太阳能无人机“西风”发展和性能及作战评估解析

随着关键技术的不断成熟和续航时间的持续增加，“西风”无人机一直保持着太阳能飞行的领先地位，即将接受英国国防部的作战概念验证，有望在安全领域和未来战场上承担多种任务。

长期以来，多个国家在无人驾驶飞行器领域进行过数次大胆尝试，力求实现不间断的长航时飞行，但是一直停留在研制和测试阶段。随着太阳能无人机技术的不断发展，现由空客公司制造的“西风”（Zephry）无人机在十多年时间里先后突破了多项关键技术，已完成了多轮飞行试验，显示出潜在的作战效能。目前，空客公司已经收到了英国国防部的订单，将在今年年底开始对首批两架“西风”S无人机进行作战测试和性能评估，同时已经着手发展更大型的“西风”T无人机，以满足潜在用户的使用需求。

“西风”S无人机。

“西风”的发展历程与关键性能

早在2003年，英国国防部下属的奎奈蒂克公司（QinetiQ）启动了“西风”计划，先后研制了多架原型机，不断提升尺寸和性能，在澳大利亚、欧洲和美国等地进行了试飞。2010年7月9日，“西风”7太阳能无人机在美国亚利桑那州的一个试验场上空连续飞行超过了14天，时间超过336h，最大飞行高度达到21562m，创造了无人机不间断飞行时间的新纪录。

研制人员正在准备“西风”7无人机的试飞。

正是看到了“西风”无人机的潜在能力，空客集团防务与空间公司在2013年3月收购了“西风”项目，开始优化现有设计，并着手设计一种更大尺寸的平台，准备将其作为高空伪卫星（HAPS）概念的飞行器。针对HAPS，空客公司已经将遥感和类似卫星的通信应用确定为该计划感兴趣的领域，准备将一些任务载荷集成到“西风”无人机上。

空客公司看好HAPS能够像卫星一样提供全球覆盖和长期运行，同时提供了典型的燃油无人机或载人飞机所具有的重点关注局域事态的能力。所有这些都是以非常低的成本实现的，例如，空客公司预计，当生产率和运营需求达到确定水平时，飞行器的成本约为100万美元，每飞行小时的运行成本低至100美元。无疑，“西风”无人机的任务能力与相对低的费用将重塑无人机后勤操作。

空客公司正在测试“西风”无人机的结构强度。

尽管HAPS平台很轻，载荷能力较弱，但空客公司认为HAPS可以实现卫星的一些功能，HAPS的飞行高度为20km，而相同功能的卫星运行高度为600km，因此HAPS在携带1kg的任务载荷的情况下，相当于低地球轨道卫星携带1t的任务载荷。

多种技术挑战

从设计上看，“西风”7无人机是一种翼展达16m但重量只有27kg的轻型太阳能无人机，采用了拱形翼尖小翼，在翼尖处设计了一种弯折装置，以增强气动性能。覆盖在机翼上部的太阳能电池组在白天为飞机提供动力，同时将能量储存在可充电的电池组内，以便在夜晚继续提供充足的动力。该机的设计目标是实现在15240m以上高度连续飞行数月时间。

“西风”S无人机采用了单梁T型尾翼。

“西风”无人机在飞行中也存在着技术和环境挑战。例如，太阳能飞机在平流层中飞行，需要重量非常轻并具有非常高效的设计而且它也必须具有良好的坚固性和耐用性，以便在较高飞行高度的极低温度下正常工作，并且能在通向工作空域的6h飞行过程中，顺利通过所遇到的湍流。

太阳能飞机当前存在的最大限制之一是夜间需要使用电池作为电源，并且由于电源功率要求而限制了飞行的纬度。例如，在过于偏北或偏南的地方，太阳光的照射强度较弱，无法满足电池充电的需求。但是，“西风”无人机目前已证实可以运行在更高的高度与更高的纬度，这是它与其他太阳能飞机的显著区别。

“西风”S无人机可以承担通信中继和ISR等任务。

为了高效地飞行，并提供可持续的通信服务，高空太阳能飞机必须保持在地球高空的大气急流（Jet Stream）（13716～15240m）之上飞行，并避开这一高度及以下的潜在湍流。如果一架太阳能飞机无法维持飞行剖面，即在夜晚期间不能保持在必要的高度（如由于电池电量不足），它将不得不下降到对流层顶（对流层和平流层交界处），那样将可能遇到湍流，无法高效飞行和提供作战能力。由于“西风”无人机将能够在急流之上运行，其速度将超过风速，因此它能够停留在站位或转移到作战区域。

“西风”无人机的设计者之一保罗·布鲁克斯指出，尽管进行太阳能飞行且达到高空并不是特别困难，但长航时飞行的主要挑战在于如何维持飞行高度并在夜间正常飞行。所以选择在赤道附近飞行是一个更好的建议。因为赤道上太阳的辐射强度更大，而且大气急流造成的影响较小，这样无人机便可以在较低的高度和较慢的速度下飞行。

优化S型结构

针对“西风”计划，空客公司制定了一个提高载荷能力的路线图，在制造“西风”8无人机的基础上，将设计和制造新一代太阳能无人机“西风”S（Zephyr S）无人机，“S”代表了它采用了单梁尾翼。这架正在制造的无人机将交付给英国国防部。目前研制人员已开始着手测试无人机通信设备和光电传感器，并利用此前制造卫星的技术和经验减少机载关键设备的体积和重量。

“西风”S无人机的碳纤维机身设计采用了支撑机翼的杆式机身形式和T形尾翼部件，机头设计有载荷舱。该机只采用了方向舵和升降舵，没有采用柔性机翼和扰流板等复杂的控制元件。机翼和水平尾翼的上表面覆盖着太阳能电池，每个机翼内侧部分的前缘上都装有一个电力推进装置。“西风”没有安装起落架，依靠人工手持辅助起飞，借助机身着陆。

与“西风”7无人机相比，“西风”S无人机在续航能力方面是前者的两倍。根据目前的配置，“西风”S无人机的翼展25m（“西风”7的翼展为22.5m），可以实现至少30天的续航飞行，总重量62kg，其中大约一半为电池重量，有效载荷为5kg。最新配置的“西风”S无人机比其前身减重约30％，可以承载1.5倍重量的电池，绝热层的重量也减少了20％。目前，该机已经实现轻量化，同时保持了机身的强度和完整性，在实验室内，“西风”S无人机完成了2.5g载荷的测试。

“西风”S无人机性能提升的关键是电源技术。该机安装了微连设备公司（MicroLink Devices）基于多连接可拆卸的外延式太阳能电池板，采用了基于砷化镓的技术，每千克重量能产生1500W的能量，可以提供28%的转换效率。

“西风”无人机将太阳能电池板与机身融合是一个关键设计。由于其结构非常轻薄，完成这样的设计绝非易事，因此该机采用了聚酯薄膜。目前看来，“西风”无人机所使用的太阳能电池技术已经足够先进，可以支持当前和未来在40°纬度上实现全年飞行的性能要求。

“西风”无人机在飞行高度使用红外传感器的一个优势是环境温度非常低，通常为零下83℃。

验证“西风”T型无人机

与此同时，空客公司也认识到了有些任务需求是西风”S无人机无法满足的，于是开始着手研发一种尺寸更大的“西风”T无人机，其中的“T”指的是双T形尾翼构型。该机的翼展为33m，最大重量高达140kg，可以携带20kg任务载荷。新型号将沿用“西风”S无人机的机身结构、航空电子设备、软件和其他系统，并采用了相同的电源系统。

“西风”T无人机的大展弦比机翼在中央位置设计有一个任务载荷“吊舱”，在两侧分别设计有尾撑，尾撑前端容纳了牵引式推进装置，末端分别安装有不相连的两个T形尾翼。目前，空客公司已经完成了“西风”T缩比尺寸验证机的初次飞行试验，预计在2018年将制造全尺寸原型机，并进行首次试飞，初步计划在2019年投入使用。

“西风”T无人机预计提供的附加功能包括宽带通信和情报搜集、监视与侦察(ISR)，其中可能包括为其配备合成孔径雷达(SAR)或激光雷达。许多任务载荷和作战想定已经在“西风”平台上进行了试验，包括遥感、光电/红外、通信中继和信号监测传感器。

目前，典型的无人机光电/红外设备已经集成到无人机上，包括一个双轴平衡i2Tech UlS设备，只需要不到20W的功率就能在19812m的距离下提供50 cm的分辨率，并具有35倍的光学变焦。按照设计，“西风”T无人机采用光电设备和中波红外摄像机可以实现50cm的分辨率，采用定制的轻型光电/红外设备可以实现18cm的分辨率。空客公司希望，通过为光学和红外摄像机配备实时高清或4K视频实现15cm的分辨率。

2013年，“西风”无人机在美国进行的试验中，曾经将战场手持式战术无线电设备搭载至高空，实现了644km距离的有效传输。

为了支持数据和图像的实时传输，“西风”无人机还配备有一个S波段的数据链路，在200km范围内将数据传输到一个直径1.2m的抛物面天线时，传输速度可以达到10Mb/s。如果天线尺寸更大，下载速度可以达到100Mb/s。

准备作战评估

“西风”系列无人机的一个主要优势是具备提供中继高带宽应用的能力，潜在的民用价值包括大气与环境数据采集、地图与摄像、灾区通信中继和火灾监视。早在2010年，“西风”无人机在英国国防部资助的为期两周飞行试验中，搭载了由奎奈蒂克公司研制的一种军用通信载荷。在其他飞行试验中，该机搭载了照相机和通信中继载荷。在此基础上，空客公司针对军事和安全领域的使用需求，为“西风”无人机发展了许多潜在的作战概念(CONOPS)。

目前，英国国防部已经订购了3架“西风”S无人机，合同总金额达到了1300万英镑。这些无人机将成为作战概念验证的一部分，用于评估“西风”无人机承担英国军方和其他政府部门任务的性能与潜力。这样，英国国防部能同时测试两架“西风”S无人机，并验证运行交接能力，以表明这种高空长航时能力可以无限期地保持下去。作战概念验证将于今年晚些时候进行，预计持续3个月。其后，这些无人机将立即交付给英国国防部。空客公司将在作战概念验证中负责操作和控制这些飞机。

在作战概念验证期间，英国国防部将测试一种数据链，可以通过3G蜂窝数据系统以及4G系统传输实时图像和视频。2015年12月，罗克迈诺研究公司（Roke Manor Research）收到英国国防部授予的一份合同，负责研制在高空长航时无人机上使用的数据链，可以与50km外的基站保持通信。当时，该项目方案预计使用现成的商用3G硬件，结合定制的自适应波束成形技术，通过将信号引导到特定的蜂窝基础设施或军事基站实现从高空传输数据。

罗克迈诺研究公司表示，该方案将利用其“智能链”（Smartlink）系统，并规划5～10Mb/s的吞吐量，加以与民用及军事基站的配合能力。这一能力归功于无人机的机载数据转换性能：无人机上的处理单元下载并转换军事频段中用于基本频段处理的信号，然后将其转换并上传至民用频段，从而进入标准民用蜂窝调制解调器。设计人员已经考虑了包括抗干扰能力在内的军用特性。

根据发展规划，英国国防部希望组建一支由“西风”无人机组成的中队，在战场前线和自然灾害地区的上空执行侦察任务，并提供通信中继。