摘 要: 为研究长航时无人机发展趋势及面临的技术难题,对长航时无人机的发展现状及关键技术进行了分析与总结.长航时无人机留空时间长,作业覆盖区域广,在高空巡航作业时受天气和大气上下对流的影响小,具备广阔的应用前景.首先以常规动力和新能源动力分类,总结了当前国内外长航时无人机的主要型号,回顾了长航时无人机的发展历程.然后,根据长航时无人机高升力、高升阻比和缓失速气动需求,复合材料大展弦比机翼大柔性特征以及长航时无人机任务环境复杂等特点,总结了长航时无人机发展过程中亟需解决的关键技术难题,包括高效气动综合设计技术、大展弦比机翼气动弹性分析和主动控制技术、复合材料气动弹性剪裁技术、柔性飞行动力学建模和控制技术以及无人机自主导航技术等.最后,结合国外长航时无人机的发展特点,提出了我国长航时无人机的发展建议.研究表明:常规动力中空长航时无人机得到了比较广泛的应用,但新能源动力长航时无人机多数还处于研究样机研制阶段.续航时间在一周以上的“超长航时”无人机技术成为各航空强国关注的焦点.长航时无人机系统的智能化、协同化和网络安全是未来发展的主要方向.
关键词: 长航时无人机;气动优化设计;大展弦比复合材料机翼;非线性气动弹性;主动控制技术;飞行轨迹控制;自主导航
长航时无人机通常是指能在大气层内持续飞行24 h以上的无人驾驶飞机,飞行高度一般为7 000~20 000 m,被广泛地应用于军事和民用领域,执行侦察监视、搜索跟踪、灾情勘测、气象研究等任务[1-3].相比具有同样任务特点的低轨卫星和高空飞艇等飞行器,长航时无人机同时具备任务高度高、滞空时间长、机动性和自主性强等综合优势,适用于未来战争的信息化和自主化等特点,将在空间攻防和信息对抗中发挥重要作用[4],是无人机发展的重要方向.
近年来,随着材料、控制和动力推进等技术的发展,中国、美国、以色列、英国等已成功研制出多型长航时无人机.目前长航时无人机按其动力类型可分为常规动力无人机和新能源动力无人机.其中具有代表性的常规动力无人机包括美国“全球鹰”无人机、“捕食者”无人机[5]等;新能源动力无人机主要包括以太阳能为动力的美国“太阳神”系列无人机[6]和英国“西风”系列无人机[7],以及以氢能源为动力的美国“鬼怪眼”无人机[8]和“全球观察者”无人机[9]等.
长航时无人机系统除无人机平台外,一般还包括任务载荷、测控与信息传输、综合保障等分系统.本文重点对无人机平台设计相关关键技术进行讨论.长航时无人机的使用环境和任务要求与常规飞行器存在很大差别,对翼载荷、升阻比、结构质量系数、控制策略等提出了极高要求.本文结合长航时无人机发展的现状,对其所涉及的总体气动综合设计技术、结构设计技术和飞行控制技术等进行综述和分析,旨在为长航时无人机的发展提供参考.
1 长航时无人机概述
20世纪90年代以来,以美国为首的许多航空航天强国相继开始了长航时无人机的研究和开发,并取得了很大进展.目前为止,世界上已研制和正在研制的长航时无人机主要型号如图1所示.长航时无人机飞行高度主要集中在中高空领域,其中高空长航时无人机的巡航高度大于18 000 m.续航时间是长航时无人机的一个重要技术指标.目前常规动力长航时无人机能连续飞行24~40 h左右;新能源长航时无人机的设计目标是可连续飞行数周或数月以上.
图1 代表性长航时无人机
Fig.1 Representative long-endurance UAVs
1.1 常规动力长航时无人机
以航空汽油/煤油为燃料的常规动力长航时无人机主要采用涡扇发动机、涡桨发动机和带涡轮增压器的活塞发动机等[10].相比现有的新能源动力长航时无人机,常规动力长航时无人机具有载荷大、速度高、尺寸相对较小等特点.
20世纪70年代,美国发起了Compass Cope计划,开始研发长航时无人机.20世纪80年代,波音公司成功研制“秃鹰”(Condor)常规动力长航时无人机.20世纪90年代,美国开展蒂尔(Tier)无人机研制计划,大力发展续航时间更长、覆盖范围更广的战略侦察任务无人机,“捕食者”(Predator)无人机和“全球鹰”(Global Hawk)无人机由此诞生.“捕食者”无人机由通用原子航空系统公司研制,于1994年首飞,续航时间为40 h.“捕食者”无人机1995年开始部署,并多次在局部战争中执行任务.此外,在科学研究、森林防火以及边境执法等民用领域“捕食者”无人机也发挥巨大了作用.“全球鹰”无人机是诺斯罗普 格鲁门公司为美国空军研制的涡扇高空长航时无人机,是目前世界上已列装的尺寸最大、质量最重的无人机.“全球鹰”无人机可以在海拔18 000 m左右高度执行任务,续航时间可达36 h[11].进入21世纪,“全球鹰”、“捕食者”及其改进型无人机在美军中大量装备,用于支援美国空军涉及的海外应急作战任务.2014年12月,美国极光飞行科学公司研制的“猎户座”(Orion)中空长航时无人机持续飞行了80 h 2 min 52 s,创造了常规动力无人机续航时间记录,该机型目标是在6 100 m的高空执行120 h的情报、监视与侦察任务.除美国外,以色列研制的“苍鹭”(Herons)无人机[12]和“赫尔墨斯900”(Hermes 900)型无人机可在10 000 m左右的高空,进行数十小时的持续飞行.国外典型的常规动力长航时无人机,如图2所示.部分代表性的常规动力长航时无人机关键参数,见表1.