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、防災救災等任務。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，其他國家的防務部門和公司正在奮起直追，有所突破。

“西風”

2006年，英國國防部與空中客車公司簽訂了購買兩架“西風”（Zephyr）8無人機的合同。“西風”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?？罩锌蛙嚬緦⒃谟侗Ａ_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。多架“西風”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”8是按驗證機發(fā)展的。

“西風”8以前的型別“西風”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?？罩锌蛙嚬緦ⅰ拔黠L”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”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”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”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”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”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，已實現(xiàn)1°方位精度。

英國洛克菲爾德大學也在大力研究“西風”的小尺寸、輕型、低功耗任務載荷。該大學電子和電氣工程系為“西風”設(shè)計的激光雷達的最大重量為3km。該系發(fā)展的技術(shù)能同時用激光雷達測繪地形，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的重量達標。指標一旦實現(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”的最大缺點是其任務載荷能力受到限制?！拔黠L”8的全部任務載荷能力為5kg?？罩锌蛙嚬痉Q，其未來型別的任務載荷能力將會增加。除“西風”8外，空中客車公司又發(fā)布了兩種“西風”型別：“西風”S是“西風”8的生產(chǎn)型?！拔黠L”T的尺寸更大，其連續(xù)功率超300W，能容納較大質(zhì)量的任務載荷，如雷達、激光雷達、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載荷，包括光電/紅外監(jiān)視傳感器。此外，該公司還在“西風”平臺上試飛了幾種通信任務載荷，得到了相當有用的結(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”對傳感器技術(shù)的重量要求。

為實現(xiàn)對“西風”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”8提供情報、監(jiān)視與偵察任務載荷。這是一種具有高倍光學變焦能力的白晝傳感器及裝有高倍光學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”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”感興趣。

在互聯(lián)網(wǎng)上的應用

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行了試飛，打算提供高速5G互聯(lián)網(wǎng)服務。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”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，達到42m。該公司還成功地試驗了數(shù)據(jù)傳輸率可達lOGB/s的激光技術(shù)?！疤禚椬睂⒃诩s18300m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)稱是因遭遇強風而偏離航路，最終導致機翼折損而墜毀。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，達到16200m高度。該無人機采用氫內(nèi)燃發(fā)動機推進技術(shù)，用兩個螺旋槳來實現(xiàn)飛行。首飛是2012年進行的，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次是按美國導彈防御局的合同進行的，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。該機計劃達到以下設(shè)計指標：飛行高度17000～20000m，航時5～7天，任務載荷180kg。

這種無人機是為用于包括邊境監(jiān)視和通信在內(nèi)的任務設(shè)計的，而且強調(diào)成本在顧客可擔得起的程度內(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、海上操作和減災等服務。

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，巡航速度170km/h。其最大起飛重量1250kg，實用升限8km，航時40h，任務載荷重量達150kg。航空工業(yè)成飛集團研制的“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，已進行了試飛。2017年]]月，北京航空航天大學的“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。