节点临近空间无人机平台

节点临近空间无人机平台技术参数与创新点三面图节点无人系统特点总体布局示意图“节点”-临近空间无人侦察/预警平台是一种新概念的临近空间装备，它将情报、监视、侦察(ISR)功能与远程预警功能集合与一身，以高空长航时(HALE)无人机为平台，能够在临近空间进行超长航时连续飞行的一种新概念装备。

与现有的预警飞机所不同的是：它是一种无人驾驶飞行、临近空间作战、多传感器、多任务的综合平台。

与传统的预警机相比飞行时间更长(能够连续飞行72小时)，采用先进的有源电扫描体制的相控阵雷达，并采用共形天线技术，将雷达天线与蒙皮和机身结构融为一体，能够实现360度全空域、无盲区预警。

与现有的执行情报、监视、侦察任务高空长航时无人机相比它的续航时间更长、任务载荷更多、隐身性能更好，而且兼具预警和ISR双重功能，不仅能够静止目标和运动目标进行有效的侦察、识别、跟踪与监视，还能够对对空中威胁进行有效预警。

在未来的网络中心战和体系对抗的作战环境中，它就像一个空中的传感器网络“节点”，将搜集的情报信息实时地传送给地面指挥官和其他作战平台，实现信息共享，协同作战。

因此，取名“节点”，意味着在未来战争中，它将起到作战部队的“眼睛与耳朵”的关键作用，是整个作战体系信息来源的关键“节点”。

技术参数：设计起飞重量：45t任务载荷：4 t燃油重量：25t翼展：76m机长：20m机高：3.5m巡航马赫数：0.65M飞行高度：2438m最大续航时间：72h下面将对“节点”-临近空间侦察/预警无人机的一系列创新设计进行摘要性介绍，详细描述见论文。

一、独创的总体布局设计与隐身设计“节点”无人机采用双机身、前后串列翼、无垂尾布局。

两机身互相平行，并与互相平行的前、后机翼形成巨大的“口”字，机身截面形状呈菱形。

为了实现360度全空域无盲区预警，“节点”无人机将采用共形相控阵天线技术。

共形相控阵雷达天线由成百上千的独立的收发和辐射单元(T/R组件，一种微型的集成电路板)组成，排成阵列形式，利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描。

它与传统的机械扫描单脉冲体制的天线系统相比省略了整个天线驱动系统，降低了结构重量与机械复杂度；其中个别部件发生故障时，仍保持较高的可靠性；扫描速度快；重要的是可以使用同一天线实现多种功能，如预警与合成孔径成像等。

共形又称保形，是指将天线与蒙皮或机身结构融为一体，蒙皮即天线、天线即蒙皮，即能够承受载荷，成为机体的一部分，也可以作为天线，用于远程预警。

“节点”无人机将天线布置在前后翼的下表面，并于机翼蒙皮融为一体；四块平面相控阵天线布置在机身的四条边上。

四块天线构成巨大的“口”字形，而且天线安装在机身，以及前、后机翼翼中段，这里的结构刚度大，从而最大限度地减小了气动变形对天线的影响，能够更好地发挥天线的性能。

与机翼共形相的控阵天线主要作为预警雷达天线使用，机身下方两侧的天线可以两种模式工作：预警雷达模式和合成孔径雷达模式，因此可执行对空预警和对地雷达三维成像双重任务；机身上方两侧天线为预警雷达对上方全空域的威胁进行预警探测，同时也是卫星通信天线，用于无人机与地面站的远程通信与控制。

从下视图看，机翼机身的天线也组成“口”字形，增加了天线的口径，可实现飞机对下半球空域的360度、全向无盲区探测。

因此“节点”无人机不仅能对低空目标进行预警探测，还能对更高的临近空间飞行器进行有效的预警。

采用共形天线技术以后，天线与机体复杂的三维曲面融合在一起，可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能够实现全空域电扫和全向感知；彻底避免了传统飞机需要硕大的雷达罩和单独为天线安装布置突起物，对飞机气动性能带来的不利影响，同时降低了RCS值，提高了飞机的隐身性能。

机头下方安装有综合传感器吊舱，光电/红外传感器和其他高性能专用传感器安装在里面。

高性能涡轮风扇发动机位于机身上部，从而避免了地面雷达照射发动机叶片产生的巨大回波，因此大大提高了飞机的隐身性能；由于没有垂尾，全机在侧视图上呈扁平状，机身由四块平面按能使飞机在最安全方向飞行的角度简单拼接而成；飞机的所有几何模线边角平行，这样的设计可以将雷达波反射到几个特定得角度上；在强雷达反射的直角部位涂上先进的轻质隐身材料。

这一系列隐身设计可大大减小飞机的RCS值，提高了飞机生存力。

二、崭新的非常规气动布局设计与机翼设计由经典的布雷德盖方程可知，提高飞机续航能力的关键在于提高飞机的升阻比，对于超长航时续航飞行能力节点无人机来说，必须采取一系列增升减阻新技术，努力提高飞机的升阻比。

常规的机翼-尾翼布局的飞机来说，平尾为了配平飞机，通常升力是向下的，从而损失了机翼的部分升力。

节点无人机采用超大展弦比，前后翼串列布局，两个机翼同时产生升力，避免了升力损失，或者可以在同样的升力需求下减小机翼的尺寸，从而降低了阻力。

超大展弦比机翼设计大大降低了诱导阻力，从而提高飞机的升阻比。

这种布局一个先天劣势是前后翼的干扰问题，前翼对后翼气流的阻滞与下洗，导致后翼的可用升力较小，抵消了该布局的气动优势。

NMEC- UAV 将采用一种创造性的解决方案来解决这一问题：在后翼上表面采用弦向吹气增升技术，克服前翼的气流阻滞与下洗影响，从发动机外涵道引出低温高速气流，通过沿主翼中段展向缝状喷口喷出，加速上翼面气流，增加后翼环量，从而克服了气流阻滞与下洗对后翼的不利影响；同时为了减少部件间的相互干扰导致的干扰阻力，“节点”无人机将采用主动干扰控制技术，通过在转折部位，通过吹气主动改变流场状况，降低部件的相互干扰，减小阻力。

为了进一步减小飞机阻力，节点无人机采用主动层流控制技术，人为地增大层流面积，减小摩擦阻力。

为了使飞机在起飞、爬升、巡航、下滑的各个飞行阶段都能获得优异的气动效率，“节点”无人机将采用压电材料和柔性蒙皮制造能够感受气动载荷的变化并主动改变弯度的智能自适应机翼，以使飞机在任何飞行状态下均能达到最佳的气动性能。

压电材料是利用压电效应与逆压电效应研制的新型智能材料。

压电材料呈现压电效应时，在外电场作用下压电体会产生形变，因此可以利用压电材料制造机翼的前后缘，通过控制电压实现对机翼的弯度与形状控制；压电材料在呈现逆压电效应时能够将形变转化为电信号，这时候压电材料就是载荷传感器，实时感知翼面载荷变化，使反馈控制成为可能。

“节点”无人机的自适应机翼的工作原理是这样的：将压电材料填充到机翼的前后缘，前后缘蒙皮采用柔性材料制造，在控制电压的作用下压电材料发生形变，从而改变了机翼剖面形状与翼形弯度，同时压电材料将当地机翼的气动载荷以电信号的形式反馈给机载控制计算机，计算机根据反馈信号修整控制电压，不断修正机翼外形，维持出一个在当前飞行状态下具有最佳气动性能的机翼。

超大展弦比机翼一个最大的技术难点在于气动弹性变性问题。

为了更好地解决这个问题，节点无人机将采用先进的主动气动弹性控制技术，通过主动控制技术改善机翼载荷分布从而抑制或减小气动弹性变性问题。

另外，“节点”无人机的机翼采用复合材料整体成型技术制造，由于复合材料具有各向异性的特点，通过巧妙的复合材料剪裁设计，能够大大增加机翼刚度，减少气动弹的变形。

三、基于自适应机翼的无舵面飞行控制的概念设想在传统的飞机控制系统设计中，人们通过舵面偏转产生不对称的气动力矩作为操纵力矩对飞机的飞行姿态实施操纵。

这种操纵模式必须辅以许多液压或电液驱动舵机和其他配套的相关设备才能进行，而且舵面的安装破坏了连续光滑的机翼，导致很多缝隙从而产生很大的泄漏阻力，同时舵面偏转还将增加飞机的RCS 值，不利于隐身。

随着控制技术的不断进步与自适应机翼的逐渐成熟，这里提出了基于自适应机翼的无舵面飞行控制的概念设想，具体原理是这样的：自适应机翼采用压电材料作为形状变化的驱动材料，当需要对飞机进行操纵时，操纵信号由机载飞行控制计算机发出，并最终转换成控制电压，传递到机翼前后缘的压电材料结构上，压电材料在精心计算的控制电压的作用下发生形变，从而改变机翼的剖面形状，进而产生不对称的操纵力矩，对飞机姿态实施操纵；同时姿态传感器将飞机当前姿态反馈给机载计算机，飞控计算机参照当前飞行姿态对操纵信号进行实时修整直到完成某一飞行操纵为止。

通俗地讲，就是通过协调机翼任意剖面的翼形气动特性，使整个机翼构成一个“虚拟”的气动力控制面。

这时候机翼宛如一个灵动的翅膀，像鸟儿的翅膀一样实时地感受气动力的微妙变化，快速地修正翅膀的角度与姿态，是一种高度智能化的飞行控制模式。

可以想见，在整个飞行控制过程中，作为神经中枢的机载计算机是否具有对海量信息实时处理能力是这种概念操纵模式能否实现的关键。

随着计算机存储容量与计算能力的几何级数式增长，在不远的将来是可以实现的。

这种基于自适应技术的无舵面智能飞行控制方式，颠覆了传统的飞机操纵模式，彻底取消了舵面和相关机械设备，不仅降低了结构重量，减小了飞行阻力，还将提高飞机的隐身特性。

四、基于分子筛氢氧燃料电池新型供电系统概念设想大功率共形相控阵雷达在长时间的工作中要消耗大量能量，不仅如此，传感器、航空电子设备以及其它分系统也需要大量的电能，如果仅仅靠提取发动机的轴功率来满足所有的电力需求显然是远远不够的。

“节点”无人机创造性地采用一种基于氢氧分子筛燃料电池的新型供电系统。

它的工作原理是这样的：沿机身中轴线布置一个圆柱形空腔，机身头部开口，正对来流方向，无人机在平飞时，高空的稀薄的空气被灌入空腔，利用气体的冲压作用，密度增大，压强升高。

在空腔内部均匀地按比例涂上能将空气中的氧气析出的分子筛薄膜，析出的氧气通过管道输送到位于机身中部的燃料电池反应器中与自身携带的液态氢燃料发生化学反应产生电能，并通过导线将电能源源不断地供给相控阵雷达、各种传感器和其它航空电子设备。

这种基于氢氧分子筛的燃料电池，氧气直接取自空气，不需要自带液态氧燃料，是一种可再生能源，因此节省了燃料重量，供电时间也夜可大大延长，十分经济。

这种燃料电池产生的废物是水，对空气无污染。

结构简单，重量轻，因此是一种经济、环保高效的新型机载能源系统。

目前，分子筛制氧技术已经在有人机飞行员的生命保障系统中得到成功应用。

随着材料技术和分子筛析取气体效率的不断提高，在不远的将来，分子筛膜可以做得很薄，直接贴附在圆形空腔的内壁，增加与空气的接触面积，提高氧气的制备效率。

同时高空的低温空气进入机身后，能够带走大量热量，起到很好的冷却作用。