时，一般采用大展弦比或超大展弦比机翼（展弦比20～50）。机翼重量轻，机翼展向单位长度质量小，在飞行载荷的作用下，机翼将产生很大的弯曲和扭转变形，应变和位移已经不是线性关系。另外，结构内部的应变是微小的，材料的应力变化关系仍处于弹性范围内，这种情况下，基于小扰动的气动弹性分析方法已不再适用。大展弦比柔性机翼非线性气动弹性分析问题将变得至关重要。目前，非线性气动弹性建模问题、机翼结构大变形问题和非线性气动弹性问题的计算方法是最突出的三个问题［7］。

传感器无人机的嵌入式共形天线会随着飞行器的高速运动发生一定的形变，位移量较大，且规律性很差，如果不进行合理补偿，可能会对幅相精度造成影响。因此，必须研究共形天线形变感知和补偿技术。

2.5 气动弹性主动控制技术

传感器无人机的机翼需要使用高比强度和高比刚度的复合材料，且刚度要求大于强度要求。颤振的被动控制依靠增加机翼的刚度和强度来实现，但这将导致机翼的结构重量增加，因此需要进行主动颤振控制来抑制颤振带来的影响。

对于联接翼布局，前掠后翼的气动弹性发散速度较低。为了抑制气动弹性发散，需要增加后翼的刚度［7］，这将给飞机的结构重量带来很大压力。因此，需要对气动弹性进行主动控制来抑制气动弹性发散。

对于大展弦比飞翼式布局，则会产生动态气动弹性稳定性问题。飞翼的弯曲变形模式与刚体俯仰模式耦合将产生一种被称为“机身自由颤振”的响应。为避免这种现象，必须增加机翼的刚度，但这将带来极大的结构重量压力。对于飞翼布局的气动弹性问题，目前的研究集中在主动突风减缓和机体自由颤振抑制方面。2007年，诺格公司和洛马公司在跨声速风洞中对一种12%缩比尺寸的具有俯仰和升降自由度的半翼展模型进行了试验。结果表明，采用这种构型可使其临界突风载荷减小50%，颤振速度增加22%。

3 结束语

传感器无人机由于采用先进的气动布局和设计手段，在与其它平台具有相同的起飞重量时，相比于预警飞机具有更大的载荷能力和预警监视威力，也具有更大的航程与航时优势，还具备对空探测、对地观测、电子对抗、通信等多种功能，其各功能间可智能切换，各传感器也可同时工作，使自身能力最大化，并且成本更低。因此，传感器无人机的研制成功必将对信息化战争产生革命性的影响。

传感器无人机的研制涉及航空和电子两大领域，研制难度大，关键技术多，是一项复杂的系统工程。因此，在传感器无人机的研制过程中，首先可以选取平台-载荷互为输入的综合设计，然后再独立发展，解决各自领域的关键技术，最终再进行集成的发展路线，这样可以避免研制风险，提高研制效率。

［1］Martinez J，Flick P.An overview of sensorcraft capabilities and key enabling technologies［R］.AIAA-2008-27185，2008.

［2］阿雯，胡冬冬.传感无人机的关键技术及其研究进展［J］.飞航导弹，2010，（2）:12-13.

［3］薛霸.龙翔九天——中国翔龙高空长航时无人机［J］.中国兵器，2007，（3）:6-7.

［4］李军，李占科，宋笔锋.联翼高空长航时无人机布局设计研究［J］.飞行力学，2009，27（4）:1-4.

［5］仲峰.飞翼式无人机总体概念性设计与分析［D］.南京:南京航空航天大学，2008.

［6］胡问鸣.无人机系统技术［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［7］赵永辉.气动弹性力学与控制［M］.北京:科学出版社，2007.