吴洋
摘 要：随着环境测量技术的日益发展和航空航天技术的结合，临近空间飞行器渐渐成为了空天科研的热点，以太阳能无人机、飞艇和临近空间传感器飞机的研究为先锋，各国展开了对临近空间制空权的争夺，极大地推动了临近空间飞行器技术的进步和发展。文章从飞行性能、军事价值、技术支撑等方面介绍了太阳能无人机作为临近空间飞行平台的优势，提出了结构与载荷射频端一体化的设计思想，从技术实现方法的角度分析了一体化设想的可行性，最后从军用和民用的使用范围讨论了临近空间太阳能无人机飞行平台的发展前景。
关键词：临近空间飞行器 太阳能 无人机 结构一体化
中图分类号：V27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（c）-0011-03
航空空间中存在风雨雷等气候、地球重力、大气压力和日益复杂的电磁环境；航天空间则具有高真空、零重力、超低温等特征，并存在来自宇宙的各种带点粒子、宇宙射线、微流星和空间碎片等威胁。临近空间不存在地表气候的影响，空气流动相对小，但同时也存在空气稀薄，温度变化大等情况，受电离层粒子、流星残片等影响。
早期的空天研究多针对航空航天空间的应用和讨论，随着对临近空间大气环境监测、特征分析等技术的出现，临近空间飞行器逐渐进入科研大众视野，但是由于研究起点较低，目前的临近空间飞行器仍然处于探索阶段，而一些概念机和设计理念可以指导和推动各学科技术的发展。
该文首先介绍了临近空间飞行器的不同种类，通过性能、可行性等各方面的比较，重点着眼于太阳能飞行平台的特点和前景介绍，提出结构载荷一体化概念的设想，并对相关技术进行评估和展望，最后在应用层面对太阳能无人飞行平台进行了介绍。
1 临近空间飞行器的发展现状
近些年，随着环境测量技术的日益发展和航空航天技术的结合，临近空间飞行器渐渐成为了空天科研的热点，以太阳能无人机、飞艇和临近空间传感器飞机的研究为先锋，各国展开了对临近空间制空权的争夺，极大地推动了临近空间飞行器技术的进步和发展。
1.1 太阳能无人机
国外开展太阳能无人机研究的，主要为美国和欧盟国家，比较著名的有NASA的Pathfinder、Pathfinder-Plus、Centurion和Helios（见图1）四型太阳能无人机，以及Solong、Zephyr、HELIPLAT、Sky-Sailor等。
2009年3月初，美国国防部预研局启动“秃鹰”计划，该项目的目标是发展具有低轨道特性的传感器平台和通信中继无人机系统，预想翼展150 m，飞行高度20 000～30 000 m，任务载荷450 kg，持续飞行时间5年，要求有与卫星相似的系统可靠性和余度。2010年，波音/奎奈蒂克公司团队研制的太阳鹰（见图2）战胜了洛克希德·马丁、极光飞行科學公司，赢得8 900万美元的合同，该项目计划将在2014年进行首次验证飞行，该机翼展约123 m，留空时间30天，飞行高度17～27 km，概念外形如图1所示。
1.2 飞艇
传感器与结构集成（Integrated Sensor Is Structure，ISIS）项目是美国国防高级研究计划局的近空间发展计划，其目标是研制一种传感器和飞艇结构集于一身的大型平流层飞艇，携带的巨型雷达与飞艇尺寸相当，实现对地面目标和空中目标的持续监视能力。ISIS作为一个遥感器系统，可以对地面大量“时间敏感”目标实施监视和跟踪。
1.3 传感器飞机
美国空军将雷达、大型天线、电子监听装置和数据链集成在一起，用新颖复合材料和创新的结构设计围绕集成好的组件模塑出一架大型飞机，计划的目的是发展和完善这种飞机所需的技术。
美空军正在为X波段雷达开发阵面为0.37 m2的X波段薄天线阵，将其装在联合无人作战空中系统（J-UCAS）上进行验证试验。
2 太阳能无人机作为临近空间飞行平台的优势
太阳能无人机相较于其他临近空间飞行平台，具有环保、造价相对低廉、高飞行性能、稳定性强，载荷能力突出等优势，是一款具有高可持续性的飞行器平台种类。
2.1 太阳能飞行平台是实现高空超长航时任务的理想选择之一
太阳能飞行平台是一种以光能作为主要能量来源的电动无人飞行器。白天，它依靠其上安装的太阳电池进行光电转换，为动力系统、机载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蓄电池的电能和高度势能；夜晚，依靠白天蓄电池储存的电能维持正常运行。如果太阳能飞机每天白天存储的能量可以满足夜晚飞行的需要，就能够实现不间断的昼夜持续飞行。高空长航时太阳能无人飞行平台具有空域机动、长航时、高空巡航的特点，其飞行高度可达20～30 km，航时可达数月甚至数年，是实现高空超长航时任务的理想选择之一，可作为类“亚卫星”的空中信息化平台，执行侦察、监视、通信中继等任务，在军事上具有的广泛应用前景。
2.2 太阳能无人飞行平台的军事应用价值
“太阳能无人飞行平台综合一体通信中继系统”的基本概念是以平均飞行高度约20 km的太阳能无人飞行平台为载体，一是利用太阳能飞行平台大翼展的优势，机体和通信中继设备一体化，有效增大通信天线的功率孔径积，与低频通信体制结合，实现对隐身目标的高效、远距探测；二是利用太阳能飞行平台的长航时优势，在战区上空形成持续的通信中继能力；三是利用太阳能飞行平台使用维护低成本的优势，可大量装备，形成国土防空、同机群组网前出作战等多种使用环境的作战能力。“太阳能无人飞行平台综合一体通信中继系统”结合飞行平台自身的技术优势，可实现对我方通信节点持续、高效、远距的中继能力，为未来我军通信中继体系建设和能力的提升提供新型技术储备，探索新的信息化发展道路。
2.3 太阳能无人飞行平台的技术发展趋势
太阳能飞行平台方面，逐步向具有大载荷能力，可高空超长航时飞行的方向发展，以满足长期高空飞行的军事需求为主，填补临近空间的飞行器空白。主要的技术发展趋势为以下6点。
（1）卫星模式的高可靠性设计。
（2）太阳能量的高效收集、存储、消耗。
（3）高升阻比的高效率气动设计。
（4）低结构系数设计。
（5）高效电推进系统设计。
（6）结构与载荷的一体化设计。
3 结构与射频端一体化概念方案设想
3.1 结构与射频天线一体化设计及评估技术
为满足结构与射频天线的一体化，可通过天线与机翼的共形设计，制作出“可作为天线的机翼”；以高增益、低副瓣、宽角扫描的端射阵列形成天线面（见图4），解决大尺度、扁平机翼天线型态下天线方向副瓣较高的问题；机翼材料以常规碳纤维结构为主，搭建轻薄型分布式天线系统，实现传感器与平台共体优化；从常规碳纤维结构和新型透波材料组成系统两方面考虑，解决天线与结构存在的电磁耦合问题。
3.2 结构动态变形监测及天线射频补偿技术
太阳能飞机的大翼展在飞行中不可避免地出现摆动，若天线与翼展进行共形设计，则翼展的摆动也会导致天线出现形变，进而给数字波束形成、信号相参积累等带来困难，机翼的形变对天线的影响很大，因此需要通过对机翼结构变形量的预测来修正天线参数，并且是随机和实时的（见图3）。
大展弦比柔性无人机机翼的形变测试方法主要有以下几种。
第一类是光电飞行变形测量系统，它由机载光接收机和几个机翼上安装的光发射器组成，可以直接通过光的发射接收并采集位移信息，但其对超轻型飞翼布局重量太大，难以满足高空长航时飞行目标。
第二类是传统的应变计测量方法，通过电信号解算成变形信息，利用粘贴在机翼上的多组应变片测量当地的应变值。但应变片的连接导线是铜芯线，在应变片粘贴较多的情况下会造成重量负担。
第三类是光纤光栅传感测量系统。光纤光栅是利用紫外激光改变光纤材料性质，在光纤上制作成的一种光学无源器件，光纤光栅传感测试技术是利用测量环境对光纤的影响，将物理量转换成光束波长变化的新型光学测试技术。其具有精度高、重量轻、柔性大等优点，较适合于应用在大展弦比低翼载柔性无人飞行器领域。综上所述，光纤光栅传感测量系统相比于其他测量系统具有很多的优点。
3.3 结构天线一体化的高效环控技术
因太阳能飞行平台的使用海拔高度为0～25 km，从环控角度来看，飞行任务可分为巡航飞行、起飞降落和地面调试3种工作状态。环控系统的主要目的是使环控舱内设备均在要求的温度范围内。针对一体化天线阵列来讲，面对重量和功耗的严格控制，环控的主要目的是在确保天线散热能力的基础上，实现高效率优化。
4 太阳能无人机飞行平台的应用前景
太阳能无人飞行平台续航时间长，巡航高度较高，任务适应性强，能够随时降落加以维修和变更有效载荷，效费比高，因而有著十分广泛的潜在应用前景。
在军事应用方面，太阳能无人飞行平台能够利用其飞行高度和续航时间优势，完成长时间不间断侦察与监视、目标定位、电子情报收集、电子干扰、通信中继等作战任务，生存能力较高。与卫星和巨型飞艇相比，具有成本低、机动性强、部署相对容易等特点。
在民用方面，太阳能无人飞行平台可应用于国土资源调查、气象观测、环境监测、边境巡逻、通讯中继、空中和地面交通管理等任务；可在信号覆盖地区以低成本代替通信卫星提供电视和电信服务；可在发生洪灾、地震或森林火灾等大型灾难造成通信中断时保持受灾地区与外界的通信联络。
5 结语
太阳能无人飞行平台技术的研究，可实现对我方通信节点持续、高效、远距的中继能力，为未来我军通信中继体系建设和能力的提升提供新型技术储备，探索新的信息化发展道路，将推动我国相关学科科学和技术的发展，如气动技术、高效能源系统、材料科学和控制技术等。因此，结合军事、民用及对相关科学技术的带动，开展太阳能无人飞行平台的研究对我国国防和国民经济建设以及科学技术的发展均具有重大意义。
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