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千日不落无人机

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  2010年9月14日,美国国防部预先研究计划局(DARPA)将“秃鹰”计划的第二阶段合同授予波音公司,旨在通过验证机的研制和试飞,突破超长续航飞行所面临的各种关键技术,满足美国军方对于持久监视能力的迫切需求。按照这项价值8900万美元的合同,波音公司将研制一架“太阳鹰”(solaf Eagle)无人驾驶验证机,预计2014年实现首飞。由此,美国“秃鹰”计划正式进入验证阶段,引起外界的密切关注。
  
  计划目标令人咋舌
  
  “秃鹰”计划的全称是“超高空、超续航、战区巡航的无人侦察单元”,英文缩写为Vulture。这项计划旨在研制一种续航时间可达5年之久的无人驾驶平台,外界称之为“无限续航”无人机。严格来讲,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,特别是发展飞行器各系统的可靠性技术。
  实际上,该项目是DARPA近年来提出的“碧空”计划之一,也是“综合传感器及飞行器结构”(ISIS)计划的后续补充。2007年6月7日,DARPA战术技术办公室在公布这一项目时,重点强调了超长续航时间在侦察、情报和监视0sR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震惊,人们的第一感觉就是,像是“唐吉诃德在挑战风车”。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,创造目前尚无法想象的飞行极限,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:无人机应该能够携带重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2~2.7万米高空飞行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的发展思路:一种是超可靠性的独立系统,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,当保持在空中时能够长期服役,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,同时也无需依赖于国外基地。相对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。
  初期,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研制风险;第二阶段将制造一架1/6缩比无人机进行为期3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,进行长达一年时间的飞行试验。后来,DARPA又对这项计划的第二阶工作段做了重大修订,提出直接制造一架接近实际尺寸的验证机。
  2008年4月17日,DARPA宣布,分别授予极光飞行科学公司、波音公司和洛马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“秃鹰”计划正式步入实施阶段。
  
  关键技术面临挑战
  
  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、高效推进系统、增加系统可靠性、高效飞行器结构设计、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,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,很大程度上依赖于自主空中加油技术,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拥有良好的发展前景,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时间内使用。2007年,美国航空航天局(NASA)曾经公布了一系列高空长续航(HALE)无人机的概念,然而,这些设计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,以解决夜间飞行所需能量的问题,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,没有人会为飞机考虑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设计、制造和试验,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。对于无人机而言,昼夜的循环交替时间更长,因此,既要经受相当寒冷的环境,又适应极端酷热的环境。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,仍然受到了很强的紫外线照射,这涉及到各种材料如何随着时间的流逝而老化的问题。
  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的机翼来获得太阳能。然而,这种布局的特点是,在气动载荷的作用下,会产生很大的弹性变形。特别是在从地面起飞后,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”计划探索与创新的一个重要方面。
  对此,“秃鹰”项目负责人丹・纽曼表示,“秃鹰”计划是迈向未知领域的一步,将会对此前从未考虑过的各种问题仔细斟酌,面临很高的技术风险,然而,一旦研究工作获得成功,可能会使传统军事作用和任务能力得到显著提升,甚至突破。
  
  各种概念陆续出炉
  
  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跨跃性发展。此前,DARPA就关注过多种高空长续航无人机的设计方案,然而由于这些方案的续航时间仍然有限,又将关注重点转向了太阳能无人机。并非巧合的是,三家公司在第一阶段研究和设计的无人机概念,不约而同地都是通过太阳能技术来获取能源的。然 而,各家公司从军事需求出发,在确定作战使用和定义目标系统方面存在着明显区别,因此各自的设计概念也存在显著差异。
  极光飞行科学公司大胆突破传统设计理念,率先提出了一个令人出乎意料的“奥德修斯”方案,一度成为“秃鹰”计划强有力的竞争者。“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,翼展为50米,重量为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。
  使用时,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,翼展达到150米。借助于模块化设计,“奥德修斯”无人机能够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”无人机的模块化设计还有效地提高了太阳能吸收效率。整个无人机是以三个模块铰接而成,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就能够最大程度地接受阳光的照射,使得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在全年正常飞行。而到了夜晚,“奥德修斯”无人机可以重新伸展成为超大展弦比的平直机翼,以阻力最小的构型持续飞行,从而有效地节省机内储存的电能。
  相比之下,洛马公司的设计方案则相对保守,与“太阳神”无人机大致类似。考虑到结构稳定性,该方案增加了支撑桁架,并根据超长续航的要求,采用了三组太阳能蓄电系统和尾翼系统,旨在利用平尾表面的倾转来巧妙地实现“追光”效应,从而最大程度地获取太阳能。
  
  波音公司厚积薄发
  
  在DARPA发布了“秃鹰”计划的设计目标后,波音公司就与英国奎奈蒂克公司展开合作,借助于已经试飞多年的“西风”无人机,为“秃鹰”计划提供经过验证的有关技术,特别是重点研究了能量储存的要求。
  早期的“西风”无人机是一种翼展达16米、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,同时将能量储存在可充电的电池组内,以便在夜晚继续提供充足的动力。它的设计目标是实现在15千米以上高度连续飞行数月时间。从2006年7月到2008年8月,“西风”无人机的持续飞行时间已经从18小时延长到82小时37分钟。
  2010年7月,奎奈蒂克公司全新设计的一架“西风”7型太阳能无人机携带着27.7千克的有效载荷,在美国亚利桑那州的一个试验场上空连续飞行超过了14天,达到336小时21分钟,从而创造了无人机不间断飞行时间的新纪录,朝着预期飞行3个月的最终目标前进了一大步。正是凭借着“西风”平台的出色表现,波音公司逐步获得了DARPA的青睐。
  与“西风”无人机有所不同的是,波音公司当时提出的“无限续航”无人机在原有大展弦比的基础上,成倍地增大翼展,采用了超大展弦比设计,同时,该方案还采用了“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震荡。
  然而,超大展弦比的布局设计,仍然存在着机翼结构过度扭曲的潜在危险。为了及时地探测到前方的湍流,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时,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工作状态。
  为了解决这方面的不足,波音公司决定进一步优化现有的结构设计,并尝试采用更先进的复合材料,最终提交一个更加满意的方案。时隔两年后,DARPA经过全面细致的评估,认为波音公司提交的“太阳鹰”方案在总体设计上优于极光公司和洛马公司的设计方案,具备更好的发展前景,决定将“秃鹰”计划第二阶段合同授予波音公司,用于制造一架全尺寸验证机。
  作为一种大型无人驾驶飞机,“太阳鹰”依然采用了一种超大展弦比布局,翼展长达122米,有效地提高了收集太阳能的能力。沿翼展均匀布置了四组更高效率的电动机和螺旋桨,使得总体设计更加简洁,类似一种飞翼布局。该机仿效了“西风”7型无人机的拱形翼尖小翼,在翼尖处设计了一种弯折装置,以增强气动性能。
  有所不同的是,“太阳鹰”验证机采用了独特的四尾翼设计,将“西风”无人机的水平尾翼一分为四,相应减小了尺寸,不仅降低了气动阻力,还有效提高了俯仰控制能力。值得注意的是,这种独具匠心的设计还可以在垂尾两侧表面安装太阳能电池,进一步提高收集太阳能的水平。
  据介绍,“太阳鹰”验证机将在2014年开始验证飞行,预计在大气层内逗留30天。对此,负责研制工作的鬼怪工厂总裁达里尔・戴维斯(Darryl Davis)乐观地表示,预期飞行时间将会更长。这一表态并非空穴来风,因为波音公司已经在2008年初成功地实现了以氢燃料电池为动力的轻型飞机的试飞,目前正在与Versa动力系统公司密切合作,寻求将固体氢燃料电池技术应用到无人机上。
  就目前技术而言,“秃鹰”计划的目标“十分远大”,但无论结果如何,DARPA在飞机设计理念方面已经迈出了前所未有的一步。
  
  责任编辑:思空
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