高空长航时无人机新动向

贺作豪

未来的信息化战争需求使得高空长航时无人机系统的发展在世界范围内得到了空前的重视，高空长航时无人机系统在技术、性能和作战使用上呈现出新的特点。

高空长航时无人机是一种侦察和收集情报的理想装备，此外还可用于通信中继、地理测绘、防灾救灾等任务。这类无人机的数量很少，美国的“全球鹰”在世界上处于领先地位，其他国家的防务部门和公司正在奋起直追，有所突破。

“西风”

2006年，英国国防部与空中客车公司签订了购买两架“西风”（Zephyr）8无人机的合同。“西风”8是一种高空长航时无人机，利用太阳能电池作为动力源，能在高空停留很长时间，故有“高空伪卫星”（HAPS）之称。空中客车公司将在英国范保罗基地制造这两架无人机。英国国防部将这种无人机用于支援特种部队的情报收集任务。多架“西风”协同工作，能提供广阔地理区域的持续、可靠的情报，未来还可用作通信中继或数据链。上述两架“西风”8是按验证机发展的。

“西风”8以前的型别“西风”7在2010年实现了创世界记录飞行，连续飞了14天。该机能在19800m高空缓慢飞行。空中客车公司将“西风”之所以能长时间飞行归因于采用了与其卫星所用相同的太阳能电池和其他技术，该公司制造的卫星工作了15年，且不需要更换零件。

“西风”设计发展已将近有十年光景。英国奎蒂奈克公司在2013年将该机的设计和发展所用权转让给了空中客车公司。尽管“西风”设计和试验几年来一直没有断过，英国是第一个试图将该机用于军事用途的国家。

英国国防部还在从事一个寻找合适技术用于持续监视侦察的项目，很可能与“西风”无人机有着千丝万缕的关系。Roke公司正在设计数据链，用于以大于50km的距离与地面上的移动通信基础设施直接通信。该公司在数据链发展中考虑了“西风”的尺寸、重量与功率限制。此数据链将提供一个高带宽通信通道，传输实时图像和视频。系统将采用商用货架3G硬件，不能单独将信号从高空成功地传输到地面的基站。Roke Manor研究公司为此发展了自适应波束成形技术，将信号指向地面上的商用移动通信基础设施，或专门的军用基站。

Plextek公司正在为上述项目研究可用于“西风”的基于压缩信号敏感的射频发射器定位技术。压缩敏感涉及在模数转换前以远低于奈奎斯特速率的速率编码和合并传感器输出，即对传感器输出信号进行压缩。在模数转换后，原始信号可以通过一些专门的算法重构，但计算工作量很大。Plextek公司研究摆脱这些算法，直接从压缩信号经过信号处理确定射频发射器的频率和方位。这样，就可以减轻高空长航时无人机通信或雷达载荷的尺寸、重量和功率。Plextek公司设计的算法对探测一系列实际发射器，包括移动通信、空中交通管制和监视雷达，已实现1°方位精度。

英国洛克菲尔德大学也在大力研究“西风”的小尺寸、轻型、低功耗任务载荷。该大学电子和电气工程系为“西风”设计的激光雷达的最大重量为3km。该系发展的技术能同时用激光雷达测绘地形，及采用该仪器的热成像通道将人员与车辆放到景象上。该系计划结合良好的工程实践，一些电子操纵的微小型反射镜和3D打印金属零件使激光雷达的重量达标。指标一旦实现，则它在观测国际边界以及人员的越界活动方面特别有用。

“西风”的最大缺点是其任务载荷能力受到限制。“西风”8的全部任务载荷能力为5kg。空中客车公司称，其未来型别的任务载荷能力将会增加。除“西风”8外，空中客车公司又发布了两种“西风”型别：“西风”S是“西风”8的生产型。“西风”T的尺寸更大，其连续功率超300W，能容纳较大质量的任务载荷，如雷达、激光雷达、ESM/电子情报和宽带通信设备。

空中客车公司已试飞和鉴定了一系列轻重量的任务载荷，包括光电/红外监视传感器。此外，该公司还在“西风”平台上试飞了几种通信任务载荷，得到了相当有用的结果。例如，可实现两个相距650km的两个作战用手持无线电台间的通信。而且，通过发展新的传感器和修改现有的传感器，可发展一系列轻传感器。例如，去掉一些不必要的特征，如钢制的壳体，可显著降低原先的重量，以满足“西风”对传感器技术的重量要求。

为实现对“西风”的一般情报、监视与侦察（ISR）要求，空中客车公司选择澳大利亚无人机视觉系统公司为“西风”8提供情报、监视与侦察任务载荷。这是一种具有高倍光学变焦能力的白昼传感器及装有高倍光学变焦镜头的红外传感器。这种具有万向架传感器的型号是CM202，重量刚好是3.5kg。其尺寸为深190mm，高295mm。这种传感器在“西风”上使用时，可提供昼夜很长时间高稳定性连续视频。

除英國外，新加坡海军和德国军方也对“西风”感兴趣。

在互联网上的应用

采用太阳能的高空长航时无人机还可用在商业领域内，为很少有通信卫星覆盖或没有通信卫星覆盖的地区提供联网能力。太阳能无人机的成本要比卫星及其发射成本低很多，因此是相当好的一个选择。

美国硅谷的两大互联网巨头谷歌公司和脸书公司都对将太阳能无人机用于互联网进行了研究。谷歌公司按其SkyBender项目于2016年初对一架太阳能无人机进行了试飞，打算提供高速5G互联网服务。但后来因无人机造价过高，加上相关技术储备不足，被迫停止了这个项目。

脸书公司的internet.org全球联网项目采用太阳能无人机来提供高空基站。脸书公司通过与英国Ascenta公司合作来发展合适的无人机，Ascenta公司的一些创始人曾帮助建造了“西风”的一些早期型别。

2015年，脸书公司完成了第一种型别无人机，“天鹰座”（Aquila）的制造。该机完全以太阳能作为动力，其翼展与波音747客机相仿，达到42m。该公司还成功地试验了数据传输率可达lOGB/s的激光技术。“天鹰座”将在约18300m的高空飞行，一次可飞3个月之久。为使无人机尽可能地轻，其机体由88g的T700纤维制造，纤维具有良好的弹性，其强度比钢大3倍。

最后将形成一个由多架“天鹰座”组成的一个“星座”。地面站将互联网无线电信号发送到一架母机，然后再通过激光技术发送到星座中的其他无人机，形成对地面的互联网覆盖。

2016年6月，“天鹰座”在第一次试飞降落时失败，据称是因遭遇强风而偏离航路，最终导致机翼折损而坠毁。2017年6月，“天鹰座”在第二次试飞中成功降落，飞行时间达1h46min。

以液氢为燃料的无人机

波音公司的“鬼怪眼”（PhantomEye）高空长航时无人机现在处于可飞的储存阶段，估计在等愿意投资的客户做进一步试验，而迄今对该机的研发都是公司内部出资的。

“鬼怪眼”总共飞了34h，达到16200m高度。该无人机采用氢内燃发动机推进技术，用两个螺旋桨来实现飞行。首飞是2012年进行的，在2014年美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心的试验中，“鬼怪眼”将其航时延长到8h。在9次试飞中，有5次是按美国导弹防御局的合同进行的，该局采用此无人机携带一个内部的飞行数据测量任务载荷。该机在2014年试飞之后，被储存起来。但波音公司据此无人机的技术在发展更大的高空长航时无人机，那些无人机可在高空停留一星期或更长时间，可携带900kg以上的任务载荷。

航空环境公司发展的“全球观察者”（Global Observer）高空长航时无人机目前也处于与“鬼怪眼”同样尴尬的处境，正在等待顾客的出现。这种无人机翼展为53m，长21m，也采用液氢作为燃料。该机计划达到以下设计指标：飞行高度17000～20000m，航时5～7天，任务载荷180kg。

这种无人机是为用于包括边境监视和通信在内的任务设计的，而且强调成本在顾客可担得起的程度内。它可像可重新部署卫星那样工作，覆盖地球表面直径为lOOOkm的区域。它能提供通信中继、情报、监视与侦察、暴风雨跟踪、无线电通信基础设施、山火探测或跟踪、海上操作和减灾等服务。

国内高空长航时无人机的发展

我国在高空长航时无人机发展方面已取得可观成果。曾出现在2015年9月3日纪念抗日战争胜利70周年阅兵式无人机方队中的BZK-005无人机是航空工业哈飞与北京航空航天大學联合设计的一种具有隐身能力的中高空长航时无人机，已装备部队。BZK-005由一个三叶螺旋桨推进，巡航速度170km/h。其最大起飞重量1250kg，实用升限8km，航时40h，任务载荷重量达150kg。航空工业成飞集团研制的“翔龙”采用菱形联翼结构，以喷气发动机为动力。中国航天空气动力研究院的“彩虹”太阳能无人机的翼展为40多米，已进行了试飞。2017年]]月，北京航空航天大学的“天鹰”无人机下线。这种无人机是针对国外市场研发的，翼展达42m，重400kg，能在20000～30000m之间高度飞行，可利用太阳能作为电力补充，续航时间为3个月。