平流層“衛(wèi)星”美國計劃開發(fā)能連續(xù)飛行５年的高空無人機

　　美國國防高級研究計劃局(DARPA)正計劃發(fā)展一種具有科幻色彩的無人機——“禿鷹”。之所以稱其具有科幻色彩，是因為這種無人機的性能指標實在有些匪夷所思：僅使用功率為5千瓦的動力系統，無人機就可攜帶500千克的有效載荷在27500米的高空連續(xù)飛行5年時間。5年，相當于一般間諜衛(wèi)星的設計壽命，而目前人們所熟知的無人機連續(xù)飛行記錄是由諾斯羅普恪魯曼公司“全球鷹”無人機在2001年創(chuàng)造的連續(xù)飛行30小時24分——而這只是5年的1／1460，因此當DARPA在其舉辦的工業(yè)日發(fā)布這一設想時，幾乎全場聽眾都覺得不可思議，并報之以竊笑。實際上，“禿鷹”無人機的設想并非憑空臆想，早在7年前，在美國國家航空航天局(NASA)的支持下，位于加利福尼亞的航空環(huán)境公司就研制了一架飛翼構型的無人駕駛太陽能飛機——“太陽神”，這種使用螺旋槳推進的飛機創(chuàng)造了29523米飛行高度的記錄。然而不幸的是，在2003年的一次飛行中，無人機的飛翼無法承受新增的236千克的燃料電池艙和氫燃料罐，最終在夏威夷上空解體。盡管“太陽神”無人機的發(fā)展遭遇挫折，但卻為DARPA發(fā)展“禿鷹”無人機奠定了重要的基礎。
　　DARPA之所以要發(fā)展這樣的無人機，就是看到它可以作為新型空中監(jiān)視平臺和機載通信節(jié)點的潛力，而且與衛(wèi)星相比，這種平流層無人機具備獨特的性能優(yōu)勢。首先，衛(wèi)星的軌跡基本上是固定的，如果要改變軌道，必須消耗大量的燃料，此外間諜衛(wèi)星的軌道高度大約為420千米，這些都限制了衛(wèi)星探測、監(jiān)聽的能力。其次，衛(wèi)星無法停留在某一區(qū)域上空進行持續(xù)監(jiān)視和監(jiān)聽，除非這些衛(wèi)星運行在距離地球36000千米高度的同步軌道，但這一高度對于高清晰度成像來說實在太高了，對于通信衛(wèi)星來說，其信號會產生明顯的時滯，使其無法用于戰(zhàn)場快速通信支援。其三，衛(wèi)星的設計壽命通常為5年，現在，很多衛(wèi)星的服役時間都會超過這一數字，但由于衛(wèi)星的在軌維護難度過高，因此，衛(wèi)星最終都將成為太空垃圾。與之對照，平流層無人機具有很強的機動性，它能夠從很高的高空(法律上屬于國際空域)合法地侵入一個國家的腹地，也能圍繞一個國家的邊界飛行，其戰(zhàn)術想定是，“禿鷹”無人機飛行于18000米高空，能夠提供飛行軌跡下寬度1200千米的高清晰戰(zhàn)場圖像。無人機的飛行高度僅為間諜衛(wèi)星軌道高度的1／10，可獲得更清晰的偵察圖像，提供沒有時滯的通信服務。無人機一旦出現故障，控制人員可控制其著陸，進行維修或升級，之后再次投入使用。DARPA之所以要發(fā)展“禿鷹”無人機也正是基于上述考慮，當然對于這種無人機的其他用途，DARPAIT廣開言路，以期獲得更多的奇思妙想。
　　2008年4月，DARPA授予美國國防工業(yè)巨擎——波音公司、洛克希德>馬丁以及專門研制生產無人機的極光飛行科學公司總計400萬美元的設計合同。他們將基于最初的12個月的技術分析進行“禿鷹”無人機設計，勝出者將進入該計劃的第二階段，在這一階段，獲勝一方將研制亞尺寸樣機，該樣機能連續(xù)滯空3個月。而在第三階段，獲勝廠商將開始研制能連續(xù)滯空1年的全尺寸樣機。盡管“禿鷹”無人機的研制工作已經啟動，但這種無人機是否真的能實現連續(xù)飛行5年的目標，這三個公司的技術人員也不能給出肯定的答案，因為“禿鷹”的研制將面臨眾多技術挑戰(zhàn)。
　　連續(xù)飛行5年時間，最大技術挑戰(zhàn)就是動力問題。由于“禿鷹”無人機飛行在平流層，可不受任何阻礙地吸收太陽能，從而產生充足的電力用于飛行，而太陽能是取之不盡，用之不竭的，因此，以太陽能作為動力就成為無人機研制的唯一答案。但無人機不能只在白天工作，在黑夜也要能正常飛行，這就涉及到能量儲存的問題，而這恰恰是最難以解決的。從上世紀90年代末，美國先后研制了“探險_-者”、“探險者+”、“太陽神”太陽能動力飛機，并且先后創(chuàng)造了飛行高度的世界紀錄，但在能量儲存這一問題上仍未取得突破，而“太陽神”無人機還在尋求這一技術突破的過程中墜毀。“禿鷹”無人機能否最終研制成功，能量存儲是最為關鍵的環(huán)節(jié)，因此參與該計劃5-公司的技術人員都在加緊動力子系統的研發(fā)。從目前披露的信息來看，能量存儲主要有兩種技術方案，即燃料電池和鋰電池。燃料電池方案的技術原理是，在晝間，太陽能電池板產生的電能除直接用于推進外，將用于電解水，產生氫氣和氧氣分別存儲。到了夜間，氫氣和氧氣通過燃料電池進行化和作用，重新變成水，并產生電流，驅動無人機飛行。整個系統完全封閉，只要不存在泄漏，所有泵和閥門都保持完好，那么這一過程就可以持續(xù)不斷地進行下去。鋰電池方案很好理解，即電池將晝間產生的多余電能存儲起來，供夜間飛行使用。兩相比較，燃料電池方案重量輕，能量密度大，但能量效率較低，只有40％>59％；鋰電池的能量效率達到95％，但其重量過大，從而影響無人機的載荷能力。目前三個公司的研發(fā)人員正在兩種方案中尋求平衡，但據NASA相關技術人員的評估，這項技術在近期內還無法達到可用的水平。即便能量存儲問題能夠得到有效解決，“禿鷹”無人機在使用上仍然存在地理以及時間上的限制，特別是在高緯度地區(qū)。這是因為高緯度地區(qū)在一年中晝夜長短變化非常顯著，當該地區(qū)處于夏至前后時，白天很長，黑夜很短，對無人機的飛行相當有利；而當該地區(qū)處于冬至前后時，黑夜將在一天中占據絕大多數時間，無人機是否能存儲足夠的能量就存在很大的疑問。
　　除了動力問題外，先進的材料也是“禿鷹”無人機面臨的重大挑戰(zhàn)。首先，連續(xù)飛行5年時間，太陽光線除了能轉化為電能驅動無人機外，光線的輻射可能會使材料老化，強度下降，晝夜溫度的變化也會對機體材料產生不利的影響，因此設計人員必須考慮材料的耐用性問題，必須能夠精確估算材料老化的速度以及相關參數。其次，為了獲得更大的升力，“禿鷹”無人機的翼展將達約100米，例如，洛克希德>馬丁公司方案的方案中，無人機的翼展達到91米，極光飛行科學公司方案的翼展甚至達151米。這就要求必須采用高強度輕質材料，而且在結構設計上必須給予機翼足夠的支撐，從而避免“太陽神”無人機悲劇的再次發(fā)生。
　　這一系列艱巨的挑戰(zhàn)為“禿鷹”無人機在2012年開始其5年飛行之旅的目標蒙上了陰影，但隨著技術的進步，相信這些難關最終是會被攻克的。“禿鷹”無人機在技術上和使用上都突破了人們對于無人機的傳統認識。它一旦研制成功，將大大彌補美國所認為的其航天系統存在的脆弱性，并增強美軍的態(tài)勢感知以及信息化作戰(zhàn)能力，也對其他國家的安全提出了挑戰(zhàn)，因此，對其研制進程應該給予足夠的重視。