段海濱，范彥銘，張雷

(1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191;2.北京航空航天大學 飛行器控制一體化技術重點實驗室，北京100191;3.中國航空工業(yè)集團公司沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽110035;4.中國人民解放軍 空軍裝備部，北京 100843)

高空長航時(high-altitude long-endurance，HALE)無人機是指飛行高度在18 000 m以上，飛行時間不少于24 h的無人駕駛飛機(unmanned aerial vehicle，UAV)［1］.在未來戰(zhàn)爭中，高空長航時無人機將成為偵察衛(wèi)星和有人駕駛戰(zhàn)略偵察飛機的重要補充和增強手段，同時也成為獲取戰(zhàn)略情報的重要手段之一［2-5］.高空型長航時無人機在戰(zhàn)場上的任務是對敵方進行戰(zhàn)略或戰(zhàn)役偵察，具備持久的情報收集和戰(zhàn)場監(jiān)視能力，并且可轉換成對地作戰(zhàn)平臺.高空長航時無人機已經成為當今各國武器裝備發(fā)展的重點，被美國空軍列為21世紀的關鍵技術之一［6］.

高空長航時無人機與有人駕駛戰(zhàn)略偵察機相比，其最主要的優(yōu)勢是不必考慮人的安全問題，在危險區(qū)域執(zhí)行偵察任務時，既不必冒生命危險，也不需派遣護航機保護，無人機還能晝夜持續(xù)進行空中偵察探測，這些都是有人駕駛戰(zhàn)略偵察機所不及的［7-9］.以美國“全球鷹”為例，其巡航高度可達19 850 m，可在距防空武器發(fā)射區(qū)5 556 km的范圍外活動，具有全天候偵察能力，為了滿足高空長航時的任務要求，飛機最大起飛重量為11 610 kg，其中燃料約6 600 kg，載油系數非常高，有效地利用了機內的空間，飛機采用了大展弦比的直機翼(翼展為35.5 m)，為了兼顧低可探測性的要求，飛機采用了V型尾翼和背負式進氣道.“全球鷹”可同時攜帶光電、紅外傳感系統和合成孔徑雷達，既可進行大范圍雷達搜索，又可提供74 Gm2范圍內的光電/紅外圖像，目標定位的圓誤差概率最小可達20 m，另外裝有1.2 m直徑天線的合成孔徑雷達能穿透云雨等障礙，能連續(xù)地監(jiān)視運動的目標.2006年，第一架生產型“全球鷹”無人機部署到中東地區(qū)，用以支持美軍在伊拉克和阿富汗的軍事行動.

根據我國未來無人機發(fā)展的戰(zhàn)略需要，為了全面提升高空長航時無人機飛行的安全性、經濟性和可靠性，本文將從多目標組合優(yōu)化設計、能源動力、軟件使能自主控制、自主導航、測控和信息傳輸、多機分布協同等方面提出高空長航時無人機的發(fā)展思路，可提升高空長航時無人機系統方面的可持續(xù)發(fā)展能力，增強我國在相關領域的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力，支撐和引領行業(yè)發(fā)展，為創(chuàng)新型國家建設和保障國家安全提供必要的發(fā)展戰(zhàn)略支撐.

1 高空長航時無人機技術發(fā)展思路

圖1給出了所提出的高空長航時無人機技術發(fā)展新思路的框架.

圖1 高空長航時無人機技術發(fā)展新思路框圖Fig.1 Block diagram of HALE UAV new technical development

1.1 高空長航時無人機多目標組合優(yōu)化設計技術

高空長航時無人機的設計過程是一個典型的系統工程［9］.按照系統工程的觀點，概念設計階段負責確定高空長航時無人機的外形、載荷、尺寸、質量和其他總體性能，高空長航時無人機一切好的或壞的特征均在設計的起始階段被確定下來［10］.衡量一個高空長航時無人機設計是否成功的標準很多，通常情況下這一目標并不具有惟一性.由于對飛機的要求是多方面的，因此，進行多目標總體優(yōu)化的好處是能對眾多方面的要求進行協調分析，從而發(fā)掘方案潛力，提高設計質量.

傳統的無人機設計方法是一種串行設計模式，存在諸多缺陷，例如虛擬設計階段短缺、各學科配合不到位、不能充分利用虛擬設計階段時的自由度來改進設計質量、不能集成不同學科以實現最優(yōu)化等，這種設計方式不能適應新的需求，導致設計的僵化.隨著現代系統設計技術的發(fā)展，一種跨學科多目標的系統設計優(yōu)化思想開始出現.其基本思路是:增加虛擬設計在整個設計過程中的比例，在設計的每個階段力求各學科的平衡，充分考慮各學科間相互影響和耦合作用，應用有效的設計/優(yōu)化策略對設計過程進行優(yōu)化，應用分布式計算機網絡來組織管理整個系統的設計過程，通過充分利用各個學科之間的相互作用所產生的協同效應，以獲得系統的整體最優(yōu)解［11］.

目前多目標系統優(yōu)化設計方法尚未成熟，處于對最優(yōu)化方法的探索階段.高空長航時無人機系統的多目標組合優(yōu)化設計是總體設計階段所需解決的一個重要問題.在全面考慮氣動、隱身、結構、發(fā)動機等因素的前提下，今后可著重研究該方向的關鍵技術如下:

1)運用飛行器設計理論進行高空長航時無人機總體布局設計;

2)高空長航時無人機多目標組合優(yōu)化建模技術;

3)高空長航時無人機多參數優(yōu)化技術，這些參數包括總體參數設計、發(fā)動機匹配、機翼平面參數設計、翼型選擇、舵面配置以及起落架參數設計等.

1.2 高空長航時無人機氣動－隱身一體化設計技術

隱身化是現代和未來武器裝備的重要發(fā)展趨勢，隱身技術的發(fā)展和應用也日益成為現代化戰(zhàn)爭中決定勝負的一個重要因素［12］.無人機的隱身性能在很大程度上決定于其氣動布局方式.對高空長航時無人機而言，由于飛行任務與結構的限制，對實現隱身十分苛刻.因此必須綜合考慮氣動和隱身要求，運用一體化設計思路尋找氣動和隱身性能要求的最佳組合搭配.高升力、低雷諾數和跨聲速是高空長航時無人機主要的氣動特征，在進行相關的氣動設計和分析過程中，必須處理流動的粘性問題或邊界層問題.由于長航時飛行，不僅要求發(fā)動機耗油率低、機內儲油空間大，而且要求巡航阻力小，這就需要采用大展弦比、厚翼型機翼，于是在小迎角下翼面上就可能出現超聲速區(qū)，從而導致跨聲速問題.

影響高空長航時無人機隱身性能的因素包括機翼構型、翼身結合方式、尾翼形式、部件遮蔽等.如何從低雷諾數條件下氣動性能的要求出發(fā)，綜合隱身要求是現階段高空長航時無人機氣動設計方面面臨的主要問題［13］.面對高空長航時無人機的高升力、低雷諾數和跨聲速等主要氣動特征，可以通過具備描述邊界層轉捩和分離能力的分析和設計工具進行相關的氣動設計和分析，處理流動的粘性問題或邊界層問題.

今后可研究如何采用XFOIL技術來解決高空長航時無人機翼型的分析與設計問題，XFOIL通過指定特定的表面速度分布，計算轉捩的氣泡分離等，對翼型進行設計和優(yōu)化.可以實現完全反設計和混合反設計，并且可以進行互動式的翼型優(yōu)化設計，可望在我國高空長航時無人機的氣動－隱身一體化設計與研究中發(fā)揮一些促進作用.由此，今后可著重研究該方向的關鍵技術如下:

1)基于面元法的氣動性能計算技術;

2)基于物理光學法的雷達散射截面積計算技術;

3)基于XFOIL技術的高空長航時無人機翼型分析與設計技術;

4)基于智能優(yōu)化氣動性能目標與隱身性能目標之間的折衷技術;

5)推進/熱控/氣動力/姿態(tài)耦合特性分析與建模技術.

1.3 高空長航時無人機能源動力技術

高空長航時無人機對動力的要求包括發(fā)動機應具有良好的燃油經濟性，穩(wěn)定的高空工作能力，良好的任務可靠性和良好的爬升能力;發(fā)動機的重量應盡可能輕，壽命應盡可能長，成本應盡可能低;由于高空的空氣密度低，發(fā)動機的散熱不好，對發(fā)動機的冷卻提出了更高的要求.而采用普通的發(fā)動機和電池已不能滿足無人機長時間高空飛行的要求［14］.由于高空長航時無人機與民用運輸機對發(fā)動機的要求有許多相似之處，例如它們都要求發(fā)動機的重量輕、油耗低、成本低、工作壽命長、維護性好、可靠性高等.因此，可以考慮采用現成的民用大涵道比渦扇發(fā)動機作為高空長航時無人機的動力.在高空條件下，由于空氣密度減小，雷諾數的降低帶來許多問題，如壓氣機的喘振裕度減小，并且由于功率提取的增加，壓氣機的喘振裕度進一步減小.因此，渦扇發(fā)動機在用作高空長航時無人機動力時，需根據其任務特點進行一些適應性的技術改進.由此，今后可著重研究該方向的關鍵技術如下:

1)渦輪－沖壓組合發(fā)動機技術;

2)渦扇發(fā)動機技術;

3)基于液氫(LH2)為燃料的推進系統;

4)太陽能動力技術;

5)燃料電池推進技術.

1.4 高空長航時無人機軟件使能自主控制技術

高空長航時無人機的飛行速度、高度等變化很大，從而大氣密度或動壓均會隨之在大范圍內變化.另外飛行航跡因飛行任務的不同而不同，這些因素都使得無人機成為一個模型不準確、參數和干擾大范圍不確定性變化的被控對象［14］.針對高空長航時無人機的飛控系統面向的環(huán)境、任務、功能的日益復雜和更多的不確定性，研究和實現增穩(wěn)控制、主動控制、自適應控制、自動飛行和飛行管理、健康管理等多重任務系統和復雜系統結構的綜合技術，依據軟件使能控制理論與技術解決復雜飛控系統的軟硬件綜合實現問題.軟件使能自主控制不僅在于控制理論和實時計算的先進性，還在于控制算法和實現平臺(軟件和硬件)的交互作用和統一.此外，基于仿生智能的自主控制技術也是該領域一個重要的研究內容［15］.今后可著重研究該方向的關鍵技術如下:

1)多操縱面飛行控制技術;

2)魯棒自適應控制技術;

3)綜合飛行/推進隱身控制技術;

4)可重構飛行控制技術;

5)余度配置理論與余度容錯高可靠控制技術;

6)面向突發(fā)事件的航路重規(guī)劃技術;

7)仿真建模的校核、驗證與確認技術.

1.5 高空長航時無人機自主導航技術

高空長航時無人機由于飛行距離遠，航行時間長，對導航定位精度提出了很高的要求［16］.慣性導航系統以其時間短、精度高，可以連續(xù)輸出位置、速度、姿態(tài)信息，以及完全自主等突出優(yōu)點［17］，已被各種類型的飛行器普遍采用，但其誤差隨時間積累而逐步擴大.根據長航時無人機對隱蔽性的要求，需要完全自主的導航系統，并且由于其飛行高度一般在18 km以上，選擇天文導航系統與慣導系統進行組合導航是最佳選擇.

高空長航時無人機的導航系統要比常規(guī)飛行器的導航系統復雜得多，且自主性要求很高.現有的常規(guī)飛行器導航系統的體系結構很難適合高空長航時飛行狀態(tài)下的技術要求，需要研究新的高空長航時無人機自主導航技術的體系結構.今后可著重研究該方向的關鍵技術如下:

1)基于天文與速度聯合觀測的自主導航技術;

2)基于天文/慣性導航的自主導航技術;

3)基于星敏感器/紅外地平儀的自主導航技術;

4)基于日、地、月方位信息的自主導航技術;

5)提高自主導航精度的自適應濾波技術;

6)多自主導航的傳感信息融合技術.

1.6 高空長航時無人機測控和信息傳輸技術

高空長航時無人機的測控和信息傳輸系統是非常關鍵和重要的組成部分.無人機測控與信息傳輸技術是指對無人機進行遙控、遙測、跟蹤定位和信息傳輸的技術.遙控是指對無人機飛行狀態(tài)和設備狀態(tài)的控制;遙測是指對無人機飛行狀態(tài)和設備狀態(tài)參數的測量;跟蹤定位是指對無人機實時連續(xù)的位置測量;信息傳輸是指無人機任務載荷傳感器信息的傳輸.在高空長航時無人機的測控和信息傳輸技術中，還應重點關注超視距中繼傳輸技術和寬帶數據鏈技術等研究方向:

1)超視距中繼傳輸技術;

2)寬帶數據鏈技術;

3)數據鏈自適應功率控制技術;

4)戰(zhàn)術數據鏈仿真新技術.

1.7 網絡環(huán)境下高空長航時無人機的空天地多機分布協同技術

高空長航時無人機本質上是一個分層遞階的混合自主系統［18］.自主性的體現包括頂層的任務管理直到底層的飛行器可重構控制.系統具有自適應決策、組織協調和控制執(zhí)行3個層次，各層次均可在線實時感知和評估內外環(huán)境，并通過調整其可調環(huán)節(jié)，使系統性能滿足要求或達到最優(yōu).而網絡環(huán)境下高空長航時無人機空天地多機分布協同技術是一個新的前沿性技術領域，該技術可以拓寬高空長航時無人機的應用范圍，提高其偵察及執(zhí)行其他任務的效率.將多機、多編隊協同控制的規(guī)劃問題進行抽象和遞階分解，通過協調變量將復雜的集中式優(yōu)化問題轉化成相對簡單的分散式優(yōu)化問題，進而將多機協同控制規(guī)劃問題轉化成單機的規(guī)劃問題，大大簡化問題的復雜程度，并且確保性能滿足要求.今后可著重研究該方向的關鍵技術如下:

1)空天地網絡環(huán)境下的復雜態(tài)勢/威脅評估技術;

2)多機協同航路規(guī)劃及重規(guī)劃技術;

3)多機協同任務分配及重分配技術;

4)多機異構協同控制技術;

5)多機隱身察打一體化技術;

6)多機作戰(zhàn)效能評估技術.

2 結束語

近年來，高空長航時無人機有了驚人的快速發(fā)展，而高空長航時無人機技術的設計與實現基本上仍遵循一種固定的模式.如今，當大家爭相研制高空長航時無人機的時候，就感到常規(guī)的設計與實現技術難以滿足新型高空長航時無人機的發(fā)展需求.新型高空長航時無人機強調要高、精、尖，特別在自主化和智能化方面有很高的要求，各種技術上也要創(chuàng)新，從而帶來研制上的高難度和高風險.本文從多目標組合優(yōu)化、氣動－隱身一體化、能源動力、軟件使能自主控制、自主導航、測控和信息傳輸、空天地多機分布協同等方面所提出的發(fā)展思路，可為新型高空長航時無人機的自主化、智能化、綜合化和先進化提供一些概括性的新方向和技術途徑.

［1］TUZCU I，MARZOCCA P，CESTINO E，et al.Stability and control of a high-altitude，long-endurance UAV［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics，2007，30(3):713-721.

［2］ATREYA S，MATA M，JONES R，et al.Power system comparisons for a high altitude long endurance(HALE)remotely operated aircraft(ROA)［C］//AIAA 5th Aviation，Technology， Integration， and Operations Conference(ATIO).Arlington，USA，2005:AIAA-2005-7401.

［3］AGTE J，COHEN K.First order effects of new technology on a high altitude long endurance(HALE)unmanned aerial vehicle(UAV)［C］//Proceedings of the 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，USA，2008:AIAA-2008-168.

［4］PATIL M J，HODGES D H，CESNIK C E S.Nonlinear aeroelasticity and flight dynamics of high-altitude long-endurance aircraft［J］.Journal of Aircraft，2001，38(1):88-94.

［5］CARNIE G，QIN N.Fluid-structure interaction of HALE wing configuration with an efficient moving grid method［C］//Proceedings of the 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，USA，2008:AIAA-2008-309.

［6］TUZCU I，MARZOCCA P，AWNI K.Nonlinear dynamical modeling of a high altitude long endurance unmanned aerial vehicle［C］//Proceedings of the 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics and Materials.Palm Springs，USA，2009:AIAA-2009-2404.

［7］GRAY D.Design and integration of antennas with prototype HALE UAVs［C］//Proceedings of the 25th AIAA International Communications Satellite Systems. Seoul， Korea，2007:AIAA-2007-3143.

［8］NICKOL C L，GUYNN M D，KOHOUT L L，et al.High altitude long endurance air vehicle analysis of alternatives and technology requirements development［C］//Proceedings of the 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，USA，2007:AIAA-2007-1050.

［9］SIVAJI R，GHIA U，GHIA K N，et al.Aerodynamic analysis of the joined-wing configuration of a HALE aircraft［C］//Proceedings of the 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno，USA，2003:AIAA-2003-606.

［10］李珂.長航時無人機機翼平面參數及翼型選擇分析［J］.飛行力學，2007，25(3):9-11，16.

LI Ke.A study on wing geometry and airfoils effects for long eudurance unmanned aircraft［J］.Flight Dynamics，2007，25(3):9-11，16.

［11］曹秋生，張會軍.高空長航時無人機的發(fā)展特點及技術難點探討［J］.中國電子科學研究院學報，2008，3(1):8-13.

CAO Qiusheng，ZHANG Huijun.Characteristics of HALE UAVs in development and discussion of existing technical difficulties［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2008，3(1):8-13.

［12］郭科志.鴨式布局高空長航時無人機系列的概念設計與氣動優(yōu)化［D］.南京:南京航空航天大學，2008:34-35.

GUO Kezhi.Conceptual design and aerodynamic optimization for UAV family with canard configuration［D］.Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2008:34-35.

［13］邱玉鑫，程婭紅，胥家常.淺析高空長航時無人機的氣動研究問題［J］.流體力學實驗與測量，2004，18(3):1-5.

QIU Yuxin，CHENG Yahong，XU Jiachang.A brief discussion of high-altitude long-endurance unmanned aerial vehicle aerodynamic research［J］.Experiments and Measurements in Fluid Mechanics，2004，18(3):1-5.

［14］趙剛，蔡元虎，屠秋野，等.高空長航時無人機用渦扇發(fā)動機技術分析［J］.推進技術，2009，30(2):154-158，181.

ZHAO Gang，CAI Yuanhu，TU Qiuye，et al.Technological analysis for the turbofan engine of high altitude long endurance unmanned aerial vehicle［J］.Journal of Propulsion Technology，2009，30(2):154-158，181.

［15］DUAN Haibin，SHAO Shan，SU Bingwei，et al.New development thoughts on the bio-inspired intelligence based control for unmanned combat aerial vehicle［J］.Science China:Technological Sciences，2010，53(8):2025-2031.

［16］吳海仙，俞文伯，房建成.高空長航時無人機SINS/CNS組合導航系統仿真研究［J］.航空學報，2006，27(12):299-304.

WU Haixian，YU Wenbo，FANG Jiancheng.Simulation of SINS/CNS integrated navigation system used on high altitude and long-flight-time unpiloted aircraft［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2006，27(12):299-304.

［17］周姜濱，袁建平，羅建軍，等.高空長航時無人機導航系統研究［J］.西北工業(yè)大學學報，2008，26(4):463-467.

ZHOU Jiangbin，YUAN Jianping，LUO Jianjun，et al.Navigation system of HALE UAV(high altitude long endurance unmanned aerial vehicle)suitable for China［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2008，26(4):463-467.

［18］林偉廷.高空長航時無人機偵察任務規(guī)劃問題研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2007:87-89.

LIN Weiting.Research on high altitude and long endurance unmanned aerial vehicle reconnaissance mission planning［D］.Changsha:National University of Defense Technology，2007:87-89.