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平流层“卫星”美国计划开发能连续飞行5年的高空无人机

发布日期:2010-05-14  来源:网络  作者:全球无人机网我要投稿我要评论

  美国国防高级研究计划局(DARPA)正计划发展一种具有科幻色彩的无人机——“秃鹰”。之所以称其具有科幻色彩,是因为这种无人机的性能指标实在有些匪夷所思:仅使用功率为5千瓦的动力系统,无人机就可携带500千克的有效载荷在27500米的高空连续飞行5年时间。5年,相当于一般间谍卫星的设计寿命,而目前人们所熟知的无人机连续飞行记录是由诺斯罗普恪鲁曼公司“全球鹰”无人机在2001年创造的连续飞行30小时24分——而这只是5年的1/1460,因此当DARPA在其举办的工业日发布这一设想时,几乎全场听众都觉得不可思议,并报之以窃笑。实际上,“秃鹰”无人机的设想并非凭空臆想,早在7年前,在美国国家航空航天局(NASA)的支持下,位于加利福尼亚的航空环境公司就研制了一架飞翼构型的无人驾驶太阳能飞机——“太阳神”,这种使用螺旋桨推进的飞机创造了29523米飞行高度的记录。然而不幸的是,在2003年的一次飞行中,无人机的飞翼无法承受新增的236千克的燃料电池舱和氢燃料罐,最终在夏威夷上空解体。尽管“太阳神”无人机的发展遭遇挫折,但却为DARPA发展“秃鹰”无人机奠定了重要的基础。
  DARPA之所以要发展这样的无人机,就是看到它可以作为新型空中监视平台和机载通信节点的潜力,而且与卫星相比,这种平流层无人机具备独特的性能优势。首先,卫星的轨迹基本上是固定的,如果要改变轨道,必须消耗大量的燃料,此外间谍卫星的轨道高度大约为420千米,这些都限制了卫星探测、监听的能力。其次,卫星无法停留在某一区域上空进行持续监视和监听,除非这些卫星运行在距离地球36000千米高度的同步轨道,但这一高度对于高清晰度成像来说实在太高了,对于通信卫星来说,其信号会产生明显的时滞,使其无法用于战场快速通信支援。其三,卫星的设计寿命通常为5年,现在,很多卫星的服役时间都会超过这一数字,但由于卫星的在轨维护难度过高,因此,卫星最终都将成为太空垃圾。与之对照,平流层无人机具有很强的机动性,它能够从很高的高空(法律上属于国际空域)合法地侵入一个国家的腹地,也能围绕一个国家的边界飞行,其战术想定是,“秃鹰”无人机飞行于18000米高空,能够提供飞行轨迹下宽度1200千米的高清晰战场图像。无人机的飞行高度仅为间谍卫星轨道高度的1/10,可获得更清晰的侦察图像,提供没有时滞的通信服务。无人机一旦出现故障,控制人员可控制其着陆,进行维修或升级,之后再次投入使用。DARPA之所以要发展“秃鹰”无人机也正是基于上述考虑,当然对于这种无人机的其他用途,DARPAIT广开言路,以期获得更多的奇思妙想。
  2008年4月,DARPA授予美国国防工业巨擎——波音公司、洛克希德>马丁以及专门研制生产无人机的极光飞行科学公司总计400万美元的设计合同。他们将基于最初的12个月的技术分析进行“秃鹰”无人机设计,胜出者将进入该计划的第二阶段,在这一阶段,获胜一方将研制亚尺寸样机,该样机能连续滞空3个月。而在第三阶段,获胜厂商将开始研制能连续滞空1年的全尺寸样机。尽管“秃鹰”无人机的研制工作已经启动,但这种无人机是否真的能实现连续飞行5年的目标,这三个公司的技术人员也不能给出肯定的答案,因为“秃鹰”的研制将面临众多技术挑战。
  连续飞行5年时间,最大技术挑战就是动力问题。由于“秃鹰”无人机飞行在平流层,可不受任何阻碍地吸收太阳能,从而产生充足的电力用于飞行,而太阳能是取之不尽,用之不竭的,因此,以太阳能作为动力就成为无人机研制的唯一答案。但无人机不能只在白天工作,在黑夜也要能正常飞行,这就涉及到能量储存的问题,而这恰恰是最难以解决的。从上世纪90年代末,美国先后研制了“探险_-者”、“探险者+”、“太阳神”太阳能动力飞机,并且先后创造了飞行高度的世界纪录,但在能量储存这一问题上仍未取得突破,而“太阳神”无人机还在寻求这一技术突破的过程中坠毁。“秃鹰”无人机能否最终研制成功,能量存储是最为关键的环节,因此参与该计划5-公司的技术人员都在加紧动力子系统的研发。从目前披露的信息来看,能量存储主要有两种技术方案,即燃料电池和锂电池。燃料电池方案的技术原理是,在昼间,太阳能电池板产生的电能除直接用于推进外,将用于电解水,产生氢气和氧气分别存储。到了夜间,氢气和氧气通过燃料电池进行化和作用,重新变成水,并产生电流,驱动无人机飞行。整个系统完全封闭,只要不存在泄漏,所有泵和阀门都保持完好,那么这一过程就可以持续不断地进行下去。锂电池方案很好理解,即电池将昼间产生的多余电能存储起来,供夜间飞行使用。两相比较,燃料电池方案重量轻,能量密度大,但能量效率较低,只有40%>59%;锂电池的能量效率达到95%,但其重量过大,从而影响无人机的载荷能力。目前三个公司的研发人员正在两种方案中寻求平衡,但据NASA相关技术人员的评估,这项技术在近期内还无法达到可用的水平。即便能量存储问题能够得到有效解决,“秃鹰”无人机在使用上仍然存在地理以及时间上的限制,特别是在高纬度地区。这是因为高纬度地区在一年中昼夜长短变化非常显著,当该地区处于夏至前后时,白天很长,黑夜很短,对无人机的飞行相当有利;而当该地区处于冬至前后时,黑夜将在一天中占据绝大多数时间,无人机是否能存储足够的能量就存在很大的疑问。
  除了动力问题外,先进的材料也是“秃鹰”无人机面临的重大挑战。首先,连续飞行5年时间,太阳光线除了能转化为电能驱动无人机外,光线的辐射可能会使材料老化,强度下降,昼夜温度的变化也会对机体材料产生不利的影响,因此设计人员必须考虑材料的耐用性问题,必须能够精确估算材料老化的速度以及相关参数。其次,为了获得更大的升力,“秃鹰”无人机的翼展将达约100米,例如,洛克希德>马丁公司方案的方案中,无人机的翼展达到91米,极光飞行科学公司方案的翼展甚至达151米。这就要求必须采用高强度轻质材料,而且在结构设计上必须给予机翼足够的支撑,从而避免“太阳神”无人机悲剧的再次发生。
  这一系列艰巨的挑战为“秃鹰”无人机在2012年开始其5年飞行之旅的目标蒙上了阴影,但随着技术的进步,相信这些难关最终是会被攻克的。“秃鹰”无人机在技术上和使用上都突破了人们对于无人机的传统认识。它一旦研制成功,将大大弥补美国所认为的其航天系统存在的脆弱性,并增强美军的态势感知以及信息化作战能力,也对其他国家的安全提出了挑战,因此,对其研制进程应该给予足够的重视。
 
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标签:  平流层“卫星”美国计划开发能连续飞行5年的高空无人机 无人机新闻 世界无人机
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