“西風(fēng)”保持著太陽(yáng)能飛行的領(lǐng)先地位

目前，太陽(yáng)能在許多技術(shù)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，以太陽(yáng)能為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)不間斷長(zhǎng)時(shí)間飛行已經(jīng)不是一個(gè)新的概念，但是在實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能動(dòng)力飛行過(guò)程中，試圖在平流層進(jìn)行極端耐久飛行時(shí)，就會(huì)遇到幾個(gè)重大挑戰(zhàn)，就像“西風(fēng)”（Zephry）計(jì)劃一樣。

在“西風(fēng)”計(jì)劃正式啟動(dòng)之前，有人駕駛飛機(jī)與無(wú)人駕駛飛行器領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行過(guò)幾次大膽嘗試。不同的是，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)已進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，并且顯示出潛在的作戰(zhàn)效能，目前已經(jīng)收到了英國(guó)國(guó)防部下屬軍事客戶的訂單。如果驗(yàn)證工作順利，首批2架“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)將在今年底開始接受作戰(zhàn)測(cè)試和性能評(píng)估。

延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間

“西風(fēng)”計(jì)劃于2003年由英國(guó)奎奈蒂克公司（QinetiQ）發(fā)起，并實(shí)現(xiàn)了世界持續(xù)飛行紀(jì)錄，多架原型機(jī)在澳大利亞、歐洲和美國(guó)的各個(gè)地點(diǎn)建成并飛行，在尺寸和性能上不斷得到提升。

2003年，首架“西風(fēng)”原型機(jī)在英國(guó)康沃爾郡進(jìn)行了起飛試驗(yàn)，但是用于牽引的氣球發(fā)生漏氣，導(dǎo)致試飛失敗。2005年2月，第二架原型機(jī)在澳大利亞武麥拉試驗(yàn)場(chǎng)再度借助氣球牽引，進(jìn)行了初次試飛，然而在測(cè)試過(guò)程中遭遇到狂風(fēng)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在10000m高空失控。同年12月，“西風(fēng)”5原型機(jī)實(shí)現(xiàn)了4h持續(xù)飛行，飛行高度為10973m。2006年7月底，一架“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)持續(xù)飛行了18h，其中包括在夜間飛行了7h。

從設(shè)計(jì)上看，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)是一種翼展達(dá)16m但重量只有27kg的輕型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，采用了拱形翼尖小翼，在翼尖處設(shè)計(jì)了一種彎折裝置，以增強(qiáng)氣動(dòng)性能。覆蓋在機(jī)翼上部的太陽(yáng)能電池組在白天為飛機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)將能量?jī)?chǔ)存在可充電的電池組內(nèi)，以便在夜晚繼續(xù)提供充足的動(dòng)力。該機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在15240m以上高度連續(xù)飛行數(shù)月時(shí)間。

2007年，奎奈蒂克公司為“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)改裝了新式非晶硅太陽(yáng)能電池組和一套鋰硫電池，在由透明聚酯薄膜板制造的機(jī)翼上固化了一層太陽(yáng)能陣列電池板，顯著提高了電源系統(tǒng)的效率，并于9月10日完成了54h的持續(xù)飛行，飛行高度達(dá)到17780m，再次創(chuàng)造了新的飛行紀(jì)錄，打破了RQ-4A“全球鷹”無(wú)人機(jī)在2001年3月創(chuàng)下的30h24min的無(wú)人機(jī)最長(zhǎng)飛行時(shí)間紀(jì)錄。2008年8月，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的持續(xù)飛行時(shí)間延長(zhǎng)到 82h37min。

2010年7月9日，奎奈蒂克公司全新設(shè)計(jì)的一架“西風(fēng)”7型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)攜帶著27.7kg的有效載荷，在美國(guó)亞利桑那州的一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)上空連續(xù)飛行超過(guò)了14天，達(dá)到336h22min8s，達(dá)到了21562m的飛行高度，從而創(chuàng)造了無(wú)人機(jī)不間斷飛行時(shí)間的新紀(jì)錄，朝著預(yù)期飛行3個(gè)月的最終目標(biāo)前進(jìn)了一大步。

發(fā)展HAPS概念

2013年3月，空中客車集團(tuán)防務(wù)與空間公司收購(gòu)了“西風(fēng)”計(jì)劃，構(gòu)成了該公司高空偽衛(wèi)星（High Altitude Pseudo Satellite，HAPS）概念的飛行器組件。

針對(duì)“西風(fēng)”計(jì)劃，空客公司制定了一個(gè)提高載荷能力的路線圖，在制造“西風(fēng)”8無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)和制造新一代太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。為此，研制人員開始著手測(cè)試無(wú)人機(jī)通信適配性和光電傳感器，利用此前制造衛(wèi)星的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)減少機(jī)載關(guān)鍵設(shè)備的體積和重量。

自2008年以來(lái)，空客公司一直致力于研發(fā)HAPS，并將其作為一個(gè)跨部門的項(xiàng)目來(lái)研制和發(fā)展多種能力。HAPS并不是與衛(wèi)星或傳統(tǒng)的高空長(zhǎng)航時(shí)（HALE）無(wú)人機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，而是擁有已實(shí)現(xiàn)的一些獨(dú)特能力。例如，如果未被派遣其他任務(wù)，HAPS可以持續(xù)數(shù)月地提供季節(jié)性監(jiān)測(cè)能力。針對(duì)HAPS，空客公司已經(jīng)將遙感和類似衛(wèi)星的通信應(yīng)用確定為感興趣的領(lǐng)域，準(zhǔn)備將一些任務(wù)載荷集成到“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)上。

空中客車公司看好HAPS的賣點(diǎn)是能夠像衛(wèi)星一樣提供全球覆蓋和長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)提供了典型的燃油無(wú)人機(jī)或載人飛機(jī)所具有的重點(diǎn)關(guān)注局域事態(tài)的能力。所有這些都是以非常低的成本實(shí)現(xiàn)。

與衛(wèi)星相比，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)價(jià)格低廉，在動(dòng)力方面自給自足，并能提供更精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)衛(wèi)星觀測(cè)的不足。更為重要的是，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)能以極低的費(fèi)用起飛升空，一旦到達(dá)預(yù)定高度并開始工作，可以很容易實(shí)現(xiàn)任務(wù)重新規(guī)劃，如果任務(wù)載荷出現(xiàn)故障，還可以快速恢復(fù)、維修并重新起飛。

與普通無(wú)人機(jī)的不同之處在于，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)將太陽(yáng)能存儲(chǔ)在鋰硫電池中，無(wú)需頻繁地著陸補(bǔ)充燃料，從而改變了操作方式。該機(jī)可以自動(dòng)駕駛，在預(yù)先設(shè)定的航路點(diǎn)之間飛行，不需要人工參與。空客公司建議，HAPS可以采用與衛(wèi)星相同的方式運(yùn)行，對(duì)所需的操作幾乎不進(jìn)行直接的控制與監(jiān)督，而是由一名操作員通過(guò)非連續(xù)通信方式控制多個(gè)平臺(tái)。

空客公司指出，盡管平臺(tái)很輕，載荷能力較弱，但HAPS的運(yùn)行高度使其作為衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)，可以攜帶1kg的裝備載荷，即等效于低地球軌道衛(wèi)星攜帶1t的裝備載荷。HAPS的運(yùn)行高度為20km，而相同功能的衛(wèi)星運(yùn)行高度為600km。

HAPS的成本方案也非常有吸引力，空客公司預(yù)計(jì)，當(dāng)生產(chǎn)率和運(yùn)營(yíng)需求達(dá)到確定水平時(shí)，飛行器的成本約為100萬(wàn)美元，每飛行小時(shí)的運(yùn)行成本低至100美元。無(wú)疑，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的任務(wù)能力與相對(duì)低費(fèi)用將重塑無(wú)人機(jī)后勤操作。

面臨多種挑戰(zhàn)

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)飛行途經(jīng)的空域中，同時(shí)存在著技術(shù)和環(huán)境挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能飛機(jī)在平流層中運(yùn)行，需要重量非常輕并具有非常高效的設(shè)計(jì)。然而，它也必須具有良好的堅(jiān)固和耐用，可以在所處飛行高度的極低溫度下正常工作，并且能在通向工作空域的6h飛行過(guò)程中，順利通過(guò)遇到的湍流。

太陽(yáng)能飛機(jī)仍然存在的最大限制之一是夜間需要使用電池作為電源，并且由于電源功率要求而限制了飛行的緯度。例如，在過(guò)于偏北或偏南的地方，太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度較弱，無(wú)法滿足電池充電的需求。但“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)目前已證實(shí)可以運(yùn)行在更高的高度與更高的緯度，這是它與其他太陽(yáng)能飛機(jī)的顯著區(qū)別。

在國(guó)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會(huì)（AUVSI）的會(huì)議上，“西風(fēng)”計(jì)劃的創(chuàng)始人之一保羅？布魯克斯（Paul Brooks）指出，盡管進(jìn)行太陽(yáng)能飛行且達(dá)到高空不是特別困難，但長(zhǎng)航時(shí)飛行的主要挑戰(zhàn)在于如何維持飛行高度和在夜間正常飛行。

為了高效地飛行，并提供有持續(xù)的通信服務(wù)，高空太陽(yáng)能飛機(jī)必須保持在地球高空的大氣急流（Jet Stream）（約13716～15240m）之上飛行，并避開那些高度及以下的潛在湍流。如果一架飛機(jī)無(wú)法維持飛行剖面，即在夜晚期間沒(méi)有保持在必要的高度（例如由于電池電量不足），它將不得不下降到對(duì)流層頂（對(duì)流層和平流層交界處），并可能會(huì)遇到湍流，無(wú)法高效飛行和提供作戰(zhàn)能力。

在急流內(nèi)，較慢的飛機(jī)無(wú)法保持位置。由于“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)將能夠在急流之上運(yùn)行，其速度將超過(guò)風(fēng)速，使其能夠停留在站位或轉(zhuǎn)移到作戰(zhàn)區(qū)域。

布魯克斯指出，在赤道附近飛行是一個(gè)更好的建議。這里，太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度更大，而且由于風(fēng)更輕且高度更低，使大氣急流造成的影響較小，從而使無(wú)人機(jī)可以在較低的高度和較慢的速度下飛行。

優(yōu)化S型結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前的設(shè)計(jì)構(gòu)型，空客公司制造的最新型號(hào)是“西風(fēng)”S（Zephyr S）無(wú)人機(jī)，之前稱為“西風(fēng)”8，名稱中的“S”代表了它采用了單梁尾翼。這架正在制造的無(wú)人機(jī)將交付給英國(guó)國(guó)防部。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)的碳纖維機(jī)身設(shè)計(jì)采用了支撐機(jī)翼的桿式機(jī)身形式和T形尾翼部件，機(jī)頭設(shè)計(jì)有載荷艙。該機(jī)只采用了方向舵和升降舵，沒(méi)有采用柔性機(jī)翼和擾流板等復(fù)雜的控制元件。機(jī)翼和水平尾翼的上表面覆蓋著太陽(yáng)能電池，每個(gè)機(jī)翼裝有一個(gè)電力推進(jìn)單元，突出安裝在機(jī)翼內(nèi)側(cè)部分的前緣。“西風(fēng)”沒(méi)有安裝起落架，依靠人工手持輔助起飛，借助機(jī)身著陸。

根據(jù)布魯克斯介紹，“西風(fēng)”S在性能上比“西風(fēng)”7無(wú)人機(jī)高出112%，表明在續(xù)航能力方面是后者的兩倍。

按照目前的配置，“西風(fēng)”S的翼展25m（“西風(fēng)7”的翼展為22.5m），可以實(shí)現(xiàn)至少30天的續(xù)航飛行，總重62kg，其中大約一半由電池占據(jù)，有效載荷為5kg，通過(guò)降低飛機(jī)質(zhì)量和提高功率效率相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)性能提升。最新的飛行器比其前身減重約30%，可以承載1.5倍重量的電池，絕熱層的重量也減少了20%。目前，該機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)保持了機(jī)身的強(qiáng)度和完整性，在試驗(yàn)室，“西風(fēng)”S經(jīng)受了2.5g翼展載荷的測(cè)試。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)性能提升的關(guān)鍵是電源技術(shù)。該機(jī)安裝了MicroLink Devices公司生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池板，采用了基于砷化鎵的技術(shù)，每千克重量能產(chǎn)生1500w的能量，可以提供28%的轉(zhuǎn)換效率。

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)將太陽(yáng)能電池板與機(jī)身融合是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)。由于其結(jié)構(gòu)非常輕薄，完成這樣的設(shè)計(jì)絕非易事，因此該機(jī)采用了聚酯薄膜。目前看來(lái)，“西風(fēng)”所使用的太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)足夠先進(jìn)，并可以支持當(dāng)前和未來(lái)在40°緯度上實(shí)現(xiàn)全年飛行的性能要求。

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在飛行高度使用紅外傳感器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是環(huán)境溫度非常低，通常為零下83℃。

驗(yàn)證T型設(shè)計(jì)

空客公司在認(rèn)識(shí)到“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)無(wú)法執(zhí)行一些所需的任務(wù)后，開始著手研發(fā)一種尺寸更大的“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)。它擁有33m的翼展，其中的“T”指代的是雙尾翼構(gòu)型?！拔黠L(fēng)”T無(wú)人機(jī)更重，最大重量高達(dá)140kg，可以攜帶20kg任務(wù)載荷。新型號(hào)將沿用“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)、航空電子設(shè)備、軟件和其他系統(tǒng)，并采用了相同的電源系統(tǒng)。

“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)在大展弦比機(jī)翼的中央位置設(shè)計(jì)有一個(gè)任務(wù)載荷“吊艙”，在兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有尾撐，尾撐前端容納了牽引式推進(jìn)裝置，末端分別安裝有不相連的兩個(gè)T形尾翼。目前，空客公司已經(jīng)完成了“西風(fēng)”T縮比尺寸驗(yàn)證機(jī)的初次飛行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在2018年將制造全尺寸原型機(jī)，并進(jìn)行首次試飛，初步計(jì)劃在2019年投入使用。

布魯克斯指出，與“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)一樣，“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和挑戰(zhàn)是在最差的氣候條件下（例如高緯度地區(qū)的冬末春分時(shí)節(jié)）提供飛行能力，因此功率和質(zhì)量成為關(guān)鍵性因素。

“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)預(yù)計(jì)提供的附加功能包括寬帶通信和“主動(dòng)”情報(bào)搜集、監(jiān)視與偵察（ISR），其中可能包括為其配備合成孔徑雷達(dá)（SAR）或激光雷達(dá)。許多任務(wù)載荷和作戰(zhàn)想定已經(jīng)在“西風(fēng)”平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，包括遙感、光電/紅外（EO/ IR）、通信中繼和信號(hào)監(jiān)測(cè)傳感器。

布魯克斯表示，典型的無(wú)人機(jī)EO/IR設(shè)備已經(jīng)集成到飛機(jī)上，包括一個(gè)雙軸平衡i2Tech UlS設(shè)備，只需要不到20W的功率就能在19812m距離下提供50cm的分辨率，并具有35倍的光學(xué)變焦。50cm的分辨率通過(guò)使用光電（EO）單元和中波紅外攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)，18cm的分辨率則使用了一種定制的輕量級(jí)EO/IR設(shè)備實(shí)現(xiàn)，而空客公司希望通過(guò)為光學(xué)和紅外攝像機(jī)配備實(shí)時(shí)高清或4K視頻來(lái)實(shí)現(xiàn)15cm的分辨率。

另外，據(jù)《簡(jiǎn)氏防務(wù)周刊》報(bào)道，2013年，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在美國(guó)進(jìn)行的試驗(yàn)中。曾經(jīng)將戰(zhàn)場(chǎng)手持式戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電設(shè)備搭載至高空，實(shí)現(xiàn)了644km傳輸距離。

為了支持?jǐn)?shù)據(jù)和圖像的實(shí)時(shí)傳輸，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)還配備有一個(gè)S波段的數(shù)據(jù)鏈路，在200km范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)直徑1.2m的拋物面天線時(shí)，傳輸速度可以達(dá)到10Mb/s。此外布魯克斯表示，如果是下載到一個(gè)更大的天線中，下載速度可以達(dá)到100Mb/s。

與“西風(fēng)”S相比，“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)將是一種尺寸更大和性能更好的平臺(tái)。

接受用戶評(píng)估

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是具備提供中繼高帶寬應(yīng)用的能力，潛在的民用價(jià)值包括大氣與環(huán)境數(shù)據(jù)采集、地圖與攝像、災(zāi)區(qū)通信中繼和火災(zāi)監(jiān)視。早在2010年，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在英國(guó)國(guó)防部資助的為期兩周飛行試驗(yàn)中，搭載了由奎奈蒂克公司研制的一款軍用通信載荷。在其他飛行試驗(yàn)中，該機(jī)搭載了照相機(jī)和通信中繼載荷。在此基礎(chǔ)上，空客公司在軍事和安全領(lǐng)域?yàn)椤拔黠L(fēng)”無(wú)人機(jī)發(fā)展了許多潛在的作戰(zhàn)概念（CONOPS）。

作為第一位評(píng)估“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的軍方客戶，英國(guó)國(guó)防部已經(jīng)訂購(gòu)了3架“西風(fēng)”S飛行平臺(tái)，其中兩架于2016年2月訂購(gòu)，總價(jià)值為1060萬(wàn)英鎊（折合1360萬(wàn)美元），隨后在同年8月追加訂購(gòu)了第3架，合同總金額達(dá)到了1300萬(wàn)英鎊。這些無(wú)人機(jī)將成為作戰(zhàn)概念驗(yàn)證（OCD）的一部分，用以評(píng)估“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)用于英國(guó)軍隊(duì)和其他政府部門的性能與潛力。

在擁有3架飛機(jī)的情況下，這項(xiàng)計(jì)劃將能同時(shí)測(cè)試兩架“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)，并驗(yàn)證運(yùn)行交接能力，以表明這種高空長(zhǎng)航時(shí)能力可以無(wú)限期地保持下去。

作戰(zhàn)概念驗(yàn)證將于今年晚些時(shí)候進(jìn)行，預(yù)計(jì)持續(xù)3個(gè)月。其后，這些無(wú)人機(jī)將立即交付給英國(guó)國(guó)防部，而此前預(yù)計(jì)交付的時(shí)間是2017年夏天?？湛凸緦⒃谧鲬?zhàn)概念驗(yàn)證中負(fù)責(zé)操作和控制這些飛機(jī)。

在作戰(zhàn)概念驗(yàn)證期間，可以測(cè)試的一個(gè)性能是通過(guò)3G蜂窩數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及后來(lái)的4G傳輸實(shí)時(shí)圖像和視頻的數(shù)據(jù)鏈路。2015年12月，羅克邁諾研究公司（Roke Manor Research）收到英國(guó)國(guó)防部授予的一份合同，負(fù)責(zé)研制可以在高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)上使用的數(shù)據(jù)鏈路，從而與50km外的基站保持通信。當(dāng)時(shí)，該項(xiàng)目方案預(yù)計(jì)使用現(xiàn)成的商用3G硬件，結(jié)合定制的自適應(yīng)波束成形技術(shù)，通過(guò)將信號(hào)引導(dǎo)到特定的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施或軍事基站來(lái)實(shí)現(xiàn)從高空進(jìn)行傳輸。

羅克邁諾研究公司的代表表示，該方案將利用其“智能鏈”（Smartlink）系統(tǒng)，并規(guī)劃5-10Mb/s的吞吐量，加以與民用及軍事基站的配合能力。這一能力歸功于無(wú)人機(jī)的機(jī)載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能：無(wú)人機(jī)上的處理單元下載并轉(zhuǎn)換軍事頻段中用于基本頻段處理的信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換并上傳至民用頻段，從而進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)民用蜂窩調(diào)質(zhì)解調(diào)器。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)考慮了包括抗干擾能力在內(nèi)的軍用特性。

根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，英國(guó)國(guó)防部希望組建一支由“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)組成的中隊(duì)，在戰(zhàn)場(chǎng)前線和自然災(zāi)害地區(qū)的上空?qǐng)?zhí)行偵察任務(wù)，并提供通信中繼。

（責(zé)任編輯：溫杰）