“秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器

　　设计背景
　　
　　临近空间是指高于普通航空器飞行空间，而低于轨道飞行器运行空间的区域。国际上一般将距地面20-100 千米的空域视为临近空间。其显着特点包括：空气相对稀薄；环境压力低；环境温度变化复杂；臭氧和太阳辐射强；20-40 千米区域平均风速最小。临近空间飞行器的应用前景十分广阔。
　　
　　随着航空航天技术的飞速发展，临近空间特有的战略意义日益凸显，对临近空间的开发和应用正成为各航空航天大国关注的热点。平流层太阳能无人机、平流层飞艇、亚轨道飞行器等都是目前各航空航天发达国家开发临近空间飞行器的重点研究项目。临近空间飞行器在应用上也拥有不同于一般飞机和卫星的独特优点，主要表现在以下几个方面：
　　
　　（1）飞行高度适中。临近空间飞行器由于飞行高度介于飞机和卫星之间，因此在对地观测分辨率、电子对抗效果等方面优于卫星， 而在通信服务覆盖范围、侦察视场范围等方面优于飞机。
　　
　　（2）部署速度快、机动能力强。卫星的发射准备周期长、约40 天，机动变轨次数有限；低动态临近空间飞行器结构简单、可大量部署，准备时间往往不超过一天，实时使用性好，威慑作用大。
　　
　　（3）临近空间飞行器采用全复合材料，没有大尺寸高温作部件，具有低可探测性，而且的飞行高度较高，目前世界上尚缺乏有效对抗临近空间飞行器的武器，生存能力强。
　　
　　（4）临近空间飞行器在战场信息控制和快速远程精确打击等方面具有很强的威慑作用。可实现局部区域快速响应和持久部署。一些低速临近空间飞行器所处区域气流稳定，平均风速较小，可实现红外凝视的监视、侦察。在局部区域的时间分辨率方面，是卫星和飞机所不能比拟的。
　　
　　（5）载荷能力强，效费比高。临近空间飞行器可作为卫星廉价的替代品，用于中继通信和作为侦测敌人的手段。临近空间飞行器的制造和使用费用远低于卫星。飞行平台的载荷能力大，飞行器可返回，可重复使用，载荷可维修，可更换。
　　
　　但是，临近空间特有的环境特征却使临近空间飞行器的研制具有相当的技术难度。常规升力型飞行器会因临近空间大气稀薄，无法获得足够气动升力而难以飞行，而卫星则在达到临近空间后因大气的耗散作用，速度迅速衰减导致陨落。因此，临近空间环境的复杂性造成临近空间飞行器研制的高技术难度。
　　
　　这次，我参赛的作品就是一款集先进技术于一身的亚卫星滞空飞行系统——“XR-0 秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器。
　　
　　二、技术背景
　　
　　“XR-0 秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器是一型为进行高空侦察、战场监视、通信中继、引导指挥以及一系列高空实验而设计的理想的空中平台，其在保证技术的可行性与可靠性的同时，依靠对未来若干年相关技术发展动向的初步了解，进行有根据的技术创新，满足本概念飞行器所需要的技术超前性和创新性，为全面提升本概念飞行器的相关技术性能奠定了基础。
　　
　　“XR-0 秃鹫”概念飞行器为达到理想的设计要求，主要要依托于较为先进、成熟的等离子产生及控制技术、行波共振发动机技术、复合材料技术、变形蜂窝结构技术、结构总体优化技术、智能自动控制技术、高效能太阳能电池板技术、高功重比电池技术等。
　　
　　三、作品简介
　　
　　“XR-0 秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器采用大展弦比飞翼+斜拉翼式布局，飞机牵引滑翔起飞和直升机低空空中捕捉降落的起降方式。
　　
　　全机采用全复合材料以减轻全机结构重量；并运用等离子气流对机翼附面层进行加速，以进一步提高全机升阻比；动力系统采用拉进式推进系统，以电能为主要能源，选用8台全新设计的行波共振电动机作为主发动机，配合大直径、低速、高效率螺旋桨；控制系统采用无缝舵面技术和外段机翼刚度变形控制技术，在机翼全展长（除去外翼段）后缘布置等离子体激励器，配合后缘使用的变形蜂窝结构，对机翼后缘气流进行流动控制，起到副翼和襟翼的作用，外段翼采用全可控变形材料，通过自动控制系统进行弯度、扭转变形，对全机姿态进行控制；为达到超高航时（4个月以上）的设计要求，全机在机翼中段铺设高效能太阳能电池板，通过对太阳能的吸收，对全飞行系统的能量进行补充，同时考虑到太阳照射角度和夜晚的影响，飞行器利用临近空间中的臭氧与自身携带的氢气组成 “O3-H2”燃料电池，为全系统补充能量输入与输出间的差额能量。
　　
　　“XR-0 秃鹫”技术数据：
　　
　　主翼翼展（不含外段控制机翼）：52m；
　　
　　主翼翼展（含外段控制机翼）：60m；
　　
　　主翼展弦比：30；
　　
　　斜拉翼翼展：24m；
　　
　　机长：6m；
　　
　　机高：1m；
　　
　　正常起飞重量：700kg；
　　
　　有效载荷重量：80kg；
　　
　　安装8台新型“行波共振电动机”，配合大直径、低速、高效率共轴反转螺旋桨；
　　
　　最大飞行速度：140m/s；
　　
　　正常巡航速度：80m/s；
　　
　　航时：120天以上（视任务而定）；
　　
　　巡航高度：25km；
　　
　　最大升限：35km；
　　
　　“XR-0 秃鹫”三视图
　　
　　四、全机设计思想
　　
　　“XR-0 秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器为实现超大航时、临近空间飞行的设计任务，其升阻比是主要的设计关键，全飞行系统的能量的平衡是主要的设计难题。为了解决以上两个问题，本次设计中充分使用了多种创新技术并对其进行有效整合。
　　
　　为提高飞行器的升组比，重点要实现“增升降阻”。由于“XR-0 秃鹫”的飞行速度较慢（相对高速临近空间飞行器）、机翼前缘后掠角非常小，故不利于可控非定常涡的产生和利用，很难使用漩涡空气动力学的手段进行增升降阻，所以便考虑采用层流控制的手段进行设计，通过对现有技术手段的了解和发展创新性的思考，决定采用等离子体附着机翼的方法来增生降阻。
　　
　　但是等离子体的引入，无疑更加恶化了全机输出-输入能量的平衡问题。为解决这一个问题，需要努力减轻飞机结构重量的比例（斜拉翼的使用）和飞行控制系统重量的比例（可控变形蜂窝结构和外段可变形机翼的使用），同时采用更高功重比的新技术能量系统（质子交换膜燃料电池和“O3-H2”燃料电池的使用）和更高效的推进装置（低速、大扭矩“行波共振”电动机的使用），以满足本飞行器的设计要求。
　　
　　五、主要性能、技术创新点介绍
　　
　　飞行阻力控制系统：
　　
　　减小飞机飞行阻力的一种有效方法就是有效的对层流进行控制。本设计中，采用等离子气体吹拂翼面的方法。在主翼面前缘保型舱内安装“射频耦合等离子体（ICP）源”，利用ICP工作气压低、等离子体密度高、外界参量控制和装置简单的优点，为主翼面产生相应的等离子气体，并在来流的带动下沿弦向向后缘流动，形成等离子体对主翼面的包裹。运用等离子体减阻的基本原理（利用等离子体与飞机绕流的相互作用，改变飞机周围的流场结构（波系结构和边界层结构状态），迫使飞机的气动特性和物理特性发生改变，从而提高飞机的气动性能。）对飞行器主翼面进行减阻，从而配合飞行器大展弦比获得更大的全机升阻比。同时等离子气体的使用也可以为“XR-0 秃鹫”提供较好的隐身性能，提高了飞机的战场生存性。
　　
　　并且在机翼主翼面靠近后缘处安装“介质阻挡放电等离子体激励器”，产生的表面等离子体层在气动边界层内产生一种静电彻体力，改变边界层的速度型，减少气流分离程度，防止机翼后缘产生湍流涡系和涡脱落，从而实现控制边界层的目的；即使在没有分离的情况下，对流动人有控制作用，能使升力线向上平移，起到类似襟翼的作用。起到降低了边界层内气流的粘性系数，改变了飞机的气动阻力。
　　
　　主翼上表面系统布置说明图
　　
　　结构刚度加强组件：
　　
　　为满足大展弦比飞翼结构的需要，“XR-0 秃鹫”采用与飞翼配合设计的斜拉翼的布局，即在机翼下方安装支撑梁的特殊的机翼结构布局型式。采用斜拉翼布局的飞机通过支撑梁的卸载作用，能够有效的减小机翼的弯曲变形，缓和机翼的根部受载。根据斜拉翼设计的要求进行设计的斜拉翼还拥有减轻结构重量，增加升阻比，减小耗油率的优势。
　　
　　斜拉翼自身采用蜂窝式整体复合材料结构，同时为能源系统中使用的压缩氢气提供承压储备空间，实现一个部件多个功能的要求。
　　
　　推进系统：
　　
　　“XR-0 秃鹫”的推进系统采用由八套推进器组成的翼吊布局。
　　
　　推进器发动机采用新型“行波共振电动机”。根据超声电机的基本原理，基于压电效应和超声振动的一种新型柱面驱动电机。使用这种柱面结构增大定转子之间的接触面积，不同于以往圆板或圆环行波超声电机的定转子间在以波峰为中心的球形区域接触，而是采用以圆柱母线为中心的矩形区域接触，从而进一步提高了电机的转矩。使发动机具有力矩／质量比大、结构紧凑、低速大扭矩、响应快、电磁兼容性和控制性能好、效率高等突出优点。其中扭矩大的特点可以方便带动大直径的共轴反转螺旋桨，而低电磁性的特点又可以防止对等离子发生器和有效载荷设备的干扰。
　　
　　螺旋桨及调速系统采用共轴反转螺旋桨，配合桨距可调器，使推进器的拉力可根据飞行需要进行调节。
　　
　　推进系统示意图
　　
　　能源系统：
　　
　　“XR-0 秃鹫”为达到设计要求的超大航时，采用可控能量系统，其又可分为循环能量系统和储备能量系统。
　　
　　循环能量系统由太阳能电池板和质子交换膜燃料电池组组成。通过白天太阳的照射吸收并向质子交换膜燃料电池组内储存能源，供给飞行器白天和夜晚的飞行使用。质子交换膜燃料电池具有比功率高、单位面积功率高、产物安全无污染等一系列的优点，适合本飞行器的使用要求。
　　
　　储备能量系统采用“O3-H2”间的氧化还原反应产生电能。其中氢气由地面压缩后储存在斜拉翼的蜂窝承压结构中，而臭氧直接由飞行高度上的臭氧层提供。根据臭氧可以在水中电离出氧化性极强的初生态氧原子的原理，使O3、H2二者在一定的反应平台上进行氧化还原反应，而反应的催化剂——水又恰恰是质子交换膜燃料电池放电阶段的产物，可以直接由循环能量系统提供。
　　
　　飞行器系统的主要能源循环能量系统提供，而系统输出能量和系统输入能量之间的差额能量则有储备能量系统提供。也就是说，在减少飞行器日常飞行的能量输出的情况（高速变航线飞行、快速机动飞行等）下，飞行器的航时还可以进一步的提高。而全机的能量分配供应则统一由智能管理系统调节管理。
　　
　　循环能量系统能源分配示意图
　　
　　后缘变形蜂窝结构：
　　
　　“XR-0 秃鹫”主翼采用复合结构。前缘使用双梁式结构，利用机翼上表面布置太阳能电池板，利用机翼内部结构布置能源系统及飞行控制系统；后缘使用“可控变形智能材料+变形蜂窝”结构，即在可以进行平面变形的蜂窝结构中增加智能变形材料，通过电流对智能变性材料的刺激，带同蜂窝结构进行相应的变形，在宏观上形成机翼后缘的向后向下或者向后向上伸展，成为“无缝舵面”。
　　
　　充分利用蜂窝机构的受力特点（垂直蜂窝面承力能力很强）与智能材料配合使用，形成“无缝多面”，改善机翼气动力的分布，减小阻力，减轻系统和结构重量。
　　
　　外段翼变形结构：
　　
　　外段翼使用与主翼面后缘相似的结构以实现可控变形。
　　
　　由于外段翼翼展较小，可以实现外段翼全可控变形，通过自动控制系统对外段翼进行弯度、扭转变形，对全机姿态进行主动控制，从而满足全机放宽静稳定的要求，解决机身较短而造成的全机纵向稳定裕度过小的问题。
　　
　　同时外段翼翼尖采用仿生设计的翼尖小翼设计，减小气流绕流而形成的诱导阻力。

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