17 新概念航空航天飞行器

1.7 新概念航空航天飞行器1.7.1 空天飞机空天飞机全称为航空航天飞机，它是指以吸气式发动机和火箭发动机组合推进系统作动 力装置、能像飞机那样在跑道上起降、在大气层内高超声速飞行，又能单级入轨运行的可载 人飞行器。空天飞机集飞机、运载器、航天器等多重功能于一身，既能在大气层内作高超声 速飞行，又能进入轨道运行，将是21 世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。与 航天飞机相比，空天飞机多了一个在大气层中航空的功能，它起飞时也不使用火箭助推器， 而且完全可重复使用，理想的空天飞机还能像飞机那样，每次飞行之后，经过简单检修和加 注燃料，能很快作下一次飞行。空天飞机的奥妙之处在于它的动力装置。这种动力装置既不同于飞机发动机，也不同于 火箭发动机，这是一种混合配置的动力装置。空天飞机中安装有涡轮喷气发动机、冲压发动 机和火箭发动机。涡轮喷气发动机可以使空天飞机水平起飞，当速度超过2400km/h时，就 使用冲压发动机，使空天飞机在离地面60km的大气层内以3万km/h的速度飞行；如果再 用火箭发动机加速，空天飞机就会冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入轨道。返回大气 层后，它又能像普通飞机一样在机场着陆，成为自由往返天地间的输送工具。 空天飞机可以在一般的大型飞机场上起落。起飞时空气喷气发动机先工作，这样可以充分利 用大气中的氧，节省大量的氧化剂。飞到高空后，空气喷气发动机熄火，火箭喷气发动机开 始工作，燃烧自身携带的燃烧剂和氧化剂。降落时，两种发动机的工作顺序同起飞时相反。空天飞机飞行速度快。在大气层内的飞行马赫数可为1225，是现代高技术作战飞机飞 行速度的612倍。它可以在个把钟头内，把货物从欧洲运到澳洲。空天飞机在跑道起落，出入太空自由，可以像普通飞机一样在地面机场水平起飞升空， 返回大气层后像普通飞机一样自由选择机场水平降落，可以像普通飞机一样在大气层内飞 行，也可进入外层空间自由飞行或按一定的轨道运行。空天飞机的发射费用低。航天飞机的运输费用十分昂贵，运送1kg有效载荷到轨道的费 用高达一万美元。而空天飞机的发射费用仅是航天飞机或一次性使用火箭的几十分之一。其 维护简便，一个星期后就可再次起飞。空天飞机在军事上的应用包括：确保快速廉价地进入太空 空天飞机与目前使用的一次性使用运载火箭、飞船和部 分重复使用航天飞机相比，在重复使用性、发射操作费用、可维修性和周转时间、灵活机动 性等方面都有革命性的改变。可作为空间武器发射平台 在未来天战中，空天飞机可作为各种武器弹药，包括动 能武器和高能激光武器、微波武器等的发射平台，对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击， 对战争的胜负可起到至关重要的作用。反卫星 空天飞机能利用自身的探测设备，发现敌方卫星，对其进行跟踪和干扰，使 其失灵或将其摧毁；或将它“俘虏”，窃取它已获得的情报，或将它送入错误轨道，或干脆 将其带回地面。可作为快速运输机 空天飞机飞行速度极快，它从普通机场起飞，可在一小时之内快 速达到全球任何地方，能对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应，或对敌方发动突然袭击 等。可作为战时空间预备指挥所 空天飞机能像载人空间站那样在轨道长期停留，又配 备了先进的指挥控制系统，一旦战时需要，可以直接承担起作战指挥控制任务。侦察监视与预警 空天飞机可利用其携带的照相侦察、电子侦察等设备对陆、海、空、 天目标进行侦察与监视，对导弹发射等进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更大 的灵活机动性，综合侦察能力更强，实时性更好。实现空天飞机的技术难度比航天飞机更大，主要是三种动力装置的组合和切换，高强度、 耐高温的材料（高速飞行时，其头锥温度可达2760 r、机翼前缘达1930 r、机身下也可达 1260C ）和具有人工智能的控制系统等。这些都需要进行大量的课题研究和技术攻关。60 年代初，就有人对空天飞机作过一些探索性试验，当时它被称为“跨大气层飞行器”。 由于当时的技术、经济条件相差太远，且应用需求不明确，因而中途夭折；80 年代中期， 在美国的“阿尔法”号永久性空间站计划的刺激下，一些国家对发展载人航天事业的热情普 遍高涨，积极参加“阿尔法”号空间站的建造。据估计，空间站建成后，为了开发和利用太 空资源，向空间站运送人员、物资和器材等任务每年将达到数千次之多。这些任务如果用一 次性运载火箭、载人飞船或航天飞机来完成，那么一年的运输费用将达到上百亿美元。为了 寻求一种经济的天地往返运输系统，美、英、德、法、日等国纷纷推出了可重复使用的天地 往返运输系统方案。1986年，美国提出研制代号为X-30的完全重复使用的单级水平起飞的“国家航空航天 飞机”，其特点是采用组合式超声速燃烧冲压喷气发动机。英国提出了一种名叫“霍托尔” 单级水平起降空天飞机，其特点是采用一种全新的空气液化循环发动机。 90 年代，他们又 提出了一个技术风险小，开发费用低的新方案。德国则提出两级水平起降空天飞机“桑格尔”， 第一级实际上相当于一架超声速运输机，第二级是以火箭发动机为动力的轨道飞行器。两级 都能分别水平着陆。法国和日本也提出过自己的空天飞机设想。 80 年代末，这股空天飞机 热达到高潮，也激起了中国航空航天专家的很大兴趣。发展空天飞机的主要目的是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条： 一是充分利用大气层中的氧，以减少飞行器携带的氧化剂，从而减轻起飞重量；二是整个飞 行器全部重复使用，除消耗推进剂外不抛弃任何部件；三是水平起飞，水平降落，简化起飞 （发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，减少维修费用。但是，经过几年的研究分析，科学家们发现，过去的估计过于乐观。实际上，上述三条 途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破，这些关键技术有：新构思的吸气式发动机 因为空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度 从0到Ma=25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可 能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键。众所周知，喷气式发动机需要在大气层中吸入空气，无需携带氧化剂，但无法在大气层 外工作，且实用速度较小；火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围 较广，但携带的氧化剂较笨重，比冲小。目前设想的空天飞机的动力一般为采用超声速燃烧 冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。但超燃冲压发 动机的研制上存在相当多的技术问题，而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不 可靠。计算空气动力学分析 航天飞机返回再入大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科 学家们多年的心血，做了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机 复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫数从0 变化到 25；飞行高度变化大，从地面到几百 公里高的外层空间；返回再入大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，空天飞机则为 12小时。解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前，就连美国也不具备马赫数可以跨越这样 大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验，那意味着就是昼夜不停地试 验，也需要花费100多年的时间。于是，只能求助于计算机，用计算方法来解决，而对N-S 方程的求解目前尚存在许多理论上和计算速度上的问题。发动机和机身一体化设计 当空天飞机以 6 倍于声速以上的速度在大气层中飞行 时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化。亚声速飞机常采用的翼吊式发动机 已不能使用，需要将发动机与机身合并，以构成高度流线化的整体外形。即让前机身容纳发 动机吸入空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管，即“发动机与机身一体化”。在一体化设计中，最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状能随飞行速度的变化而 变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量， 还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在返回再入大气层的过程中，能经受住 高速气流和气动力热的作用，这样才不致发生明显变形，才可多次重复使用。防热结构与材料 空天飞机需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦 而产生大量气动加热，特别是以高超声速返回再入大气层时，气动加热会使其表面达到极高 的温度。因此，必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。 空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用，在返回再入阶 段要经受颤振、抖振、起落架摆振等的作用。在这种情况下，防热系统既要保持良好的气动 外形，又要能长期重复使用，维护方便，所以其技术难度是相当大的。目前的航天飞机，由于受气动加热的时间短，表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防 热效果，但对空天飞机则远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题，则将使重量大大 增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、 机翼前缘等局部高温区，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低 的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统，也就是把机体结构与防热系统一体化，即 把机体结构设计成夹层式或管道式，让推进剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构 外表面摩擦所生成的热量。为了满足空天飞机的防热要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、 质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前使 用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。机头与机翼等温度最高的部位，要求采用碳复合材料，这种复合材料表面有碳化硅涂层， 重量轻，耐高温性能好。此外，还需要研究金属基复合材料，例如碳化硅纤维增强的钛复合 材料等。这种材料应该兼有碳化硅的耐高温性能，又具有钛合金的高强度特性。空天飞机技术难度大，所需投资多，研制周期长，所以将来进入全尺寸样机研制，势必 也会像空间站那样采取国际合作的方式。1.7.2 临近空间飞行器临近空间一般指距海平面20100km的区域。在该空间中能完成一定任务的飞行平台 称临近空间飞行器。临近空间这一空域既不属于传统航天的范畴，也不属于传统航空的范畴。通常航空器在 20km以下高度飞行，而卫星等航天器则在100km以上空间的轨道上运行。目前在20100km临近空间的飞行器很少，主要是因为临近空间区域的大气密度很低， 依靠空气动力飞行的飞行器需要有较高的飞行马赫数，而该空间中的氧气非常稀薄，传统的 航空发动机很难使用，火箭发动机需要自带大量燃料；而对于卫星和飞船等太空飞行器来说， 这一空间的空气密度又会产生很大阻力。临近空间的环境决定了该空间的主要飞行器可能有以下几种：浮空器、高速飞机（再入 或者不再入）、新概念的临近空间飞行器（激光或者微波等动力）等。浮空器的主要概念 临近空间浮空器主要依靠空气的浮力克服重力，依靠动力克服风 阻，能在20km以上的临近空间范围内长时间地定点悬停或低速机动飞行，以太阳能转化成 电能为主要能源，再生式燃料电池/燃料电池/充电电池为辅助能源，采用螺旋桨或者新型电 晕离子推进器推进的无人飞行器。与天基和空基信息平台相比，这种浮空器能长时定点悬停的特点决定了该类信息平台的 精度和时间持续性都有很大的优势。由于在临近空间区域内大气密度很低（30km时空气密度是海平面空气密度的约1/70）, 为了产生足够的浮力，浮空器体积庞大，这就给材料、结构和制造工艺等提出了很高要求。再入/不再入高速飞机的主要概念 该类临近空间飞行器需要以较高的飞行马赫数飞 行，这样才能产生足够的空气动力。该类飞行器的优点是在较短的时间内可以形成较大的覆 盖范围。一般而言，该类飞行器主要用于空间的快速到达和武器投送，作为信息平台的意义 还不是很大。新概念的临近空间飞行器 目前，在临近空间的范围内没有太多的飞行平台的原因是 1）该空间内对于航空器而言空气过于稀薄，飞行器必须高速飞行才能获得足够的升力，但 由于稀薄空气中的氧气更加稀薄，因此，实际上没有合适的航空动力系统。使用自带氧化剂 和燃料的航天发动机要付出很大的重量代价；2）对于轨道飞行器而言，临近空间内的大气 又太稠密，必须有一定的动力推进系统克服飞行阻力。因此，可以看出，制约临近空间飞行 器的主要问题还是动力和能源问题。太阳能的利用可以部分地解决这一问题，但是，目前的 太阳能电池效率都不是很高（国内的刚性太阳能电池效率能达到17%左右，国外在23%-25% 左右），因此，要产生足够的动力，也要付出很大的重量代价。围绕这样的问题，国内外已有一些新的动力与能源的探索，其中包括激光动力和微波动 力等。激光动力和微波动力的原理是利用激光或者微波束将能源直接输送到临近空间飞行器 上。临近空间飞行器有重要的军、民用作用和用途，主要表现在以下几个方面：可以有效地弥补临近空间区域的空白从空间高度分层和安全战略来看， 20km 以下的中、低空有大量的飞机存在，而卫星等航 天器主要占据200km以上外层空间，因此在2080km的临近空间区域飞行器有重要的军 事和民用价值。经过论证分析，能在30km临近空间空域飞行的飞行器具有低、中空飞行器 和太空飞行器所不具有的作用。在战争中，目前以卫星、高空无人机和预警飞机、地面和海面信息系统为主组成的空、 天、地、海信息网络系统有许多缺陷, 而临近空间飞行器可以弥补这些缺陷。卫星的运行高度很高，覆盖面积大，不易受到面对空武器的攻击，但其信号容易受到干 扰，且由于没有必要的防护措施，目前正在研制的反卫武器将对卫星构成很大的威胁。特别 是，由于卫星本身的布置时间长（含发射和入轨），发射场固定，造成卫星的成本很高，所 以，在战争中也较容易失去作用，且失去后不容易及时补充。间歇式轨道侦察与预警卫星信 息获取的主要手段是可见光/红外照相，美国最先进的侦察卫星是KS-12，其照相设备要求 很高，采用自适应变焦技术，对地探测精度达0.1 米，该侦察卫星造价达10亿美元。即使 如此，由于该卫星的探测宽度有限及探测时间的间歇性，只能用于战略情报收集和战略导弹 防御系统。计算分析表明，对一个战区每15分钟探测一次，需发射24颗卫星，每8分钟探 测一次，需发射36 颗卫星，同时还要几颗同步轨道卫星配合。该系统还需建设庞大的地面 测控系统。因此将卫星用于战区监视与战略预警系统，经费投入将高达数百亿美元。间歇式 轨道卫星在几百公里的高空连续运行，由于距地面太高，运动速度很快，而且每隔几个小时 才能重返一次，因此对地面及空中目标的探测精度和持续性受到很大影响。地球同步轨道卫 星虽然可以在固定区域长时间侦察和预警，但比普通卫星的轨道高度更高，所需的初速度也 更大，其发射成本将更高。并且一旦发射后将只能覆盖预定的区域，无法再次改变，因此更 适合作为信息中继平台。临近空间浮空器可以在某一固定空间长期定点停留执行探测任务，稳定精度很高，因此， 它的探测精度和时间覆盖率要比卫星平台高很多。另外经费投入不大，但所起的作用却非常 明显。另外，与卫星相比，临近空间飞行器的成本低、发射方便且迅速，因此，在实战中很 容易得到补充。现今的许多武器系统使用GPS、北斗导航星系统提供的导航和定位数据，但由于导航 卫星高度很高（我国北斗导航星轨道在30000km以上），其信号路径损耗约为临近空间导航 飞艇的 106倍，因此抗干扰能力明显差很多。据报到，美伊战争中美国靠 GPS 制导的巡航 导弹在攻击目标时，由于受到GPS干扰器的干扰，有多枚竟然落到伊朗和叙利亚境内，可 见导航卫星相当脆弱。若用临近空间飞行器作为伪卫星空中基站，则可以显著提高导航系统 的抗干扰能力，从而发挥我方武器系统的威力。高空无人机和预警飞机在信息网中有突出的作用和地位，但也很容易被面对空武器打击 而毁伤，高空无人机和预警飞机的成本都较高。在信息获取和传输方面，临近空间飞行器的升空高度要比高高空无人机和预警飞机平台 高得多，因此其覆盖范围更大，直径可以达到1200km以上。临近空间飞行器能充分发挥太 阳能优势，可以长时间（3个月以上）留空，并昼夜不间断地完成信息获取、信息中继、信 息干扰等，这是预警飞机和高空无人机无法实现的。预警飞机和无人机需要回地面补给或修 理，临近空间飞行器留空时间很长，可以弥补它们作为信息获取和中继平台。可控飞行的临近空间飞行器由于其隐身性能好，工作高度在目前常规的面对空武器的攻 击范围之外，能对该高度目标进行攻击的特种临近空间导弹的成本远高于临近空间飞行器， 因此，其作战生存力比高高空无人机和预警飞机高。总之，临近空间飞行器可以与侦察卫星、预警飞机、无人侦察机、地面雷达等组成一个 立体侦察体系，实现多重覆盖无缝探测，且可互为补充，有助于对目标的识别，可为作战指 挥提供更为准确、完整的情报保障。未来的大载重临近空间平台还可以搭载攻击武器，这种精确攻击武器可以攻击轨道运行 卫星，也可以对低空或者地面目标实施打击。临近空间飞行器除具有重要的军事用途外，还具有广阔的民用前景。海上及偏远山区局 部区域无线通讯相对困难，有可能处于通讯卫星的盲区，也不可能建造大量地面蜂窝基站， 目前基本上依靠机动通讯车船。很明显，这些通讯手段要么通讯效果差，稳定性欠佳，要么 实现困难，容易遭到破坏，而临近空间飞行器在无线通讯方面独具优势。由于高空通讯平台 的信号路径损耗正比于路径的平方，所以临近空间飞行器作为通讯平台比低轨道通讯卫星的 信号路径损耗小很多，因此其在局部区域可以弥补通讯卫星的不足，实现“无盲区”通讯。 此外，临近空间飞行器还有许多其它的民用用途。在资源利用与环境保护方面，可以进行局 部地区资源动态探测与管理、局部地区环境污染监测、局部地区气象探测和局部海洋环境监 测等；在农林业方面，可以进行地区性农业资源规划和林区资源监测与管理等；在应急与减 灾方面可以进行灾情监测 、应急监测、灾后重建和事故搜救等；在区域规划方面可以进行 城市规划、区域测绘、交通管理和大型工程监测等；在公共安全方面可以进行要地防护、反 恐 、防暴、犯罪追踪和突发事件处理等。国外发展现状与趋势临近空间机动飞行器是空天一体作战系统的重要组成，美国是最先提出临近空间飞行器 的概念的。华盛顿航天政策顾问詹姆士蒙西称，“临近空间飞行器的研发是空中与太空军事 作战之间区别变得模糊的标志，太空不一定是一个分割开来的、不同的领域，而应当视为空 中作战的一个延伸”。虽然以前对临近空间缺乏充分的认识，尚未对之系统性、战略性地挖掘和利用，但其特殊的战略价值正受到各国越来越多的重视。如今，世界主要军事强国纷纷 投入大量的人力、物力进行研究开发，争取尽早占据这一战略制高点，以期在未来的战争对 抗中获取优势主导地位，其中美国和日本的研发工作走在最前列。正在开展驻空高度20000米的临近空间飞艇研究 2003 年 10 月，五角大楼导弹防御局 与洛克希德马丁公司签署了价值4000万美元的“高空飞艇”（High Altitude Airship, HAA）研制合同。“高空飞艇”（图1.7.1）长152m ,宽50m ,体积150000m3,其有效载荷约21,RegionalConflict &Special OPSJi：Urgency of Need： Four Combatant Commanders 5sy Utey neecf th HAA cspshilityncw! （NOHAD,.图1.7.2洛马公司的高空飞艇军事，日本在1998年4月通过了临近空间信息平台研究开发的国家立项，成立了由众多研究应用r-g -1机构和大型企业组成的临近空间信息平台开发协会，计划发射20个以太阳能/燃料电池为动任务系统能源系统10 kw ，先期平台计划在65000英尺（接近20公里）高空飞行一月。计 划2004年6月完成设计与风险分析,2004年7月2006年8月完成原型机研制和演示验证, 2006年9月2008年8月完成试飞与用户评审。洛克希德马丁公司的高空飞艇平台主要 用于军事，作为导弹防御系统的早期预警平台布置在国内海岸线周围，也可作为战场环境监 控（图 1.7.2）。力的临近空间飞艇平台，驻空高度为20 km （图 1.7.3），覆盖整个日本群岛。目前已对系统 设计、构造样式、飞艇使用材料、燃料电池与太阳能电池、飞艇的发射和回收、飞艇的跟踪 和控制等方面进行了比较全面的分析和计算，并就宽带无线通信、广播和地球遥感遥测等三 个主要的临近空间信息平台应用以及平台有效载荷系统进行了研究和概念设计。图 1.7.3 日本计划发展的临近空间飞艇平台驻空高度30000米及以上高度的高空飞艇研究计划也在开展 美国JP AEROSPACE公 司与空军科罗拉多州施里弗基地空间战实验室和空间战中心目前正在共同研制“攀登者” V 形临近空间机动飞行器（图1.7.4）,实际上是一种高空飞艇，长53m，宽30m，飞艇内部充 填氦气，采用螺旋桨推进系统，能在30-50km的高空长时间飞行。“攀登者”军用飞艇造价 仅为50万美元，远远低于任何一种有人驾驶侦察机的价格，还不到“全球鹰”高空长航时 无人侦察机造价的 40%，但却拥有较高的升空能力、货物运输能力、长时间飞行能力，集 卫星和侦察机的功能于一身，由地面遥控设备操纵，能完成高空侦察、勘测任务，也可用作 战场高空通信中继站，保障指挥员在山脉中或山的另一侧与部队通话，保障战场上各战斗小 组间的联系，而且没有卫星和侦察机的缺点，基本上不受地面和空中任何武器系统的攻击， 是美国空军重点建设的一个高空飞行器项目。计划在2005年年底前，在30.5km的高空，执 行为期5天的军事任务。图 1.7.4 “攀登者”临近空间飞行器图JP 航空宇宙公司正在进行的另外两个项目是高空飞艇漂浮平台和高空轨道飞艇的研 制。公司计划为空军建造一个名为“黑暗空间站”(Dark Sky Station )的高空漂浮平台(图 1.7.5)，这种空间站只是字面意义上的空间站，并不在轨道空间，而是设在30.5 公里的高空 中，它将由许多飞艇构成，长约2 英里，主要由一英里长的氦电池提供动力，同时利用燃料 电池和表面涂敷的太阳能电池作为补充动力，建设成为一个永久性有人驾驶设备，用作太空 船从地面到轨道间的高空中转站、第 3 方飞行设备补给站、远距离操纵的无线电通信中继站。 由气球构成的小型“黑暗空间站”试验工作已经开始，今后1 年半中，计划先建设一个30 米宽的空间站，派遣一个2人小组到上面执行3个小时左右的首次试验任务，之后，空间站 的规模将进一步扩大，停留时间也将随之增加。图 1.7.6 “黑暗空间站”图临近空间飞行器的关键技术临近空间飞艇目前国际上正处于概念研究阶段，其中长时定点悬停、能源与特种推进系 统和特种轻质气密材料与结构成为制约该种飞行器发展的关键技术。长时定点悬停技术 长时定点悬停是飞艇与其它飞行器比较的优势所在，表现出探测精 度具有较高的空间分辨率和时间分辨率。这种优势在完成军事任务时，是其它飞行器很难简 单替代的。因此长时定点悬停技术是飞艇完成军事任务和发挥优势的必要保证。临近空间存在随纬度和季节变换的长时风场，飞艇定点悬停实际上是一种顶风飞行状态 要实现定点悬停，飞艇需要推进系统提供动力，保证相对于地面准静止。这样就需要相应的 能源系统为推进动力系统提供足够的能量。周围大气的随机变化，使得飞艇位置会发生漂移，若不加以控制，飞艇很难保证其位置 不超出完成任务所要求的活动范围。因此，飞艇的自主控制系统要控制飞艇的动力系统、浮 力调节系统以及姿态控制系统等保证飞艇所受的力与力矩平衡。另外，由于飞艇采用太阳能 电池提供能源，其可利用的能量十分有限，若没有优化的自主控制能力，飞艇夜间会因为能 量耗尽而被高空大气风吹出其预定的定点范围。由此可见，定点悬停技术成为制约临近空间飞艇发展的核心关键技术，必须按照大系统 理论，进行复杂的多系统综合与协调控制以及确定各系统需要控制的门槛值，以满足飞艇的 漂移范围不超出完成任务所规定的定点范围。要解决临近空间飞行器的长时定点悬停问题，需要研究临近空间环境下飞艇的气动布局 与减阻，包括临近空间环境下附面层的形成、发展和转捩控制，外型的减阻机理和优化，表 面工艺和精度对附面层的影响。也需要研究自适应长时定点悬停综合控制，包括舵面与直接 力复合控制技术，环境自适应与自主优化控制技术和影响飞艇平台精确定点控制的附加质量 特性等。能源与特种推进系统 为了保证飞艇有很长的留空时间并顶风飞行保持定点，必须为飞 艇提供足够的能量，采用其它化学能，都会由于需要携带很大重量的氧化剂而造成飞艇体积 进一步增加很多。采用太阳能电池可充电电池作为能源系统，系统只要可坚持一个昼夜， 那么在理论上就可保证长时间的供电需求。在冬季，若飞艇的驻空区域位于中高纬度，由于日照时间变短和斜射等原因，飞艇背部 一部分太阳能电池被遮挡，造成飞艇获得太阳能有限。因此需要高效率的太阳能电池与储能 系统。另外 30000 米高空空气密度很低，氦气产生的空气浮力也很低，若不控制飞艇太阳能 电池的重量和提高储能系统能量密度，势必会增加飞艇体积，反过来又增加飞艇顶风飞行的 能量需求。因此，需要研究降低太阳能电池的面密度和提高储能系统的能量密度。同时因为 飞艇是柔性结构，还需要研究柔性薄膜太阳能电池以及与囊体结构的复合技术。由于临近空间环境低密度空气等各种因素影响，常规推进系统的效率会显著降低，就当 前国际上推进系统的发展水平，以及临近空间飞艇系统的长时滞空停留和太阳能利用等综合 考虑，螺旋桨推进还是超高空飞艇系统的主要推进动力方式，但目前缺乏超高空特种螺旋桨 设计的相关研究基础，因此开展该领域的关键技术攻关很有必要性。同时根据当前国外推进 系统的最新发展趋势，电晕离子推进器是一种更为高效的推进动力，开展此类概念性推进系 统的基础研究也是很有必要的。解决该关键问题需要研究超高空环境下能源的采集与存贮技术，包括高效薄膜太阳能电 池技术，薄膜太阳能电池技术与结构的复合技术，高效再生式燃料电池技术等。也需要研究 临近空间环境下特种螺旋桨与新概念推进技术，包括低空气密度和低雷诺数螺旋桨构型和设 计，电晕离子推进器技术和推进系统与平台的一体化设计等。特种轻质气密材料与结构 飞艇飞行在 30000 米的高空，空气密度低，只有海平面的 约1/70,浮升单位体积产生浮力很小，每立方米只有0.015g浮力，因此，要求飞艇自身结 构重量应尽可能的低，否则产生的浮力都无法克服自身的结构重量，需要采用轻质高强度 囊体与龙骨材料。为了满足有效载荷的要求，飞艇的体积很大（百米级），这样使得大跨 度结构设计与工艺成为难题。飞艇长期驻空，氦气分子的原子直径很小，极易透过阻氦气 结构而溢出，造成飞艇的浮力不足以克服重量，飞艇的驻空高度会下降，不能满足性能指 标要求。因此，除了要研究降低材料的透氦率和重量外，还要研究囊体的结构形式、权衡 囊体的重量和数量、优化布局、减少毁伤性漏气的概率。另外临近空间环境下的高低温、 光照、辐射和臭氧等恶劣环境会减少飞艇结构寿命，因此必须要研究恶劣环境下结构防护 与延长寿命技术。1.7.3 微型飞行器微型飞行器（Micro Air Vehicle,简称MAV）是新技术发展的必然产物，是目前国内外 研究的一个前沿和热点问题。微型飞行器的概念源于 20 世纪 90 年代。根据美国国防预研局（ Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）提出的要求，微型飞行器的基本技术指标是：飞行 器各个方向的最大尺寸不超过15厘米，续航时间20-60分钟，航程达到10 公里以上，飞行 速度 22-45公里/小时，可以携带有效载荷，完成一定的任务。在军事方面， MAV 可以装备到排一级士兵，进行低空军事侦察、监视、战场损伤评估 等；当作反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施以及携带微型战斗部进行攻击； 用于目标搜索和通信中继；进行生化探测，并标定危险区域等。在民用方面， MAV 可以用 于交通监控、边境巡逻、森林及野生动植物勘测、航空摄影、输电线路检查、环境监测、气 象监测、森林防火监测等。正是由于微型飞行器在军事和民用方面极其广阔的应用前景，使 其得到了世界许多国家的极大关注，很快成为国际上新的研究热点。微型飞行器的研究现状国内外各大科研机构广泛开展了对微型飞行器本体及其子系统的研究和开发，并研制了 一系列原理性样机。按照飞行模式的不同可以将微型飞行器分为：微型固定翼飞行器、微型 旋翼飞行器、微型扑翼飞行器等三种类型。微型固定翼飞行器 微型固定翼飞行器的典型代表是美国航空环境公司 （AeroVironment）研制的Black Widow和洛克希德桑德斯公司（Lockheed Sanders）研制的 MicroStar。Black Widow微型固定翼飞行器（图1.7.7）翼展15厘米，起飞重量56克，使用锂电 池、携带摄像头以40公里/小时的速度飞行了22分钟，数据链范围15公里。包括气压发射 架、地面控制系统和自动追踪天线在内的整个系统可装在一个手提公文箱内，总重只有6.8 公斤。MicroStar微型固定翼飞行器（图1.7.8）翼展为15厘米，起飞重量85克，其中动力源 44.5克，有效载荷18克，发动机重13.5克，巡航速度48公里/小时，续航时间20分钟，飞 行距离5.6公里。具有自动驾驶系统和电视摄像机，采用手持式发射器或直接手掷发射。1.7.8 MicroStar 微型飞行器图 1.7.7 Black Widow 微型飞行器微型旋翼飞行器 微型旋翼飞行器与微型固定翼飞行器相比其最大的优点是：能够垂直 起降和悬停，适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。微型旋翼飞行器的典型代表 是洛克尼克公司（Lutronix）研制的Kolibri和斯坦福大学研制的Mesicopter。Kolibri微型旋翼飞行器（图1.7.9）的基本尺寸为10厘米，重316克，采用重37克的 微型柴油发动机为动力，燃油重132克。该飞行器上部装旋翼，下部装照相机，采用GPS 自动驾驶，可以垂直起降和旋停，留空时间至少30分钟，可携带大约100克的设备。Mesicopter微型旋翼飞行器是一个厘米级大小的飞行器（图1.7.10）,其机身为16X16 毫米的方形框架，有四个螺旋桨，螺旋桨直径为15毫米，厚度仅为0.08毫米。每个螺旋桨 由直径为 3毫米，重 325毫克的微型电机驱动。目前这一研究项目已经完成了试验样机在一 竿臂上的离地起飞，进一步的工作仍在继续，最终目标是实现自主飞行和多个飞行器协调完 成具体任务。图 1.7.9 Kolibri 微型旋翼飞行器 图 1.7.10 Mesicopter 微型旋翼飞行器 微型扑翼飞行器 微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器。与微型固 定翼和旋翼飞行器相比，其主要特点是将举升、旋停和推进功能集成于一体，具有很强的机 动性和灵活性。因此，更适于执行侦察任务。近年来，在DARPA的资助下，微型扑翼飞行 器的研究取得了一定的成果。较典型的微型扑翼飞行器是加州技术学院研制的MicroBat和 斯坦福研究中心（SRI）研制的Mentor。MicroBat 微型扑翼飞行器是最早的电动扑翼飞行器。其机翼是采用微型机电系统 MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术加工制作而成的。通过重量轻、摩擦低的传动 机构将微电机的转动变为机翼的扑动。该飞行器目前已经发展了四种不同的原理样机。目前 飞行性能最好的是第四代样机（图1.7.11），该机采用锂离子电池为动力，总重11.5克，最 大尺寸20.32厘米，飞行方式为无线电遥控飞行，最大续航时间为6分17秒。图1.7.11 MicroBat微型扑翼飞行器在DARPA资助下，美国斯坦福研究中心（SRI）研制的Mentor微型扑翼飞行器（图 1.7.12）重50克，有四片机翼，以电致伸缩聚合体人造肌肉EPAM （Electrostrictive Polymer Actuated Muscle）为动力。目前正在进行该飞行器的气动力特性实验。微型飞行器的关键技术从微型飞行器的研究现状来看，虽然已经取得了相当的技术成果，积累了一定的经验， 但是总的来说，微型飞行器还处于试验阶段，离实用化还有一定的差距，其发展面临着来自 诸多技术领域的严峻挑战。低雷诺数下的空气动力学问题 微型飞行器与常规飞行器的空气动力学特性有很大不 同。常规飞行器的雷诺数约为 106-108左右，空气的粘性效应可以忽略。而微型飞行器的雷 诺数大约在 1 04左右，空气的粘性阻力相对较大，其影响无法忽略。目前，微型飞行器在低 雷诺数下的空气动力学问题还处在试验阶段，没有具体的理论和经验公式可遵循。而常规飞 行器设计中所采用的许多成熟技术，如气动计算方法与软件系统，风洞实验技术不能使用， 而必须发展新的理论和实验技术。微型动力装置和动力源问题 任何飞行器的飞行首先要解决的问题是动力问题，没有 动力飞行无从谈起。目前，微型飞行器可用的动力源有：内燃发动机、燃料电池、微型涡轮 发动机、电动机以及太阳能等。从能量转换效率来看，微型内燃发动机具有良好的应用前景。但是内燃机的热效率只有 5%左右，目前尚未研制出真正可用的微型内燃发动机，而且内燃发动机还存在噪音大及可 靠性差等方面的问题，要解决这个瓶颈还需要作大量的相关工作。美国麻省理工学院在DARPA资助下正在研制一种纽扣大小的微型涡轮发动机，该发动 机采用 MEMS 技术加工制作，工作原理与常规涡轮发动机相似，使用氢作燃料，直径为 1 毫米，厚度3毫米，转速每分钟可达2.4x106转，重量仅1克，推力为0.05-0.1牛顿，输出 功率将达到10-30瓦。此外，往复化学肌肉、电致伸缩人造肌肉、弹性动力、热电动力和太阳能等新技术目前 也在研究中。飞行控制及导航技术 在飞行中，常规飞行器是依靠副翼、升降舵和方向舵来操纵飞行 器的滚转、俯仰和偏航的。对于微型飞行器而言，由于要减轻重量和低雷诺数条件下的控制 面效率低等原因，从而使常规的飞行控制方式遇到困难，一个解决途径是发展基于 MEMS 的新型控制方式。目前比较有前途的是在微型飞行器的表面分布微气囊和微型智能自适应机 构，通过微流动控制实现对微型飞行器的飞行控制6。微型飞行器必须具备自主导航能力，可以使用地形匹配或全球卫星定位系统GPS）进 行导航。但是目前一套小型GPS设备需要0.5瓦的功率，重达20-40g的天线，而且GPS系 统的工作需要相当大的数据处理能力。因此研制体积小、重量轻、功耗低的GPS系统和地 形匹配系统等对微型飞行器来说非常有必要。基于微机电（MEMS ）技术的系统集成技术 由于微型飞行器的体积小，其机体容量 和承载重量均受到很大的限制，不可能像常规飞行器那样，将各种部件简单地安装在机体内。 从微型飞行器的设计要求和所需具备的功能来看，微型飞行器应是一个各种多功能系统高度 集成的复杂系统（包括微型器件的高度集成、有效载荷的高度集成和各种功能块之间的最小 限度集成等）。借助于MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）技术对微型飞行器的系统 进行微型化、集成化，从而实现微型飞行器的小型化是微型飞行器发展的必然趋势。当然采 用MEMS技术本身也具有复杂性，如MEMS器件本身的微小化、跨学科、高度集成特性等 所带来的设计的复杂性，以及MEMS微细加工方法会对设计本身增加新的制约。同时，采 用 MEMS 技术的高度系统集成必然会存在多功能体之间的耦合以及其它相互干扰因素。因 此，如何克服这些干扰因素，保证系统正常工作，将是MEMS技术用于微型飞行器所要解 决的关键问题。多学科设计优化（MDO）技术 微型飞行器是一个涉及空气动力学、能源、材料、电 子、机械、控制、信息等多个学科领域的复杂系统。传统的按照单个学科或系统的研究、设 计方法已不能满足需要。MDO（Multidisciplinary Design Optimization）方法可以较好地综合 考虑微型飞行器推力、重量、控制、通信导航等方面的要求，实现微型飞行器设计的一体化。 但是，目前大多数MDO研究往往只涉及气动、结构等学科，其它学科很少涉及，并且MDO 模型的精确度和方法还很不完善。因此发展和完善MDO方法，形成实用的多学科设计优化 平台，将成为有效设计微型飞行器需要解决的关键问题。微型飞行器的发展趋势从目前微型飞行器的研究现状和未来高新技术的发展来看，微型飞行器将会有以下的发 展趋势：微型固定翼飞行器技术将会完全成熟。按照目前的研究进度，可以预测十年内微型固定 翼飞行器的性能将会显著改善。微型飞行器的留空时间将会由目前的几十分钟发展到几小 时，作战半径将由几公里增加到上百公里，并且将可以实现完全的自主飞行。目前，美国航 空环境公司研制和生产的微型固定翼飞行器“黄蜂”（WASP）采用锂电池已经创造了一项 最长时间（1 小时 47 分钟）的飞行记录。研制出飞行性能可以与鸟类、昆虫等相媲美的微型扑翼飞行器。在今后一、二十年中， 随着非定常空气动力学和低雷诺数空气动力学研究的深入，仿生扑翼动力学基础理论研究将 取得很大突破，从而使微型扑翼飞行器的工程化和实用化成为可能。加州大学的研究人员用 4年时间研究苍蝇翅膀的工作机理，已经造出了只有10毫米长、3毫米宽、5 微米厚的仿生 翅膀。它能够以每秒钟150次的频率上下扑动，并且已经使最大尺寸不足3 厘米，重量只有 100毫克的MFI (Micromechanical Flying Insect)微型扑翼飞行器实现了绑附在一根细线上 的半自主飞行。微型飞行器用于“火蚁战争”。这是一种全新的战争形态，未来的战争将不再是以坦克、 军舰和有人驾驶飞行器为特征的常规作战模式。大量灵巧微型传感器(微型飞行器或其变体) 将综合成全球天基侦察系统，那时将会有成千上万可以飞行、爬行、盘旋的昆虫大小的武装 微型飞行器被用来探测、跟踪、瞄准、攻击和着陆到任何大小的军事目标。微型飞行器将使 未来战争的战场空间急剧扩大，并最终可能演变成使用微型机器人的第六维战争。 微型飞行器是一个包含多种交叉学科的高、精、尖技术，其研究水平在一定程度上可以反映 出一个国家的科技水平。微型飞行器的研制不仅是对其本身涉及问题的解决，更重要的是 微型飞行器涉及的关键技术问题的提出和解决将有力的带动、促进相关的技术领域的巨大发 展。