挑战飞行极限的“秃鹰”计划

来源:用户上传      作者: 张　衡　亚　丁

　　2008年4月17日，美国国防部先进研究项目局(DARPA)宣布，分别授予极光飞行科学公司、波音公司和洛克希德・马丁公司为期一年的研制合同，着手开展一种续航时间长达5年的无人机概念设计工作，这标志着酝酿多年的“秃鹰”计划正式步入实施阶段。三家公司将在第一阶段研究和设计各自的无人机概念，以应对超长续航飞行所面临的各种技术挑战，满足美国军方对于持久监视能力的迫切需求。
　　
　　设计目标令人咋舌
　　
　　“秃鹰”(Vulture)计划是“超高空、超续航、战区巡航的无人侦察单元”(Very-high altitude，Ultra-endurance，LoiteringTheatre Unmanned Reconnaissance Ele―ment)的英文缩写，旨在研制一种具有5年续航时间的无人驾驶平台。外界通常也将其称为“无限续航”无人机。严格来说，这是一个技术探索计划，主要目的是研究无人机实现“无限续航”的可行性，力求推动各项关键技术的发展和成熟，特别是发展飞行器各系统的可靠性技术。
　　这项计划是DARPA近年来提出的“碧空”计划之一，也是“综合传感器即飞行器结构”(ISIS)计划的后续补充。2007年6月7日，DARPA的战术技术办公室在公布这项计划时，重点强调了超长续航时间在侦察、情报和监视(ISR)任务中具有很大的优势，可以为持续稳定执行任务提供前所未有的能力。然而，DARPA并没有具体说明将续航时间定为5年的原因，而且也没有具体定义无人机的任务或有效载荷类型，只是希望将无人机的飞行边界推进到极限。
　　
　　“秃鹰”计划的横空出世引发了飞机设计领域的极大震惊，人们的第一感觉就像是“唐吉柯德在挑战风车”。就技术能力而言，目前大多数无人机的续航时间是以小时计算，而“秃鹰”计划则力图推动长航时无人机的关键技术发展，创造目前无法想像的飞行纪录，希望由此改变人们对于飞机的固有观念。
　　针对潜在的军事用途，DARPA已经将“秃鹰”计划的目标初步设定为：能够携带450千克、额定功率5千瓦的有效载荷；具有足够的巡航速度；可以不间断地在2万～2.7万米高空飞行5年：可靠性达到99％，并具备很高的完成任务成功率。经过初步论证，DARPA提出了三种基本结构发展思路：一种是超可靠的独立系统，相当于一颗卫星；一种是模块化飞行器，各部分可以飞回基地进行维护和修理；一种是无人机，能够在空中时长期服役并可以及时得到替换。
　　可以看出，“秃鹰”计划的目标实质上是研制一种工作方式类似于卫星的无人机，但是不会受到轨道参数的限制，也无需依赖国外基地。相比于绕地球轨道运行的卫星来说，它可以长时间地在战场上空近2万米的同温层内飞行，将有助于显著增加机载传感器的分辨率，而且具备更大的灵活性，特别是能够徘徊在军事冲突地区的上空、
　　DARPA将“秃鹰”计划分为三个阶段：首先是概念定义阶段，通过优化概念来降低风险；第二阶段将制造一架1/6缩比无人机进行为期三个月的飞行试验；第三阶段将制造、装配和试飞一种全尺寸验证机，要求携带设计载荷试飞长达一年时间。目前，各家公司正在第一阶段内进行军事用途分析，发展各种作战概念，详细定义目标系统。
　　
　　关键技术亟待解决
　　
　　随着“秃鹰”计划的公之于众，“无限续航”无人机概念面临的诸多技术挑战也逐步引起关注。这些挑战涉及到环境能量获取、高密度能量储存、高效的推进系统、增加系统可靠性、高效的飞行器结构设计、缓解材料和系统在同温层内长时间飞行出现老化等一系列问题。其中，能量系统和可靠性则成为重中之重。
　　首先必须解决的是推进系统方案，其核心是能量获取和储存的方式，对于超长续航时间飞行器而言，目前有三种能量循环的解决方案。其一是核动力，但被明确禁止考虑。其二是通过空中补充燃料，很大程度上依赖自主空中加油技术，然而与活塞式发电机和燃气涡轮发电机相比，最令人感兴趣的是燃料电池，因为它们具有更高的效率和更高的可靠性。第三种方案是太阳能。
　　相比之下，无人机采用太阳能动力展示出了良好的发展前景，似乎成为一个较为稳妥的途径，但仍然局限在日照时间较长的夏季使用。2007年，NASA曾经公布了一系列高空长续航(HALE)无人机的概念，然而，这些概念中没有一个最终能够达到6个月续航时间的目标。因此，如何更加有效利用太阳能，发展一种行之有效的能量储存技术，以解决夜间提供足够电能的问题，已经成为超长续航无人机必须跨越的一个技术障碍。
　　“无限续航”无人机的系统可靠性成为重点考虑的一个方面。据DARPA介绍，“秃鹰”计划的可靠性目标是当前“全球观测者”无人机的200倍，目前除了卫星之外，没有人会考虑飞机连续飞行5年的可靠性。为此，DARPA强调“秃鹰”计划的设计方案必须按照航天工业的标准进行，而不是按照航空工业的标准，这样才能满足苛刻的任务要求。
　　
　　与卫星相比，无人机的工作环境是明显不同的。对无人机而言，昼夜的循环交替时间更长，因此，它在相当寒冷的环境内浸透之后，又进入到了极端酷热的环境中、与空间运行的卫星相比，无人机受到的辐射较少，但是相比于地面而言，仍然受到了更强的紫外线照射，这涉及到各种材料的老化问题。
　　同样，“无限续航”无人机在机翼结构设计上面临着过度扭曲的风险。为了能在同温层内长时间续航，无人机在设计中必须采用超大展弦比机翼来获得太阳能然而，这种布局的一个特点是在气动载荷的作用下，会产生很大的弹性变形～特别是从地面起飞后，在逐步上升到同温层的过程中，时常会遭遇到对流层内的大气扰流。造成机翼过度扭曲，严重情况下甚至会导致解体。因此，如何解决超长续航能力与超大展弦比布局之间的矛盾，成为“秃鹰”计划探索创新的一个重要方面。
　　
　　“西风”方案初露端倪
　　
　　DARPA之所以启动“秃鹰”计划，并非空穴来风，而是意在进一步推动高空长续航无人机的飞跃性发展。此前，DARPA就关注过多种高空长续航无人机的设计方案，如以液氢燃料电池为动力的“全球观测者”无人机。然而由于这些方案的续航时间仍然有限，DARPA转而对英国奎奈蒂克公司的“西风”太阳能无人机产生了兴趣。
　　“西风”是一种翼展达16米，但重量只有27千克的轻型太阳能无人机，覆盖在机翼上部的太阳能电池组在白天为飞机提供动力，同时将能量储存在电池组内，以便在夜晚继续提供充足的动力。它的设计目标是实现在15240米以上高度连续飞行数月时间。2006年7月，一架“西风”无人机持续飞行了18个小时，其中包括在夜间飞行了7小时。在一系

列试飞中，“西风”除了确认预期的飞行性能外，还用进行了有效载荷试飞，不仅首次成功地进行了通信中继演示，在山区地形中实现了超视线通信，而且还携带不同的光电／红外传感器，成功获取了光电／红外混合图像。
　　在DARPA发布了“秃鹰”计划的设计目标后，波音公司就与奎奈蒂克公司展开合作，借助已经试飞多年的“西风”无人机为平台，为“秃鹰”计划提供所经过验证的有关技术，特别是重点研究了能量储存的要求。
　　2007年，奎奈蒂克公司重新设计了“西风”，将翼展增加到18米，重量为30千克，加装了一个定制的自动驾驶仪，使其更加接近于一个实际作战使用系统最关键的改进之处是采用了太阳能效应公司研制的新型非晶硅太阳能电池组，其厚度仅相当于几张纸，可以在白天高效地吸收太阳能，同时还换装了SION动力公司研制的一套锂硫电池和全新的充电器，显著提高了电源系统的储存效率9月10日，该机携带一种监视载荷完成了54小时的持续飞行，飞行高度达到17 780米，创造了新的持续飞行纪录，
　　时隔不到一年，“西风”再次打破了持续飞行时间的纪录。今年7月28日，该机在美国亚利桑那州的尤马试验场升空，直到31日才返回地面，不间断地飞行了82小时37分，这一时间大大超过了目前由“全球鹰”保持的30小时24分的飞行记录。根据计划，奎奈蒂克公司将进一步优化“西风”的各项关键技术，力争在两年内达到持续飞行数月之久的设计目标。
　　与“西风”有所不同的是，波音公司提出的“无限续航”无人机成倍地增大翼展，采用了超大展弦比设计，电驱动的螺旋桨也相应增加。特别值得注意的是，设计人员并未采用原有的单尾撑+垂尾+平尾布局，而是采用了双尾撑+倒V字的尾翼，力图通过控制翼面增强操纵能力，以避免“太阳神”无人机曾经出现的俯仰振荡。
　　然而，超大展弦比的设计仍然存在机翼过度扭曲的潜在危险。为了及时探测到前方的湍流，该方案分别在左、右机翼和尾翼安装了大气紊流探测系统。一旦无人机飞入湍流中，前伸的探测管将首先测量出湍流的有关数据，机载控制系统将立即发出相关指令，及时地调整飞行状态，避免陷入过度扭曲的状态。为了解决这方面的不足，波音公司正在尝试采用更有效的复合材料，进一步优化现有的结构设计，以便最终提交一个较为满意的方案。
　　
　　“奥德修斯”浮出水面
　　
　　与“西风”方案相比，极光飞行科学公司大胆突破传统设计理念，提出了一个令人出乎意料的“奥德修斯”方案，成为“秃鹰”计划强有力的竞争者。从能源获取方式来看，极光公司仍然利用太阳能，依然面临着太阳能无人机所共有的各种问题。然而，“奥德修斯”无人机的新颖之处在于采用了模块化设计，有可能较好地解决所面临的结构扭曲、能源获得和可靠性等方面的技术难题。
　　从设计方案可以看出，“奥德修斯”无人机与众不同之处是由三个完全一样的模块飞行器铰接成一体。模块飞行器采用平直机翼，翼展50米，重1350千克，前缘安装了三个螺旋桨，由太阳能电池驱动。同时，它采用了十字形尾翼，可以绕着尾撑轴旋转，独立控制模块飞行器的姿态变化，改变无人机在飞行的总体构型。
　　从使用的角度来看，各个模块能依次从地面起飞，飞行到预定的高空对接点后，再借助于自动对接技术结为一体，从而组成一架超大展弦比无人机，翼展达150米。“奥德修斯”的模块化设计，有利于克服超大展弦比布局在起飞上升阶段所面临的问题，明显增强了在对流层中抵抗湍流的能力，从而避免了机翼过度扭曲可能导致的结构破坏。
　　“奥德修斯”的模块化设计还有效地提高了太阳能吸收效率。三个模块可以根据飞行和能量获取的需要改变总体构型。白天飞行时，随着阳光照射角度的变化，无人机可以通过十字形尾翼调整三个模块飞行器的倾斜角度，将超大展弦比机翼变换为一种折叠式机翼。
　　通过这种方式，无人机至少有两个模块的机翼上表面能够最大程度地接受阳光照射，使太阳能电池获取能量的效率比平直机翼状态下提高4～5倍，较好地保证了太阳能无人机可以在全年正常飞行。而至1了夜晚，“奥德修斯”可以重新伸展成为超大展弦比的平直机翼，从而以阻力最小的外形持续飞行，有效地节省机内储存的电能。
　　针对“秃鹰”计划所要求的工作可靠性，极光飞行科学公司并未墨守成规，而是充分利用模块化结构的优点，在保持无人机空中值守完好率的前提下，可以随时更换模块化飞行器。目前，日渐成熟的自动空中加油技术已经为模块飞行器的对接和脱离提供了技术可行性，任何一个模块飞行器如果在任务飞行中出现了故障，就可以脱离无人机，单独返回基地进行修理。即使整个无人机没有明显故障，极光公司也打算在飞行1～2年以后，轮流让每段模块飞行器脱离无人机，返回基地进行常规维护，在此期间将用新的模块对接后继续执行飞行任务。
　　截至目前，参与“秃鹰”计划的洛克希德・马丁公司尚未公开自己的无人机方案，而承担设计任务的鬼怪工厂很有可能会提出一种令人始料不及的概念设计，非常值得关注。毫无疑问，随着“秃鹰”计划的不断推进，DARPA将在飞机设计理念方面迈出了前所未有的一大步。
　　
　　编辑　秦蓁

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-1048226.htm