“秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器

“秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器 “秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器。 “秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器。 “秃鹫”临近空间超高航时无人飞行器。 一、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。其显著特点包括： 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