高空長航時無人機新動向

賀作豪

未來的信息化戰(zhàn)爭需求使得高空長航時無人機系統(tǒng)的發(fā)展在世界范圍內(nèi)得到了空前的重視，高空長航時無人機系統(tǒng)在技術(shù)、性能和作戰(zhàn)使用上呈現(xiàn)出新的特點。

高空長航時無人機是一種偵察和收集情報的理想裝備，此外還可用于通信中繼、地理測繪、防災(zāi)救災(zāi)等任務(wù)。這類無人機的數(shù)量很少，美國的“全球鷹”在世界上處于領(lǐng)先地位，其他國家的防務(wù)部門和公司正在奮起直追，有所突破。

“西風(fēng)”

2006年，英國國防部與空中客車公司簽訂了購買兩架“西風(fēng)”（Zephyr）8無人機的合同。“西風(fēng)”8是一種高空長航時無人機，利用太陽能電池作為動力源，能在高空停留很長時間，故有“高空偽衛(wèi)星”（HAPS）之稱。空中客車公司將在英國范保羅基地制造這兩架無人機。英國國防部將這種無人機用于支援特種部隊的情報收集任務(wù)。多架“西風(fēng)”協(xié)同工作，能提供廣闊地理區(qū)域的持續(xù)、可靠的情報，未來還可用作通信中繼或數(shù)據(jù)鏈。上述兩架“西風(fēng)”8是按驗證機發(fā)展的。

“西風(fēng)”8以前的型別“西風(fēng)”7在2010年實現(xiàn)了創(chuàng)世界記錄飛行，連續(xù)飛了14天。該機能在19800m高空緩慢飛行。空中客車公司將“西風(fēng)”之所以能長時間飛行歸因于采用了與其衛(wèi)星所用相同的太陽能電池和其他技術(shù)，該公司制造的衛(wèi)星工作了15年，且不需要更換零件。

“西風(fēng)”設(shè)計發(fā)展已將近有十年光景。英國奎蒂奈克公司在2013年將該機的設(shè)計和發(fā)展所用權(quán)轉(zhuǎn)讓給了空中客車公司。盡管“西風(fēng)”設(shè)計和試驗幾年來一直沒有斷過，英國是第一個試圖將該機用于軍事用途的國家。

英國國防部還在從事一個尋找合適技術(shù)用于持續(xù)監(jiān)視偵察的項目，很可能與“西風(fēng)”無人機有著千絲萬縷的關(guān)系。Roke公司正在設(shè)計數(shù)據(jù)鏈，用于以大于50km的距離與地面上的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施直接通信。該公司在數(shù)據(jù)鏈發(fā)展中考慮了“西風(fēng)”的尺寸、重量與功率限制。此數(shù)據(jù)鏈將提供一個高帶寬通信通道，傳輸實時圖像和視頻。系統(tǒng)將采用商用貨架3G硬件，不能單獨將信號從高空成功地傳輸?shù)降孛娴幕尽oke Manor研究公司為此發(fā)展了自適應(yīng)波束成形技術(shù)，將信號指向地面上的商用移動通信基礎(chǔ)設(shè)施，或?qū)ｉT的軍用基站。

Plextek公司正在為上述項目研究可用于“西風(fēng)”的基于壓縮信號敏感的射頻發(fā)射器定位技術(shù)。壓縮敏感涉及在模數(shù)轉(zhuǎn)換前以遠(yuǎn)低于奈奎斯特速率的速率編碼和合并傳感器輸出，即對傳感器輸出信號進(jìn)行壓縮。在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，原始信號可以通過一些專門的算法重構(gòu)，但計算工作量很大。Plextek公司研究擺脫這些算法，直接從壓縮信號經(jīng)過信號處理確定射頻發(fā)射器的頻率和方位。這樣，就可以減輕高空長航時無人機通信或雷達(dá)載荷的尺寸、重量和功率。Plextek公司設(shè)計的算法對探測一系列實際發(fā)射器，包括移動通信、空中交通管制和監(jiān)視雷達(dá)，已實現(xiàn)1°方位精度。

英國洛克菲爾德大學(xué)也在大力研究“西風(fēng)”的小尺寸、輕型、低功耗任務(wù)載荷。該大學(xué)電子和電氣工程系為“西風(fēng)”設(shè)計的激光雷達(dá)的最大重量為3km。該系發(fā)展的技術(shù)能同時用激光雷達(dá)測繪地形，及采用該儀器的熱成像通道將人員與車輛放到景象上。該系計劃結(jié)合良好的工程實踐，一些電子操縱的微小型反射鏡和3D打印金屬零件使激光雷達(dá)的重量達(dá)標(biāo)。指標(biāo)一旦實現(xiàn)，則它在觀測國際邊界以及人員的越界活動方面特別有用。

“西風(fēng)”的最大缺點是其任務(wù)載荷能力受到限制。“西風(fēng)”8的全部任務(wù)載荷能力為5kg。空中客車公司稱，其未來型別的任務(wù)載荷能力將會增加。除“西風(fēng)”8外，空中客車公司又發(fā)布了兩種“西風(fēng)”型別：“西風(fēng)”S是“西風(fēng)”8的生產(chǎn)型。“西風(fēng)”T的尺寸更大，其連續(xù)功率超300W，能容納較大質(zhì)量的任務(wù)載荷，如雷達(dá)、激光雷達(dá)、ESM/電子情報和寬帶通信設(shè)備。

空中客車公司已試飛和鑒定了一系列輕重量的任務(wù)載荷，包括光電/紅外監(jiān)視傳感器。此外，該公司還在“西風(fēng)”平臺上試飛了幾種通信任務(wù)載荷，得到了相當(dāng)有用的結(jié)果。例如，可實現(xiàn)兩個相距650km的兩個作戰(zhàn)用手持無線電臺間的通信。而且，通過發(fā)展新的傳感器和修改現(xiàn)有的傳感器，可發(fā)展一系列輕傳感器。例如，去掉一些不必要的特征，如鋼制的殼體，可顯著降低原先的重量，以滿足“西風(fēng)”對傳感器技術(shù)的重量要求。

為實現(xiàn)對“西風(fēng)”的一般情報、監(jiān)視與偵察（ISR）要求，空中客車公司選擇澳大利亞無人機視覺系統(tǒng)公司為“西風(fēng)”8提供情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)載荷。這是一種具有高倍光學(xué)變焦能力的白晝傳感器及裝有高倍光學(xué)變焦鏡頭的紅外傳感器。這種具有萬向架傳感器的型號是CM202，重量剛好是3.5kg。其尺寸為深190mm，高295mm。這種傳感器在“西風(fēng)”上使用時，可提供晝夜很長時間高穩(wěn)定性連續(xù)視頻。

除英國外，新加坡海軍和德國軍方也對“西風(fēng)”感興趣。

在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用

采用太陽能的高空長航時無人機還可用在商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，為很少有通信衛(wèi)星覆蓋或沒有通信衛(wèi)星覆蓋的地區(qū)提供聯(lián)網(wǎng)能力。太陽能無人機的成本要比衛(wèi)星及其發(fā)射成本低很多，因此是相當(dāng)好的一個選擇。

美國硅谷的兩大互聯(lián)網(wǎng)巨頭谷歌公司和臉書公司都對將太陽能無人機用于互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了研究。谷歌公司按其SkyBender項目于2016年初對一架太陽能無人機進(jìn)行了試飛，打算提供高速5G互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。但后來因無人機造價過高，加上相關(guān)技術(shù)儲備不足，被迫停止了這個項目。

臉書公司的internet.org全球聯(lián)網(wǎng)項目采用太陽能無人機來提供高空基站。臉書公司通過與英國Ascenta公司合作來發(fā)展合適的無人機，Ascenta公司的一些創(chuàng)始人曾幫助建造了“西風(fēng)”的一些早期型別。

2015年，臉書公司完成了第一種型別無人機，“天鷹座”（Aquila）的制造。該機完全以太陽能作為動力，其翼展與波音747客機相仿，達(dá)到42m。該公司還成功地試驗了數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)lOGB/s的激光技術(shù)。“天鷹座”將在約18300m的高空飛行，一次可飛3個月之久。為使無人機盡可能地輕，其機體由88g的T700纖維制造，纖維具有良好的彈性，其強度比鋼大3倍。

最后將形成一個由多架“天鷹座”組成的一個“星座”。地面站將互聯(lián)網(wǎng)無線電信號發(fā)送到一架母機，然后再通過激光技術(shù)發(fā)送到星座中的其他無人機，形成對地面的互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

2016年6月，“天鷹座”在第一次試飛降落時失敗，據(jù)稱是因遭遇強風(fēng)而偏離航路，最終導(dǎo)致機翼折損而墜毀。2017年6月，“天鷹座”在第二次試飛中成功降落，飛行時間達(dá)1h46min。

以液氫為燃料的無人機

波音公司的“鬼怪眼”（PhantomEye）高空長航時無人機現(xiàn)在處于可飛的儲存階段，估計在等愿意投資的客戶做進(jìn)一步試驗，而迄今對該機的研發(fā)都是公司內(nèi)部出資的。

“鬼怪眼”總共飛了34h，達(dá)到16200m高度。該無人機采用氫內(nèi)燃發(fā)動機推進(jìn)技術(shù)，用兩個螺旋槳來實現(xiàn)飛行。首飛是2012年進(jìn)行的，在2014年美國宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心的試驗中，“鬼怪眼”將其航時延長到8h。在9次試飛中，有5次是按美國導(dǎo)彈防御局的合同進(jìn)行的，該局采用此無人機攜帶一個內(nèi)部的飛行數(shù)據(jù)測量任務(wù)載荷。該機在2014年試飛之后，被儲存起來。但波音公司據(jù)此無人機的技術(shù)在發(fā)展更大的高空長航時無人機，那些無人機可在高空停留一星期或更長時間，可攜帶900kg以上的任務(wù)載荷。

航空環(huán)境公司發(fā)展的“全球觀察者”（Global Observer）高空長航時無人機目前也處于與“鬼怪眼”同樣尷尬的處境，正在等待顧客的出現(xiàn)。這種無人機翼展為53m，長21m，也采用液氫作為燃料。該機計劃達(dá)到以下設(shè)計指標(biāo)：飛行高度17000～20000m，航時5～7天，任務(wù)載荷180kg。

這種無人機是為用于包括邊境監(jiān)視和通信在內(nèi)的任務(wù)設(shè)計的，而且強調(diào)成本在顧客可擔(dān)得起的程度內(nèi)。它可像可重新部署衛(wèi)星那樣工作，覆蓋地球表面直徑為lOOOkm的區(qū)域。它能提供通信中繼、情報、監(jiān)視與偵察、暴風(fēng)雨跟蹤、無線電通信基礎(chǔ)設(shè)施、山火探測或跟蹤、海上操作和減災(zāi)等服務(wù)。

國內(nèi)高空長航時無人機的發(fā)展

我國在高空長航時無人機發(fā)展方面已取得可觀成果。曾出現(xiàn)在2015年9月3日紀(jì)念抗日戰(zhàn)爭勝利70周年閱兵式無人機方隊中的BZK-005無人機是航空工業(yè)哈飛與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合設(shè)計的一種具有隱身能力的中高空長航時無人機，已裝備部隊。BZK-005由一個三葉螺旋槳推進(jìn)，巡航速度170km/h。其最大起飛重量1250kg，實用升限8km，航時40h，任務(wù)載荷重量達(dá)150kg。航空工業(yè)成飛集團(tuán)研制的“翔龍”采用菱形聯(lián)翼結(jié)構(gòu)，以噴氣發(fā)動機為動力。中國航天空氣動力研究院的“彩虹”太陽能無人機的翼展為40多米，已進(jìn)行了試飛。2017年]]月，北京航空航天大學(xué)的“天鷹”無人機下線。這種無人機是針對國外市場研發(fā)的，翼展達(dá)42m，重400kg，能在20000～30000m之間高度飛行，可利用太陽能作為電力補充，續(xù)航時間為3個月。