平流層“衛(wèi)星”美國(guó)計(jì)劃開(kāi)發(fā)能連續(xù)飛行５年的高空無(wú)人機(jī)

　　美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)正計(jì)劃發(fā)展一種具有科幻色彩的無(wú)人機(jī)——“禿鷹”。之所以稱其具有科幻色彩，是因?yàn)檫@種無(wú)人機(jī)的性能指標(biāo)實(shí)在有些匪夷所思：僅使用功率為5千瓦的動(dòng)力系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)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(shí)間。5年，相當(dāng)于一般間諜衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命，而目前人們所熟知的無(wú)人機(jī)連續(xù)飛行記錄是由諾斯羅普恪魯曼公司“全球鷹”無(wú)人機(jī)在2001年創(chuàng)造的連續(xù)飛行30小時(shí)24分——而這只是5年的1／1460，因此當(dāng)DARPA在其舉辦的工業(yè)日發(fā)布這一設(shè)想時(shí)，幾乎全場(chǎng)聽(tīng)眾都覺(jué)得不可思議，并報(bào)之以竊笑。實(shí)際上，“禿鷹”無(wú)人機(jī)的設(shè)想并非憑空臆想，早在7年前，在美國(guó)國(guó)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(gòu)型的無(wú)人駕駛太陽(yáng)能飛機(jī)——“太陽(yáng)神”，這種使用螺旋槳推進(jìn)的飛機(jī)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(wú)人機(jī)的飛翼無(wú)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(yáng)神”無(wú)人機(jī)的發(fā)展遭遇挫折，但卻為DARPA發(fā)展“禿鷹”無(wú)人機(jī)奠定了重要的基礎(chǔ)。
　　DARPA之所以要發(fā)展這樣的無(wú)人機(jī)，就是看到它可以作為新型空中監(jiān)視平臺(tái)和機(jī)載通信節(jié)點(diǎn)的潛力，而且與衛(wèi)星相比，這種平流層無(wú)人機(jī)具備獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。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(cè)、監(jiān)聽(tīng)的能力。其次，衛(wèi)星無(wú)法停留在某一區(qū)域上空進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視和監(jiān)聽(tīng)，除非這些衛(wèi)星運(yùn)行在距離地球36000千米高度的同步軌道，但這一高度對(duì)于高清晰度成像來(lái)說(shuō)實(shí)在太高了，對(duì)于通信衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，其信號(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯的時(shí)滯，使其無(wú)法用于戰(zhàn)場(chǎng)快速通信支援。其三，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命通常為5年，現(xiàn)在，很多衛(wèi)星的服役時(shí)間都會(huì)超過(guò)這一數(shù)字，但由于衛(wèi)星的在軌維護(hù)難度過(guò)高，因此，衛(wèi)星最終都將成為太空垃圾。與之對(duì)照，平流層無(wú)人機(jī)具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，它能夠從很高的高空(法律上屬于國(guó)際空域)合法地侵入一個(gè)國(guó)家的腹地，也能圍繞一個(gè)國(guó)家的邊界飛行，其戰(zhàn)術(shù)想定是，“禿鷹”無(wú)人機(jī)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(chǎng)圖像。無(wú)人機(jī)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(méi)有時(shí)滯的通信服務(wù)。無(wú)人機(jī)一旦出現(xiàn)故障，控制人員可控制其著陸，進(jìn)行維修或升級(jí)，之后再次投入使用。DARPA之所以要發(fā)展“禿鷹”無(wú)人機(jī)也正是基于上述考慮，當(dāng)然對(duì)于這種無(wú)人機(jī)的其他用途，DARPAIT廣開(kāi)言路，以期獲得更多的奇思妙想。
　　2008年4月，DARPA授予美國(guó)國(guó)防工業(yè)巨擎——波音公司、洛克希德>馬丁以及專門研制生產(chǎn)無(wú)人機(jī)的極光飛行科學(xué)公司總計(jì)400萬(wàn)美元的設(shè)計(jì)合同。他們將基于最初的12個(gè)月的技術(shù)分析進(jìn)行“禿鷹”無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，勝出者將進(jìn)入該計(jì)劃的第二階段，在這一階段，獲勝一方將研制亞尺寸樣機(jī)，該樣機(jī)能連續(xù)滯空3個(gè)月。而在第三階段，獲勝?gòu)S商將開(kāi)始研制能連續(xù)滯空1年的全尺寸樣機(jī)。盡管“禿鷹”無(wú)人機(jī)的研制工作已經(jīng)啟動(dòng)，但這種無(wú)人機(jī)是否真的能實(shí)現(xiàn)連續(xù)飛行5年的目標(biāo)，這三個(gè)公司的技術(shù)人員也不能給出肯定的答案，因?yàn)?ldquo;禿鷹”的研制將面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　連續(xù)飛行5年時(shí)間，最大技術(shù)挑戰(zhàn)就是動(dòng)力問(wèn)題。由于“禿鷹”無(wú)人機(jī)飛行在平流層，可不受任何阻礙地吸收太陽(yáng)能，從而產(chǎn)生充足的電力用于飛行，而太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭的，因此，以太陽(yáng)能作為動(dòng)力就成為無(wú)人機(jī)研制的唯一答案。但無(wú)人機(jī)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?jī)?chǔ)存的問(wèn)題，而這恰恰是最難以解決的。從上世紀(jì)90年代末，美國(guó)先后研制了“探險(xiǎn)_-者”、“探險(xiǎn)者+”、“太陽(yáng)神”太陽(yáng)能動(dòng)力飛機(jī)，并且先后創(chuàng)造了飛行高度的世界紀(jì)錄，但在能量?jī)?chǔ)存這一問(wèn)題上仍未取得突破，而“太陽(yáng)神”無(wú)人機(jī)還在尋求這一技術(shù)突破的過(guò)程中墜毀。“禿鷹”無(wú)人機(jī)能否最終研制成功，能量存儲(chǔ)是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此參與該計(jì)劃5-公司的技術(shù)人員都在加緊動(dòng)力子系統(tǒng)的研發(fā)。從目前披露的信息來(lái)看，能量存儲(chǔ)主要有兩種技術(shù)方案，即燃料電池和鋰電池。燃料電池方案的技術(shù)原理是，在晝間，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能除直接用于推進(jìn)外，將用于電解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣分別存儲(chǔ)。到了夜間，氫氣和氧氣通過(guò)燃料電池進(jìn)行化和作用，重新變成水，并產(chǎn)生電流，驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)飛行。整個(gè)系統(tǒng)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(guò)程就可以持續(xù)不斷地進(jìn)行下去。鋰電池方案很好理解，即電池將晝間產(chǎn)生的多余電能存儲(chǔ)起來(lái)，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(dá)到95％，但其重量過(guò)大，從而影響無(wú)人機(jī)的載荷能力。目前三個(gè)公司的研發(fā)人員正在兩種方案中尋求平衡，但據(jù)NASA相關(guān)技術(shù)人員的評(píng)估，這項(xiàng)技術(shù)在近期內(nèi)還無(wú)法達(dá)到可用的水平。即便能量存儲(chǔ)問(wèn)題能夠得到有效解決，“禿鷹”無(wú)人機(jī)在使用上仍然存在地理以及時(shí)間上的限制，特別是在高緯度地區(qū)。這是因?yàn)楦呔暥鹊貐^(qū)在一年中晝夜長(zhǎng)短變化非常顯著，當(dāng)該地區(qū)處于夏至前后時(shí)，白天很長(zhǎng)，黑夜很短，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行相當(dāng)有利；而當(dāng)該地區(qū)處于冬至前后時(shí)，黑夜將在一天中占據(jù)絕大多數(shù)時(shí)間，無(wú)人機(jī)是否能存儲(chǔ)足夠的能量就存在很大的疑問(wèn)。
　　除了動(dòng)力問(wèn)題外，先進(jìn)的材料也是“禿鷹”無(wú)人機(jī)面臨的重大挑戰(zhàn)。首先，連續(xù)飛行5年時(shí)間，太陽(yáng)光線除了能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)外，光線的輻射可能會(huì)使材料老化，強(qiáng)度下降，晝夜溫度的變化也會(huì)對(duì)機(jī)體材料產(chǎn)生不利的影響，因此設(shè)計(jì)人員必須考慮材料的耐用性問(wèn)題，必須能夠精確估算材料老化的速度以及相關(guān)參數(shù)。其次，為了獲得更大的升力，“禿鷹”無(wú)人機(jī)的翼展將達(dá)約100米，例如，洛克希德>馬丁公司方案的方案中，無(wú)人機(jī)的翼展達(dá)到91米，極光飛行科學(xué)公司方案的翼展甚至達(dá)151米。這就要求必須采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，而且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須給予機(jī)翼足夠的支撐，從而避免“太陽(yáng)神”無(wú)人機(jī)悲劇的再次發(fā)生。
　　這一系列艱巨的挑戰(zhàn)為“禿鷹”無(wú)人機(jī)在2012年開(kāi)始其5年飛行之旅的目標(biāo)蒙上了陰影，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信這些難關(guān)最終是會(huì)被攻克的。“禿鷹”無(wú)人機(jī)在技術(shù)上和使用上都突破了人們對(duì)于無(wú)人機(jī)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。它一旦研制成功，將大大彌補(bǔ)美國(guó)所認(rèn)為的其航天系統(tǒng)存在的脆弱性，并增強(qiáng)美軍的態(tài)勢(shì)感知以及信息化作戰(zhàn)能力，也對(duì)其他國(guó)家的安全提出了挑戰(zhàn)，因此，對(duì)其研制進(jìn)程應(yīng)該給予足夠的重視。