太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“西風(fēng)”發(fā)展和性能及作戰(zhàn)評(píng)估解析

隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷成熟和續(xù)航時(shí)間的持續(xù)增加，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)一直保持著太陽(yáng)能飛行的領(lǐng)先地位，即將接受英國(guó)國(guó)防部的作戰(zhàn)概念驗(yàn)證，有望在安全領(lǐng)域和未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上承擔(dān)多種任務(wù)。

長(zhǎng)期以來(lái)，多個(gè)國(guó)家在無(wú)人駕駛飛行器領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)數(shù)次大膽嘗試，力求實(shí)現(xiàn)不間斷的長(zhǎng)航時(shí)飛行，但是一直停留在研制和測(cè)試階段。隨著太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)由空客公司制造的“西風(fēng)”（Zephry）無(wú)人機(jī)在十多年時(shí)間里先后突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已完成了多輪飛行試驗(yàn)，顯示出潛在的作戰(zhàn)效能。目前，空客公司已經(jīng)收到了英國(guó)國(guó)防部的訂單，將在今年年底開始對(duì)首批兩架“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)進(jìn)行作戰(zhàn)測(cè)試和性能評(píng)估，同時(shí)已經(jīng)著手發(fā)展更大型的“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)，以滿足潛在用戶的使用需求。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)。

“西風(fēng)”的發(fā)展歷程與關(guān)鍵性能

早在2003年，英國(guó)國(guó)防部下屬的奎奈蒂克公司（QinetiQ）啟動(dòng)了“西風(fēng)”計(jì)劃，先后研制了多架原型機(jī)，不斷提升尺寸和性能，在澳大利亞、歐洲和美國(guó)等地進(jìn)行了試飛。2010年7月9日，“西風(fēng)”7太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在美國(guó)亞利桑那州的一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)上空連續(xù)飛行超過(guò)了14天，時(shí)間超過(guò)336h，最大飛行高度達(dá)到21562m，創(chuàng)造了無(wú)人機(jī)不間斷飛行時(shí)間的新紀(jì)錄。

研制人員正在準(zhǔn)備“西風(fēng)”7無(wú)人機(jī)的試飛。

正是看到了“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的潛在能力，空客集團(tuán)防務(wù)與空間公司在2013年3月收購(gòu)了“西風(fēng)”項(xiàng)目，開始優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)，并著手設(shè)計(jì)一種更大尺寸的平臺(tái)，準(zhǔn)備將其作為高空偽衛(wèi)星（HAPS）概念的飛行器。針對(duì)HAPS，空客公司已經(jīng)將遙感和類似衛(wèi)星的通信應(yīng)用確定為該計(jì)劃感興趣的領(lǐng)域，準(zhǔn)備將一些任務(wù)載荷集成到“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)上。

空客公司看好HAPS能夠像衛(wèi)星一樣提供全球覆蓋和長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)提供了典型的燃油無(wú)人機(jī)或載人飛機(jī)所具有的重點(diǎn)關(guān)注局域事態(tài)的能力。所有這些都是以非常低的成本實(shí)現(xiàn)的，例如，空客公司預(yù)計(jì)，當(dāng)生產(chǎn)率和運(yùn)營(yíng)需求達(dá)到確定水平時(shí)，飛行器的成本約為100萬(wàn)美元，每飛行小時(shí)的運(yùn)行成本低至100美元。無(wú)疑，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的任務(wù)能力與相對(duì)低的費(fèi)用將重塑無(wú)人機(jī)后勤操作。

空客公司正在測(cè)試“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

盡管HAPS平臺(tái)很輕，載荷能力較弱，但空客公司認(rèn)為HAPS可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的一些功能，HAPS的飛行高度為20km，而相同功能的衛(wèi)星運(yùn)行高度為600km，因此HAPS在攜帶1kg的任務(wù)載荷的情況下，相當(dāng)于低地球軌道衛(wèi)星攜帶1t的任務(wù)載荷。

多種技術(shù)挑戰(zhàn)

從設(shè)計(jì)上看，“西風(fēng)”7無(wú)人機(jī)是一種翼展達(dá)16m但重量只有27kg的輕型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，采用了拱形翼尖小翼，在翼尖處設(shè)計(jì)了一種彎折裝置，以增強(qiáng)氣動(dòng)性能。覆蓋在機(jī)翼上部的太陽(yáng)能電池組在白天為飛機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)將能量?jī)?chǔ)存在可充電的電池組內(nèi)，以便在夜晚繼續(xù)提供充足的動(dòng)力。該機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在15240m以上高度連續(xù)飛行數(shù)月時(shí)間。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)采用了單梁T型尾翼。

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在飛行中也存在著技術(shù)和環(huán)境挑戰(zhàn)。例如，太陽(yáng)能飛機(jī)在平流層中飛行，需要重量非常輕并具有非常高效的設(shè)計(jì)而且它也必須具有良好的堅(jiān)固性和耐用性，以便在較高飛行高度的極低溫度下正常工作，并且能在通向工作空域的6h飛行過(guò)程中，順利通過(guò)所遇到的湍流。

太陽(yáng)能飛機(jī)當(dāng)前存在的最大限制之一是夜間需要使用電池作為電源，并且由于電源功率要求而限制了飛行的緯度。例如，在過(guò)于偏北或偏南的地方，太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度較弱，無(wú)法滿足電池充電的需求。但是，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)目前已證實(shí)可以運(yùn)行在更高的高度與更高的緯度，這是它與其他太陽(yáng)能飛機(jī)的顯著區(qū)別。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)可以承擔(dān)通信中繼和ISR等任務(wù)。

為了高效地飛行，并提供可持續(xù)的通信服務(wù)，高空太陽(yáng)能飛機(jī)必須保持在地球高空的大氣急流（Jet Stream）（13716～15240m）之上飛行，并避開這一高度及以下的潛在湍流。如果一架太陽(yáng)能飛機(jī)無(wú)法維持飛行剖面，即在夜晚期間不能保持在必要的高度（如由于電池電量不足），它將不得不下降到對(duì)流層頂（對(duì)流層和平流層交界處），那樣將可能遇到湍流，無(wú)法高效飛行和提供作戰(zhàn)能力。由于“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)將能夠在急流之上運(yùn)行，其速度將超過(guò)風(fēng)速，因此它能夠停留在站位或轉(zhuǎn)移到作戰(zhàn)區(qū)域。

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)者之一保羅·布魯克斯指出，盡管進(jìn)行太陽(yáng)能飛行且達(dá)到高空并不是特別困難，但長(zhǎng)航時(shí)飛行的主要挑戰(zhàn)在于如何維持飛行高度并在夜間正常飛行。所以選擇在赤道附近飛行是一個(gè)更好的建議。因?yàn)槌嗟郎咸?yáng)的輻射強(qiáng)度更大，而且大氣急流造成的影響較小，這樣無(wú)人機(jī)便可以在較低的高度和較慢的速度下飛行。

優(yōu)化S型結(jié)構(gòu)

針對(duì)“西風(fēng)”計(jì)劃，空客公司制定了一個(gè)提高載荷能力的路線圖，在制造“西風(fēng)”8無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)和制造新一代太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“西風(fēng)”S（Zephyr S）無(wú)人機(jī)，“S”代表了它采用了單梁尾翼。這架正在制造的無(wú)人機(jī)將交付給英國(guó)國(guó)防部。目前研制人員已開始著手測(cè)試無(wú)人機(jī)通信設(shè)備和光電傳感器，并利用此前制造衛(wèi)星的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)減少機(jī)載關(guān)鍵設(shè)備的體積和重量。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)的碳纖維機(jī)身設(shè)計(jì)采用了支撐機(jī)翼的桿式機(jī)身形式和T形尾翼部件，機(jī)頭設(shè)計(jì)有載荷艙。該機(jī)只采用了方向舵和升降舵，沒(méi)有采用柔性機(jī)翼和擾流板等復(fù)雜的控制元件。機(jī)翼和水平尾翼的上表面覆蓋著太陽(yáng)能電池，每個(gè)機(jī)翼內(nèi)側(cè)部分的前緣上都裝有一個(gè)電力推進(jìn)裝置?！拔黠L(fēng)”沒(méi)有安裝起落架，依靠人工手持輔助起飛，借助機(jī)身著陸。

與“西風(fēng)”7無(wú)人機(jī)相比，“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)在續(xù)航能力方面是前者的兩倍。根據(jù)目前的配置，“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)的翼展25m（“西風(fēng)”7的翼展為22.5m），可以實(shí)現(xiàn)至少30天的續(xù)航飛行，總重量62kg，其中大約一半為電池重量，有效載荷為5kg。最新配置的“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)比其前身減重約30％，可以承載1.5倍重量的電池，絕熱層的重量也減少了20％。目前，該機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)保持了機(jī)身的強(qiáng)度和完整性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)完成了2.5g載荷的測(cè)試。

“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)性能提升的關(guān)鍵是電源技術(shù)。該機(jī)安裝了微連設(shè)備公司（MicroLink Devices）基于多連接可拆卸的外延式太陽(yáng)能電池板，采用了基于砷化鎵的技術(shù)，每千克重量能產(chǎn)生1500W的能量，可以提供28%的轉(zhuǎn)換效率。

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)將太陽(yáng)能電池板與機(jī)身融合是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)。由于其結(jié)構(gòu)非常輕薄，完成這樣的設(shè)計(jì)絕非易事，因此該機(jī)采用了聚酯薄膜。目前看來(lái)，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)所使用的太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)足夠先進(jìn)，可以支持當(dāng)前和未來(lái)在40°緯度上實(shí)現(xiàn)全年飛行的性能要求。

“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在飛行高度使用紅外傳感器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是環(huán)境溫度非常低，通常為零下83℃。

驗(yàn)證“西風(fēng)”T型無(wú)人機(jī)

與此同時(shí)，空客公司也認(rèn)識(shí)到了有些任務(wù)需求是西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)無(wú)法滿足的，于是開始著手研發(fā)一種尺寸更大的“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)，其中的“T”指的是雙T形尾翼構(gòu)型。該機(jī)的翼展為33m，最大重量高達(dá)140kg，可以攜帶20kg任務(wù)載荷。新型號(hào)將沿用“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)、航空電子設(shè)備、軟件和其他系統(tǒng)，并采用了相同的電源系統(tǒng)。

“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)的大展弦比機(jī)翼在中央位置設(shè)計(jì)有一個(gè)任務(wù)載荷“吊艙”，在兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有尾撐，尾撐前端容納了牽引式推進(jìn)裝置，末端分別安裝有不相連的兩個(gè)T形尾翼。目前，空客公司已經(jīng)完成了“西風(fēng)”T縮比尺寸驗(yàn)證機(jī)的初次飛行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在2018年將制造全尺寸原型機(jī)，并進(jìn)行首次試飛，初步計(jì)劃在2019年投入使用。

“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)預(yù)計(jì)提供的附加功能包括寬帶通信和情報(bào)搜集、監(jiān)視與偵察(ISR)，其中可能包括為其配備合成孔徑雷達(dá)(SAR)或激光雷達(dá)。許多任務(wù)載荷和作戰(zhàn)想定已經(jīng)在“西風(fēng)”平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，包括遙感、光電/紅外、通信中繼和信號(hào)監(jiān)測(cè)傳感器。

目前，典型的無(wú)人機(jī)光電/紅外設(shè)備已經(jīng)集成到無(wú)人機(jī)上，包括一個(gè)雙軸平衡i2Tech UlS設(shè)備，只需要不到20W的功率就能在19812m的距離下提供50 cm的分辨率，并具有35倍的光學(xué)變焦。按照設(shè)計(jì)，“西風(fēng)”T無(wú)人機(jī)采用光電設(shè)備和中波紅外攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)50cm的分辨率，采用定制的輕型光電/紅外設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)18cm的分辨率?？湛凸鞠Ｍ?，通過(guò)為光學(xué)和紅外攝像機(jī)配備實(shí)時(shí)高清或4K視頻實(shí)現(xiàn)15cm的分辨率。

2013年，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在美國(guó)進(jìn)行的試驗(yàn)中，曾經(jīng)將戰(zhàn)場(chǎng)手持式戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電設(shè)備搭載至高空，實(shí)現(xiàn)了644km距離的有效傳輸。

為了支持?jǐn)?shù)據(jù)和圖像的實(shí)時(shí)傳輸，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)還配備有一個(gè)S波段的數(shù)據(jù)鏈路，在200km范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)直徑1.2m的拋物面天線時(shí)，傳輸速度可以達(dá)到10Mb/s。如果天線尺寸更大，下載速度可以達(dá)到100Mb/s。

準(zhǔn)備作戰(zhàn)評(píng)估

“西風(fēng)”系列無(wú)人機(jī)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是具備提供中繼高帶寬應(yīng)用的能力，潛在的民用價(jià)值包括大氣與環(huán)境數(shù)據(jù)采集、地圖與攝像、災(zāi)區(qū)通信中繼和火災(zāi)監(jiān)視。早在2010年，“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)在英國(guó)國(guó)防部資助的為期兩周飛行試驗(yàn)中，搭載了由奎奈蒂克公司研制的一種軍用通信載荷。在其他飛行試驗(yàn)中，該機(jī)搭載了照相機(jī)和通信中繼載荷。在此基礎(chǔ)上，空客公司針對(duì)軍事和安全領(lǐng)域的使用需求，為“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)發(fā)展了許多潛在的作戰(zhàn)概念(CONOPS)。

目前，英國(guó)國(guó)防部已經(jīng)訂購(gòu)了3架“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)，合同總金額達(dá)到了1300萬(wàn)英鎊。這些無(wú)人機(jī)將成為作戰(zhàn)概念驗(yàn)證的一部分，用于評(píng)估“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)承擔(dān)英國(guó)軍方和其他政府部門任務(wù)的性能與潛力。這樣，英國(guó)國(guó)防部能同時(shí)測(cè)試兩架“西風(fēng)”S無(wú)人機(jī)，并驗(yàn)證運(yùn)行交接能力，以表明這種高空長(zhǎng)航時(shí)能力可以無(wú)限期地保持下去。作戰(zhàn)概念驗(yàn)證將于今年晚些時(shí)候進(jìn)行，預(yù)計(jì)持續(xù)3個(gè)月。其后，這些無(wú)人機(jī)將立即交付給英國(guó)國(guó)防部?？湛凸緦⒃谧鲬?zhàn)概念驗(yàn)證中負(fù)責(zé)操作和控制這些飛機(jī)。

在作戰(zhàn)概念驗(yàn)證期間，英國(guó)國(guó)防部將測(cè)試一種數(shù)據(jù)鏈，可以通過(guò)3G蜂窩數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及4G系統(tǒng)傳輸實(shí)時(shí)圖像和視頻。2015年12月，羅克邁諾研究公司（Roke Manor Research）收到英國(guó)國(guó)防部授予的一份合同，負(fù)責(zé)研制在高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)上使用的數(shù)據(jù)鏈，可以與50km外的基站保持通信。當(dāng)時(shí)，該項(xiàng)目方案預(yù)計(jì)使用現(xiàn)成的商用3G硬件，結(jié)合定制的自適應(yīng)波束成形技術(shù)，通過(guò)將信號(hào)引導(dǎo)到特定的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施或軍事基站實(shí)現(xiàn)從高空傳輸數(shù)據(jù)。

羅克邁諾研究公司表示，該方案將利用其“智能鏈”（Smartlink）系統(tǒng)，并規(guī)劃5～10Mb/s的吞吐量，加以與民用及軍事基站的配合能力。這一能力歸功于無(wú)人機(jī)的機(jī)載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能：無(wú)人機(jī)上的處理單元下載并轉(zhuǎn)換軍事頻段中用于基本頻段處理的信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換并上傳至民用頻段，從而進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)民用蜂窩調(diào)制解調(diào)器。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)考慮了包括抗干擾能力在內(nèi)的軍用特性。

根據(jù)發(fā)展規(guī)劃，英國(guó)國(guó)防部希望組建一支由“西風(fēng)”無(wú)人機(jī)組成的中隊(duì)，在戰(zhàn)場(chǎng)前線和自然災(zāi)害地區(qū)的上空?qǐng)?zhí)行偵察任務(wù)，并提供通信中繼。