登峰造极的空天无人机

林一平

现代无人机微型化、小型化、中大型化设计已取得许多重大成就，成功拓展了无人机应用领域，并把触角从陆海空延伸到太空，达到了登峰造极的高度，对当今科技进步及未来科学发展均有巨大推进作用。

人类早已尝试研发在大气层之外飞行的空天无人机。如今，美国、俄罗斯、中国、欧盟和日本等国仍在继续从事这项宏伟工程的研究，科技意义重大且产业前景十分看好。

设计与技术

空天无人机可以在大气层内飞行，也可以突破大气层束缚进入空间轨道飞行，这需要诸多条件保证，需要解决气动外形设计、总体布局、结构、材料、动力装置、飞控系统、一体化设计、起飞、着陆等技术难题，重点攻克气动设计、耐热材料、超燃冲压发动机三大技术难关，为空天无人机研制奠定技术基础。

图1 空天无人机系统工程框架图。

气动设计

空天无人机在爬升阶段要经受发动机的冲击、振动及气动力等影响，在返回阶段要经受烧蚀、颤振、抖振、摆振等考验。在这种情况下，防热系统既要保持良好的外形，又要能多次重复使用，其技术难度相当大。空天无人机采用翼身融合、单垂直尾翼或双垂直尾翼等气动布局设计，符合高超声速面积律，适合突破高超声速音障、热障等一系列高速减阻、耐热、降温、散热等严酷关卡，可借鉴航天飞机气动设计经验，减少了研制中的盲目性，并少走一些弯路。

总体设计

图2 空天无人机一体优化设计过程图。

空天无人机通常由翼身融合机体、系统控制舱、设备舱、任务载荷舱、动力舱、燃料舱等组成，围绕目标函数，单/多因素的约束条件进行优化，再经过集成、量化、整合、协调、优化、融合，最终完成具有突出功能的总体设计。这方面前有卫星、飞船研制经验可借鉴，后有航天飞机研制经验可供参考，能极大降低研发风险，更有把握、更快地取得成功。

材料性能

空天无人机需反复使用，每次出入大气层时，其表面都会与空气剧烈摩擦而产生大量热量，特别是以高超声速返回进入大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。机头表面温度约为1800℃，机翼和尾翼前缘表面温度约为1460℃，机身下表面约为980℃，上表面约为760℃。因此，防热系统必须重量轻、性能好、能重复使用，同时对材料性能也提出更高的要求。

空天无人机在飞行时，其机头和机翼前缘的表面温度可达2760℃。原来的氧化硅防热瓦外罩就不再适用，单靠增加防热层厚度来解决问题，将使重量大大增加。因此，要采用一种新型复合材料来代替，并且用于机头、机翼前缘等一些特殊部位，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。即采用新型冷却装置，避免高温烧蚀。

为满足空天无人机的防热要求，研究人员正利用快速固化粉末冶金工艺制造高纯度、轻质耐高温合金。已研制出的高速固化钛硼合金在高温下的强度，已达到钛合金在常温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内部结构件。机头与机翼等温度最高的部件，要求采用碳纤维复合材料，其表面有碳化硅涂层，重量轻，耐高温性能好。此外，还需要研究金属基复合材料，例如碳化硅纤维增强的钛复合材料兼有碳化硅的耐高温性能和钛合金的高强度。

动力装置

固体火箭发动机、液体火箭发动机、涡喷发动机各具特点及适用范围。涡喷发动机仅适合在大气层内使用，不能在空间环境中使用。固体火箭发动机、液体火箭发动机可以在大气层内外使用，但体积较大，重量较重。前者只能一次性使用，且燃料燃烧时间短，推力大小不可控；后者能多次点火，燃烧过程可控，推力大小可调节，但两者经济性均不理想。

当前各国正在研制超燃冲压发动机见图3，其优点是结构简单、重量轻、成本低、单位推力大和适合超高速飞行。与火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂，提高了任务载荷重量，可为高超声速飞行器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机提供动力，其热管理技术，主动冷却和强预冷技术不仅要求运行有效，而且必须工作可靠，达到规定的使用寿命。

图3 超燃冲压发动机结构示意图。

飞控系统

飞行管理与控制系统对空天无人机飞行任务起决定性作用，该系统包含速度、角速率、高度、气压、光流等多种传感器。通过传感器调节PID，增强空天无人机飞行控制的稳定性，由电调控制电机转速改变空天无人机的飞行姿态。

空天无人机的控制指令由系统自动发出。空天无人机的俯仰、滚转和偏航控制，增升和增阻控制、自动配平、直接力控制以及改变空天无人机的构形控制，对空天无人机实施自动或半自动控制。自动驾驶仪、发动机油门的自动控制、结构模态抑制等保证空天无人机的稳定性和操纵性，提高完成任务的效率，增强飞行安全控制性。目前空天无人机飞控系统有遥控飞行、遥控加自动控制、自主控制、智能控制等类型。

图4 空天无人机飞控系统原理框架图。

空天无人机的飞控系统由飞行性能、显示、导航、制导四个组块构成。

（1）性能组块

该组块用于速度计算和姿态限制，确定最佳姿态速度，给出空天无人机各阶段飞行的建议数据。

（2）显示组块

由计算机选择航线、导航点，输出数据到地面控制站电子仪表系统的显示屏上供监控人员实时掌握。

（3）导航组块

导航组块在全程运行中计算位置、速度、姿态、风速等参数。其中导航数据库存储了大量有关空天无人机回返机场和航线数据以供编程时使用。

（4）制导组块

由飞控系统下达操控指令、推控指令给子系统，制导组块在全程运行中计算误差并修正。

一体化设计

空天无人机设计中不仅需要解决平行的单因素技术，而且需要解决气动、结构、材料、动力、控制等一系列交叉、匹配、整合的系统性问题见图5。虽然超燃冲压发动机一体化设计系统复杂，包括气动力一体化、结构设计一体化、燃料供应和冷却系统设计一体化和调节控制设计一体化，但设法把这些局部的气动、结构、供燃、冷却、调控作为一体运筹，予以系统性全面解决，则功能性、紧凑性、轻量化就落实到实处，先进性也就得到体现。在解决空天无人机降温控制方面，若采取主动式冷却防热系统，把机体结构与防热系统、燃料供应和冷却系统一体化集成，即把机体结构设计成夹层式或管道式，先让低温推进剂在夹层内或管道内流动，吸走空气与结构件表面摩擦所生成的热量，达到降温冷却效果，然后再输入发动机供燃烧做功，产生推力，这不失为妙招。

图5 基于一体化设计的空天无人机。

起飞方式

空天无人机起飞方式可选择火箭运载发射、滑跑起飞、飞机载运起飞。

（1）火箭运载发射

空天无人机与运载火箭捆绑为一体，在地面垂直发射升空后与火箭分离，然后加速冲出大气层，进入地球轨道运行。优点是空天无人机能在整流罩内回避起飞阶段的气动加热，顺利突破音障和热障，节省自身携带的推进剂，以最短距发射、最快速度入轨，满足快速发射的需要，缺点是发射费用相当高。

（2）滑跑起飞

空天无人机以滑跑方式离地升空，然后继续加速爬升，直至冲出大气层进入地球轨道运行。优点是单级入轨属于高科技技术的理想起飞方式。缺点是技术要求高，研制难度大，所承担的技术风险大。

（3）飞机载运起飞

空天无人机由大型飞机搭载并位于其上方，飞机不断加速爬升，抵达指定高度后，空天无人机与飞机分离，飞机返回机场，空天无人机自行启动飞行，继续加速爬升，直至冲出大气层进入地球轨道运行。优点是降低研制难度，减少技术风险。缺点是会增加管理、维护工作量。

着陆方式

空天无人机可根据技术要求选择滑翔着陆、伞降返回、机动着陆方式，并在设计时固化。

（1）滑翔着陆

空天无人机结束在轨任务后再入大气层，采取滑翔方式着陆。优点是不必携带动力装置，着陆时重量轻。缺点是一旦着陆失败，风险增大。

图6 大型飞机载运空天无人机起飞。

（2）伞降返回

空天无人机结束在轨任务后再入大气层，采取伞降返回方式降落地面时，在末端打开降落伞，减速着陆。优点是技术成熟，可靠。缺点是不适宜大中型空天无人机。

（3）机动着陆

空天无人机结束在轨任务后再入大气层，采取机动着陆方式。其优点是机动性好，选择性强。缺点是技术复杂，需自行携带燃料，会增加着陆重量。

作为一种可重复使用的飞行器，空天无人机具备极强的再入大气层与自主飞行能力，能够在亚轨道与近地轨道之间切换飞行模式。亚轨道空间的大气密度高，与近地轨道的环境截然不同，因此要求其防热能力更强。

从能量综合优化方向进行空天无人机设计见图7，可从源头解决整机节能的核心难题。首先需要摸清全机的能量分布，再做好全机的能量分配，然后落实全机的能量使用。在使用过程中发现问题，找到薄弱环节，再进行补救、协调和改进，促成全机能量的科学转化，使之更合理，达到更高效。其中的关键环节是，超燃冲压动力热管理、鲁棒电力系统REPS（REPS系指强健的无人机机载电力能量优化与综合热管理系统）和基于模型的设计技术等。

图7 空天无人机能量综合优化设计框架图。

远景展望

空天无人机用途十分广泛，例如能搭载人员在太空开展大量科学实验和空间研究，将人造卫星从地面带到太空并释放，回收在太空失效或毁坏的航天器如低轨道卫星，修改好后再投入使用，甚至可以把新研制的空间实验室装进舱内，开展各项科研工作。

未来，人类航天任务异常繁重，空天无人机将承担卫星发射/回收、太空客货运输、空间站建设、太空旅游、太空冶金、太空制药、太空医疗、太空探索等任务。

卫星发射/回收

图10 往返地球与太空的客运空天无人机。

空天无人机能够一次搭载多颗人造卫星在轨释放，回收在轨毁坏和失效的卫星，帮助清理轨道碎片，保持太空环境清洁及安全。

太空客货运输

空天无人机作为在地球与太空之间的往返运载工具，可开通定期、定点、定时航班供物流和人员来往见图8。

图8 空天无人机提供客货运输。

空间站建设

空天无人机可运载物资/人员到空间轨道参加空间站扩建、改建和修建等工作见图9。

图9 空天无人机运送人员参加空间站建设。

洲际客运

空天无人机能够在全球范围内提供跨洲际客运，地球上任何两个城市间的直达航班飞行时间都不超过2h。美国设计的一种洲际空天客机，可容纳乘客305人，在32km的高度以Ma5飞行速度飞行12000km航程。

太空旅游

在前期，旅客可乘坐空天无人机前往近地轨道观光、空间站参观；中期可组团到月球观光；远期可组队去火星等其他星球观光旅游。

太空冶金

企业利用空天无人机失重条件和真空环境，开展在轨冶炼特种合金、冶炼单晶材料等，进一步提高产品质量。

太空制药

药企在空天无人机提供的失重条件和真空环境下，进行在轨制药和提纯药物，批量生产，造福人类。

太空医疗

医务人员在空天无人机失重条件和真空环境中，对一些患者的疑难杂症进行特殊治疗。

太空探索

科研人员在空天无人机失重条件和真空环境中，开展科学研究和太空探索。■