赵凯 (西安爱生技术集团公司)

针对卫星发射的高成本，以及受载荷限制，高空超长航时无人机近年来受到广泛关注。此类无人机的动力是关键技术之一，目前主要有常规燃料、氢燃料和太阳能三种。

临近空间通常指距海平面20～100km，传统航空器的静升限和航天器的最低运行高度之间的空域，属于“空”与“天”的过渡区。根据美国的定义，高空超长航时无人机飞行高度在10km以上，续航时间应大于48h。本文讨论的临近空间超长航时无人机是一种能够在20km以上高度持续飞行大于48h的无人机。

临近空间超长航时无人机一般用于执行战略或战役侦察任务,具备持久的情报收集和战场监视能力,并且可用作无人作战平台,因而成为当今各国武器装备发展的重点。

2006年初，美国空军科学顾问委员会发布题为《在临近空间高度持久存在》的研究报告，认为高空长航时无人机是美国空军近期利用临近空间的最佳选择。现有技术体系下，包括RQ-4“全球鹰”在内的常规动力高空无人机受限于机载能源供给水平，通常只能维持数十小时的持续飞行。为满足更进一步的续航时间要求，寻求新的能源替代形式成为必然趋势。

近年来，由于新能源及其配套推进技术的进步，临近空间超长航时无人机迅猛发展，国外已经形成太阳能和氢动力两条主线，并行发展。以下按照能源类型，对已经取得一定成果的常规燃油动力、太阳能动力、氢动力分别进行分析。

常规燃油动力

现有的常规燃油动力临近空间超长航时无人机主要采用涡轮增压活塞发动机，活塞发动机的耗油率可降低到涡轮喷气发动机的30%～40%，同时涡轮增压器可解决高空飞行时因大气稀薄导致发动机功率下降的问题，从而维持在20km以上的飞行高度。

20世纪80年代，波音公司采用多级涡轮增压活塞发动机，开发了一种大型高空长航时无人机，该无人机被称为“秃鹰”（Condor）。这是超长航时无人机发展史上的重要里程碑。“秃鹰”于1988年10月9日进行了首飞，并在1988～1989年进行了141h的飞行试验，创造了飞行高度20420m的纪录，在其中一次飞行试验中留空时间曾经达到了2.5天。但是因为“秃鹰”尺寸较大、速度缓慢，且缺乏隐身能力，易受攻击而不能用于军事。“秃鹰”在气候检测和大气研究方面也有着巨大的潜能，只是在当时这样一架飞行器的费用大大超过了大部分民用机构的预算。最终，“秃鹰”被送进了圣地亚哥希勒博物馆。

（左）“秃鹰”无人机。

（右）脸谱网的“天鹰座”（Aquila）无人机。

太阳能动力

太阳能无人机是以光能作为唯一能源的电动无人飞行器。白天，太阳能无人机依靠其上安装的太阳电池进行光电转换为动力系统、航空电子设备及任务装载提供能量，维持正常飞行，同时将多余的能量储存为储能系统的电能和高度势能。夜晚，它再通过蓄电池的电能和滑翔持续飞行。如果太阳能无人机每天白天存储的能量可以满足夜晚飞行的需要，能够实现全年不间断的昼夜持续飞行，若不考虑其部件的寿命，理论上就可以进行 “永久飞行”。

（上）谷歌的“太阳”（Solara）无人机。

（下）“西风”7无人机。

和传统以化学燃料为能源的飞机相比，太阳能无人机的能量来源不受空气密度的影响，而且不污染大气，是真正的“绿色环保”飞行器。和卫星相比，太阳能无人机无需高昂的研发、发射费用，离地近，可回收重复利用，可控制航迹执行多种任务。同时，太阳能飞机受本身的特点和目前能源技术水平限制，存在速度低、尺度大、载荷能力小、抗风能力差等缺点，但随着能源技术的发展，未来其载荷能力将进一步提升，可在平流层驻留数月甚至数年，是理想的临近空间超长航时飞行平台，应用前景广阔。因此，临近空间超长航时太阳能无人机目前成为一个发展热点，如美国国防预研局（DARPA）可飞行5年的“秃鹰”（Vulture）项目、脸谱网可飞行3-6个月的“天鹰座”（Aquila）无人机、谷歌可飞行5年的“太阳”（Solara）无人机等，其飞行高度都在18～30km之间，航时数月或数年。

目前，已有一定应用价值高空超长航时太阳能无人机为英国的“西风”（Zephyr）7无人机。“西风”7无人机翼展23m，重53kg，有效载荷5kg。20010年7月9日-23日， 其在亚利桑那州尤马试验场完成了14天22分钟的持续飞行，最高飞行高度达到21562m，同时打破了官方无人飞行器持续飞行时间和飞行高度纪录。

2013年空客防务与空间公司收购“西风”无人机方案，计划发展一款实用的“伪卫星”，并计划发展“西风”8方案。“西风”8翼展2 8 m，重量60kg，续航时间3个月，巡航高度21336m，有效载荷5～10kg，据称改进了机身、动力和推进，总体性能将提升60%。2016年2月，英国国防部将订购2架“西风”8，合同价值1550万美元。

（上）GO-0飞行试验图。（

氢动力

临近空间氢动力无人机以液氢为燃料，分为氢燃料电池和氢内燃机两种，氢燃料电池利用氢和氧在其内部发生的电化学反应产生电能，为推进系统供电；氢内燃机通常由活塞发动机改造而来，其原理与常规无人机类似，将汽油等常规燃料替换成具有更高比能量的液氢燃料，发动机只需消耗较少质量的液氢就可以获得较大的功率。因此，可以实现数天至十数天量级的高空超长航时持续飞行。

现有临近空间氢动力无人机中最为著名的是航空环境公司的“全球观察者”（Global Observer）和波音公司的“鬼怪眼”（Phantom Eye）。

航空环境公司发展的“全球观察者”无人机采用氢燃料电池为动力，将发电机、发动机和电池组成一个全电力网络，尽管设计上较为复杂，但在灵活性、可靠性等方面有明显优势。该机共发展了GO-0，GO-1和GO-2三个型号，计划通过3架原型机来验证在20km附近高空持续飞行一周的能力。

G O-0为缩比样机，翼展为15.25m，重量约80kg，以氢燃料电池为动力，2005年进行了两次低空飞行试验，在相对低的高度进行了技术验证试验，是第一架采用液氢燃料电池的无人机。GO-1翼展53.3m，总重1805kg，有效载荷180kg，设计在20km飞行5-7天，2010年9月完成电池驱动飞行试验阶段，2011年1月6日在加利福尼亚爱德华空军基地成功完成由其氢燃料动力系统推进的首次飞行，飞行试验持续4小时，无人机飞到15.2km的高空。GO-2翼展79m，总重4131kg，有效载荷450kg，可在20千米高度飞行一周。

下左）GO-1飞行试验图。

“鬼怪眼”无人机

波音公司的“鬼怪眼”验证机采用的是通过燃烧液氢燃料的内燃机直接驱动螺旋桨，该机基于“秃鹰”无人机的基础研制。“鬼怪眼”是一种采用两台活塞发动机，单台功率110kW，翼展45.72m。按照设计要求，“鬼怪眼”可携带205kg有效载荷，在20km高空连续飞行长达4天。全尺寸的“鬼怪眼”无人机能够携带1000kg有效载荷，一次可飞行10天。“鬼怪眼”样机于2012年首飞，2014年完成第9次演示验证飞行后被保存起来，同时寻求军用和民用方面的机会以求继续发展。

（下右）GO-2效果图。

（上）“鬼怪眼”无人机。

（下）极元公司“奥德修斯”太阳能高空超长航时无人机。

发展趋势分析

总体来看，国外太阳能无人机和氢动力无人机整体上已逐步进入实用化阶段，常规燃油动力无人机则较为成熟。其中，常规燃油动力无人机已达到临近空间超长航时无人机要求；而太阳能无人机的具有临近空间长达数年的续航能力，但有效载荷承载能力有限，性能受日期和地域限制，在目前飞行试验中已进入临近空间，最长续航时间达14天；氢动力无人机有效载荷承载能力大，可续航数周，但飞行试验中尚未达到临近空间的高度要求。

因此，未来要实现较大载重能力，同时满足临近空间超长航时无人机的要求，若要求数天的续航能力，则采用常规燃油动力无人机是较好的选择；若要求数周的续航能力，则需等待液氢燃料动力技术进一步成熟；若要求数月甚至数年的巡航能力，则需要在未来很长一段时间等待太阳能动力技术大幅度提升。

继承，充分考虑环境可靠性和无人平台限制，充分考虑海上无人系统信息装备的模块化、集成化、多功能化要求，加快无人系统走向实战的步伐。

运用构想

海上无人系统信息装备的作战运用，本质是各类侦察感知数据、传输数据、任务控制指令、作战指令等所有相关信息在单个无人系统内、无人作战体系中各节点部门间的组织形式和流转过程，受组织关系、业务流程的顶层约束，是海上无人系统信息装备发挥作用的过程。信息关系根据不同规模、不同层次的装备体系有不同的表现，需要根据不同约束情况开展设计。因此，建立从单平台、多平台编队、有人无人编队三个层次，以及遥控、自主、协同等使用方式和作战任务出发考虑的典型信息关系结构十分必要。

在组织海上无人系统信息关系时，要充分契合所服务的无人系统的使命任务、作战条件和方式等要求，与平台其他系统和外界网络充分协调。通常来说，在遥控模式和自主模式下，无人系统信息装备主要针对平台自身控制和任务开展运行，以控制平台运动、控制任务设备工作为主要目的；在无人编队模式和与有人系统协同模式下，除了平台自身控制与任务控制外，无人系统信息装备还要负责与其他节点进行交互和协同。但不论在哪种模式下，无人系统信息装备都是按照“感知-处理-决策-行动-感知”的总体闭环回路进行信息组织，可见无人系统信息装备的运用是以智能决策控制系统为中心，围绕其开展信息的搜集、处理和交互的。因此，在任务系统专业化发展的基础上，从体系建设发展和作战运用的角度出发，提高决策系统的互操作水平，加强各类平台互联与协同，注重提高决策控制系统灵活性、通用性和模块化，借鉴和共享有人平台与无人平台成熟技术是发展的必然要求。 ■