临近空间太阳能无人机在现代战争中的应用

2020-07-12黄江流侯振乾杜泽弘

空天防御 2020年2期

赵炜，赵钱，黄江流，侯振乾，杜泽弘

(1. 上海机电工程研究所，上海 201109；2. 上海航天动力技术研究所，上海 201109)

0 引言

随着战争形态与军事理论的不断发展，武器系统逐渐朝着网络化、体系化、智能化的方向发展。信息作为战争要素之一，在现代战争中发挥着极为重要的作用。现代军用信息网络系统主要由地基、海基、空基与天基等系统组成[1-2]。其中，空基信息一般由预警机提供，天基信息则由卫星作为主要平台，而海拔20～100 km之间的临近空间则缺少有效的任务载体。临近空间太阳能无人机的出现可以有效填补这一区域的任务空白，为地基、天基等信息网络系统提供有效补充。

临近空间太阳能无人机具有航时长、高度高等优势，可以广泛应用于情报搜集、通信中继、侦察监控等军事任务。各军事强国都争相开发以临近空间太阳能无人机为平台的高空伪卫星项目[3-4]，如美国的“太阳神(Helios)”系列[5]、英国的“西风(Zephyr)”系列[6]等。国内各研究院与高校也均已展开太阳能无人机的研制工作[7]，并取得了重大进展。

本文首先介绍了国内外太阳能无人机的发展现状；之后基于临近空间太阳能无人机系统优势与特点，对4个典型军事应用场景作了初步设想；最后分析了其发展过程中有待突破的关键技术。

1 临近空间太阳能无人机发展现状

1.1 国外临近空间太阳能无人机发展现状

1) 太阳神

“太阳神”是美国航空环境(AeroVironment)公司在美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的环境研究飞机和传感技术项目(the environmental research aircaft and sensor technology, ERAST)资助下设计制造的第4代飞翼布局太阳能无人机。前3代型号分别为“探路者(Pathfinder)”、“探路者改进型(Pathfinder Plus)”、“百人队长(Centurion)”。“太阳神(Helios)”是这个系列的最终型号，希望达到30 km的飞行高度以及至少24 h的连续飞行时间。太阳神根据配置不同分为高空型和长航时型，分别用于高空飞行和长航时飞行的技术验证。高空型太阳神HP01于2001年8月13日创造了29.5 km的飞行高度记录，留空时间18h 01min。ERAST项目资助下的系列太阳能无人机均采用了飞翼布局。为了追求更高的气动效率，其机翼保持弦长为2.4 m不变，各代机型的展长不断增加，展弦比从“探路者”的12.3一直增加到了“太阳神”的30.4。高空版太阳神太阳能无人机HP01，翼展达到了惊人的75.3 m，而整机质量仅为720 kg。图1为“太阳神”无人机。

图1 “太阳神”无人机Fig.1 “Helios” solar powered UAV

2) 西风

“西风计划”诞生于一项打破载人气球飞行高度世界纪录的拍摄活动。该计划失败之后，英国防务公司QinetiQ以此为基础继续开展研究，于2001年将其应用于军事、通信以及地球观察，验证质量低于7 kg的超轻同温层飞机的可行性，并改名为“Zephyr 2”。2008年，根据非官方报道，“Zephyr 6”创造了82 h的飞行时间记录。这一记录大约是由全球鹰创造的30 h无人飞行官方世界记录的3倍。此外，“Zephyr 6”的最大飞行高度也达到了18.3 km。2010年，“Zephyr 7”更是创下了最长的空中连续飞行时间记录，长达2周。2013年3月，“Zephyr”太阳能无人机项目被空中客车防务与航天公司从QinetiQ手中买下，并作为其高空伪卫星项目的重要组成部分继续开展研究。2018年8月，空中客车防务与航天公司宣布旗下的第一架量产型太阳能无人机“Zephyr S”进行了超过25 d的飞行。从理论上讲，在零件可靠性足够高的情况下，太阳能无人机可以实现永久飞行。图2为西风系列太阳能无人机发展图。

图2 “西风”系列太阳能无人机发展图Fig.2 “Zephyr” solar powered UAV development map

3) 天鹰

“天鹰(Aquila)”太阳能无人机是Facebook公司“Internet.org”项目的组成部分，该项目旨在为全球2/3的人口提供可靠的互联网接入服务，如图3所示。天鹰太阳能无人机采用“V"型飞翼布局，翼展达到了43 m，与波音737相当，而整机质量只有约454 kg。天鹰太阳能无人机于2016年6月28日实现了首飞。它白天飞行在27.432 km的高度，吸收和储存太阳能，而夜间则飞行于18.288 km的高度，通过合理的航路规划实现能量最优飞行的目的。

图3 “天鹰”太阳能无人机Fig.3 “Aquila” solar powered UAV

1.2 国内临近空间太阳能无人机发展现状

1) “彩虹”太阳能无人机

“彩虹”太阳能无人机是由我国自主研制的临近空间太阳能无人机，采用双尾撑双垂尾布局，翼展达45 m，采用了由大量碳纤维复合材料组成的大展弦比轻质结构形式，如图4所示。“彩虹”太阳能无人机飞行高度为20～30 km，航时可达数月甚至更长，是继美国“太阳神”系列后世界上最大的太阳能无人飞行器。该机由8台无刷直流电机驱动螺旋桨提供动力，其高效率高功率密度一体化无刷直流电机由我国自主研发，能满足苛刻的环境要求，电机效率达到了91%以上。“彩虹”太阳能无人机在2017年9月20日圆满完成了临近空间飞行试验，飞行高度达到了20 km，标志着我国成为继英美之后第3个掌握该项技术的国家。

图4 “彩虹”太阳能无人机Fig.4 “Rainbow” solar powered UAV

2) “魅影”太阳能无人机

“魅影”太阳能无人机是由我国高校科研团队研制的临近空间太阳能无人机，采用全翼式布局，具有超轻的结构面密度与优异的气动性能，如图5所示。目前已完成了夏季高光照度以及秋冬低光照度条件下的连续飞行试验，并创造了国内太阳能无人机最长连续飞行航时27h 37min的新记录。

图5 “魅影”太阳能无人机Fig.5 Phantom solar powered UAV

2 临近空间太阳能无人机系统特点分析

临近空间太阳能无人机具有飞行时间长、飞行高度高等优势，可以有效填补常规动力飞机与低轨道卫星之间的任务空白区域。它兼具传统常规航空器、航天器的诸多优点，因此又被称为“高机动性伪卫星”。

2.1 优异的长航时平台

临近空间太阳能无人机以太阳能作为消耗能源，依靠其安装的太阳能电池板将光能转化为电能，一方面为动力系统以及机上设备供电，另一方面可以将多余的电能储存在蓄电池中，白天依靠转换的电能维持正常运行，晚上依靠蓄电池存储的电能飞行。通过提高太阳能电池光电转换效率、提升二次能源能量密度以及基于能量管理的最优航路规划等途径，临近空间太阳能无人机可实现持续跨昼夜的连续飞行。此外，与卫星相比，太阳能无人机发射难度较低，容易部署，且能够多次回收重复利用，使用成本低，维护方便。

2.2 常规动力飞机与低轨道卫星任务空白区域的有效填补者

临近空间介于外层空间与国家领空之间，不受国际法保护，可自由通行，是一条“公共走廊”。同时，临近空间基本处于绝大多数有人战斗机升限及大多数小型防空武器的杀伤区范围之外，因此临近空间太阳能无人机具有极强的生存能力，活动范围极其广泛。

由于高空发动机推力损失和空气稀薄等原因，常规动力飞机的静升限通常在20 km以下，而低轨道间谍卫星的轨道则在100 km以上，因此在20～100 km之间的临近空间缺乏有效的任务执行器。临近空间太阳能无人机的飞行高度在20～30 km，可以有效填补这一区域的空白。在临近空间这一区域，太阳能无人机可以对特定区域进行持续的高分辨率观测以及通信覆盖，与低轨道卫星相比，具有更高的分辨率、更长的观测时间以及更强的机动响应能力；与地面通信中继站相比，拥有更大的覆盖区域；与通信卫星相比，具有更低的信号延时和衰减。

2.3 强大的机体、载荷一体化设计潜力

临近空间太阳能无人机在满足高空长航时飞行的前提下，可以根据不同的军事需求，进行无人机机体与任务载荷一体化设计。由于太阳能无人机本身的系统复杂度不高，因此可以配合任务需求进行改制。例如将雷达与结构进行一体化设计，配合联结翼布局的太阳能无人机，可以制造出一架临近空间太阳能传感器无人机，实时进行360°全向探测。

3 潜在应用场景

作战需求是无人机发展的头号牵引力，也同样牵引着太阳能无人机的发展。临近空间太阳能长航时无人机具有飞行高度高、工作寿命长、覆盖范围广、执行任务的空间/时间分辨率高、使用成本低等优点，可弥补飞机平台飞行高度低、工作时间短和卫星平台成本高、侦察密度低的缺点，是执行情报侦察、目标监视以及通信中继等军事任务的理想空中平台。

3.1 巡查监视

临近空间太阳能无人机由于具有夜以继日留空的能力，可以对特定区域进行持续巡查监视。当其搭载电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相机等侦察设备时，可在国土边境或防空识别区内编队巡逻飞行。既能在固定地点上空盘旋飞行，进行定点侦察，又可以选择不同的侦察航路，对途经区域进行连续搜索探测，可大幅提高侦察任务的时空覆盖度，降低侦察成本。英国“西风”太阳能无人机在18 km高空飞行时所拍摄的高清晰度侦察照片的分辨率达到了25 cm，与美国的侦察卫星相当，但是卫星需按特定的轨道运行，存在视线盲区，且其制造与发射成本要远远高于太阳能无人机的制造与发射成本。太阳能无人机一方面可以避免卫星成本过高和侦察密度不足的问题，另一方面又可以弥补飞机飞行高度和巡航能力方面的不足，显示出了太阳能无人侦察机的巨大潜力。图6为临近空间太阳能无人机边境线上空巡查监视示意图。

图6 临近空间太阳能无人机边境线上空巡查监视示意图Fig.6 Schematic of surveillance patrols by a near space solar powered UAV over a border

3.2 电子侦察/干扰

随着科技的发展，战争形态发生了深刻的变化——从过去的机械化战争转变为现代的信息化战争。信息这一要素在现代战争中发挥着日益重要的作用，因此现代战争对情报的获取与保护提出了更高的要求。将电子侦察设备装于太阳能无人机，可以侦辨雷达和其他无线电设备的位置和特性，窃听遥测和通信等机密信息。目前，美、英的电子侦察设备均能在2 000 km范围内进行侦察，完全可以将搭载电子侦察设备的太阳能无人机布置在个别重点关注国家的领空边缘地带进行全程、全天候监控。此外，临近空间太阳能长航时无人机还可携带电子干扰设备前出到敌军事力量附近空域，实施电子干扰，致盲甚至瘫痪敌武器系统，开辟后续进攻通道。图7为临近空间太阳能无人机进行电子侦察/干扰示意图。

图7 临近空间太阳能无人机进行电子侦察/干扰示意图Fig.7 Schematic diagram of electronic reconnaissance/jamming by near space solar powered UAV

3.3 信息中继

现代战场大多数的战术通信都采用成本较低的视距通信。而超视距通信需要依赖于性能较差的短波设备和卫星通信，这两种超视距通信方式的装备部署容易受到限制，且卫星中继通信实时性差，被干扰的风险大。而无人机空中中继通信可提高超视距通信覆盖率，是目前最有效的卫星通信备份方式之一。无人机信息中继的工作原理与卫星通信类似，但其飞行高度低于卫星，具有比卫星更强的机动能力，因而使用灵活，部署成本更低。

临近空间太阳能长航时无人机搭载轻型多频段机载电台等通信中继载荷，可以解决作战部队在执行战术任务时的超视距通信问题以及高空战场通信中继转接问题。通常情况下，战术部队配备的短波通信电台信号穿透能力弱，很容易被战场环境中的障碍物遮挡而丧失基本的通信功能。利用多架无人机搭载通信中继载荷分布在战场附近高空，形成通信链路，可有效满足超视距通信需求。搭载通信中继载荷的太阳能无人机还可作为战场机载通信节点，实现四代机、三代机、预警机、侦察机等各个空中平台的互联互通。同时，由于无人机平台使用灵活度高，可根据需要随时部署，因此其提供的通信中继服务在拒止战场环境下具有明显的优势。图8为临近空间太阳能无人机作为信息中继站示意图。

图8 临近空间太阳能无人机作为信息中继站示意图Fig.8 Schematic diagram of near space solar powered UAV as information relay station

3.4 高空预警

利用地球曲率遮蔽的低空突防是现代战争的重要突防样式。当面临敌方导弹打击时，由于受到地球曲率的影响，只有当导弹爬升到一定高度时，地面雷达才能有效捕捉到目标，留给地面雷达的预警时间非常短。将临近空间太阳能长航时无人机搭载红外或雷达载荷部署在重点空域，充分利用其高空、长航时等优点，多站协同探测，并与地基雷达配合，能够有效提高对敌方来袭导弹的探测距离，与地基雷达相互补充，大幅增加地面预警时间，为防御武器争取到更多的响应时间。同时，也可以实现对敌方诱饵干扰的有效辨别以及对敌低空突防目标的有效探测，大幅提高武器探测系统抗干扰能力和综合防御能力。图9为临近空间太阳能无人机进行高空预警示意图。

图9 临近空间太阳能无人机进行高空预警示意图Fig.9 Schematic diagram of high altitude early warning by near space solar powered UAV

4 临近空间太阳能无人机关键技术分析

临近空间太阳能无人机的工作过程本质上是能量的收集、管理、存储和耗散的过程，它无需自带燃料，可长时间连续飞行。与传统飞行器不同，临近空间太阳能无人机的设计目标不是飞行速度快、载重量大，而是飞行高度足够高、连续飞行时间足够长以及可靠性足够高。因此，临近空间太阳能无人机的发展需要突破以下关键技术。

4.1 高效的太阳能电池与储能系统设计技术

高效的太阳能电池与储能系统是支撑太阳能无人机长航时飞行的关键。

在太阳能电池方面，目前广泛使用的单晶硅太阳能电池的转换效率约为20%，而且受到材料特性的影响，后续进一步提升的空间有限。转换效率更高的砷化镓太阳能电池受工艺、设备等影响，价格昂贵，目前一般只应用在卫星等航天器上。同时，航空领域对太阳能电池的要求不仅仅是具有较高的转换效率，它还要求具有良好的物理特性，如耐高/低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。此外，当太阳能电池应用于飞机平台上时，它既是产生电能的功能原件，又作为蒙皮的一部分承载气动载荷，其自身厚度小、刚度差、易碎易裂，很难适应弦长较小的机翼曲面环境。当飞行中机翼弯曲变形较大时，电池片将严重受损。因此，临近空间太阳能无人机对太阳能电池板本身特性和封装工艺提出了极高的要求。

在储能系统方面，目前国外太阳能无人机在概念设计阶段都提出储能器应选择高能量密度、高效率的燃料电池，个别小型太阳能无人机则选用了性能较好的锂聚合物电池。尽管燃料电池已成功应用于大型飞行器，但对于轻、微型飞行器，燃料电池现有的体积和重量仍无法满足要求。太阳神无人机加装燃料电池后全机增重362.88 kg，占无人机起飞重量的34.8%。储能系统占整机质量的比重偏大会影响无人机最终的气动布局和几何尺寸，也大大减弱了飞机的载重能力。因此，研发一套拥有高电能转换效率与高能量密度的能源系统是未来太阳能无人机发展的关键。

4.2 高空低雷诺数气动布局设计

由于飞行高度高、空气稀薄，临近空间太阳能无人机的飞行雷诺数较小，具有严重的低雷诺数效应[8-9]。目前，高性能翼型更多是根据航程和速度要求进行设计的，并不特别适合太阳能长航时无人机，因此需要针对低雷诺数条件下的层流分离、转捩、再附等特性进行专门的翼型设计。而且，目前针对低雷诺数流动的数值模拟方法尚有不足，数值模拟结果偏差较大，需要进行大规模的试验来进一步研究低雷诺数流动特性。

4.3 大展弦比机翼超低结构面密度技术

太阳能电池能量转换效率较低，需要较大的机翼面积铺设太阳能电池组件，这导致太阳能无人机的翼展较大，例如，“太阳神”高空型HP01的翼展达到了75 m。同时，临近空间太阳能无人机的机翼比较柔软，因此在正常飞行条件下机翼会产生大变形，从而导致气动载荷重新分布，对全机性能产生较大影响[10]。这种气动/结构耦合的特点对飞行速度和飞行品质具有较大影响，机翼的自然频率和气动弹性特性发生明显变化也会导致结构承载能力变差，从而造成稳定性与安全性低等问题。因此，开展大展弦比无人机机翼结构的综合布局优化设计研究极为重要。