高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)工作環(huán)境特性

李德勇，甘建，甘學(xué)東，張慶茂

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610091）

1 高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)

長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)有“大氣層人造衛(wèi)星”之稱，可執(zhí)行巡邏搜救、情報(bào)偵察、軍事打擊等多項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)規(guī)避了衛(wèi)星易被氣候干擾的缺點(diǎn)，在性能上具有無可替代的優(yōu)勢(shì)，位列國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[1]。目前，世界上正在進(jìn)行無人機(jī)研發(fā)的國(guó)家有40多個(gè)，我國(guó)自20世紀(jì)60年代踏入無人機(jī)領(lǐng)域以來，雖然已經(jīng)具備了自主研發(fā)能力，但在性能指標(biāo)上仍然不及美國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家。

高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)一般具有很大的展弦比和較大的機(jī)翼面積，其中具有代表性的有美國(guó)的“全球觀察者”、“全球鷹”、“復(fù)仇者”等，英國(guó)的“螳螂”和“西風(fēng)”系列等，以及中國(guó)的“翔龍”、“翼龍”無人機(jī)[2]等。各國(guó)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間和升限如圖1所示。高空大氣環(huán)境和太陽輻射直接影響無人機(jī)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高空大氣環(huán)境包括：溫度、濕度以及大氣對(duì)流等。溫度、濕度以及太陽輻射影響無人機(jī)結(jié)構(gòu)選材，直接決定材料的使用環(huán)境、耐溫耐濕性能以及腐蝕環(huán)境等。大氣對(duì)流影響無人機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，無人機(jī)初步氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其所處的飛行高度帶來的影響因素。建立和完善相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于我國(guó)高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的設(shè)計(jì)具有重大意義[3]。

1.1 美國(guó)“全球鷹”無人機(jī)

“全球鷹”無人機(jī)系統(tǒng)是目前世界上技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用最成熟的高空長(zhǎng)航時(shí)無人偵察機(jī)系統(tǒng)?！叭蝥棥笔怯芍Z斯洛普 格魯門生產(chǎn)制造的無人飛機(jī)（如圖2所示），其巡航高度可達(dá)19 800 m，可以在5500 km外的目標(biāo)區(qū)滯空24 h，實(shí)行全天候的偵察任務(wù)。為了滿足這樣的性能指標(biāo)，飛機(jī)起飛質(zhì)量達(dá)到了11 635 kg，其中燃料約6600 kg，載油系數(shù)相當(dāng)高。飛機(jī)采用大展弦比的直機(jī)翼（翼展達(dá)35.4 m），為了兼顧低可探測(cè)性的要求，飛機(jī)采用了V型尾翼和背負(fù)式進(jìn)氣道[4]。

圖2 “全球鷹”無人機(jī)

1.2 英國(guó)“螳螂”無人機(jī)

“螳螂”無人機(jī)項(xiàng)目主要由英國(guó)宇航系統(tǒng)公司、通用航空公司、梅潔特公司、勞斯萊斯公司和賽萊克斯伽利略公司等聯(lián)合研制的，如圖3所示。其機(jī)身長(zhǎng)約19.8 m，翼展21.34 m，具有大展弦比平直機(jī)翼和T型尾翼，2009年10月首次試飛，執(zhí)行任務(wù)時(shí)預(yù)期主要在18 km以上的高空飛行，續(xù)航時(shí)間為30 h。螳螂的所有設(shè)備都安裝在機(jī)體內(nèi)，隱形能力極強(qiáng)，其研發(fā)重點(diǎn)被放在了情報(bào)、監(jiān)視、偵察和軍事打擊等方面[5]。

圖3 “螳螂”無人機(jī)

2 高空環(huán)境特性

2.1 環(huán)境參數(shù)計(jì)算

長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)多采用復(fù)合材料，質(zhì)量輕，力學(xué)性能和抗疲勞性能好，但考慮到其特殊的工作環(huán)境，在應(yīng)用中仍存在一些不足。包括環(huán)境濕度變化引起的材料吸濕膨脹、溫度變化引起的界面結(jié)合力下降、以及輻射作用下材料分解失效等[6]。因此，對(duì)濕度、溫度、輻照等無人機(jī)工作的環(huán)境特性進(jìn)行綜合分析，對(duì)于考核機(jī)體復(fù)合材料的性能是很有必要的。

標(biāo)準(zhǔn)大氣模型是校準(zhǔn)飛行儀表和分析飛行器性能的基礎(chǔ)，模型假設(shè)大氣層中各種成分均勻混合，同一高度的大氣分子濃度和大氣層密度相同，并忽略地區(qū)性、晝行性、季節(jié)性的波動(dòng)和緯度的影響[7]。由此可得到部分參數(shù)的垂直分布經(jīng)驗(yàn)公式[8]：

式中：T(z)為大氣溫度，K；z為海拔高度，km。

式中：P(z)為大氣壓力，Pa；P0為海平面大氣壓力，P0=1.013×105Pa；P11為海拔11 km處的大氣壓力，P11=22631.8 Pa；m為空氣平均分子質(zhì)量，m=28.97 g/mol；R為氣體常數(shù)，R=8.3144 J/(K·mol)；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；a=0.06 K/km。

式中：,hSφ為天頂角φ、海拔高度h處的太陽輻射強(qiáng)度；S0為太陽常數(shù)，取S0=1353 W/m2；f為距離修正系數(shù)，與日地距離有關(guān)，計(jì)算中取1；C為波長(zhǎng)影響吸收系數(shù)；D(h)為海拔高度影響吸收系數(shù)，D(h)=ρh/ρ0。其中，太陽輻射的計(jì)算采用曾理[9]論文中的方法，利用大氣透明度確定波長(zhǎng)影響吸收系數(shù)C。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在全國(guó)范圍內(nèi)選出涵蓋沿海、高原、沙漠、平原等多種地形地貌，海拔高度各不相同，且跨越多個(gè)氣候區(qū)的五個(gè)地區(qū)——新疆庫車、西藏拉薩、陜西西安、貴州貴陽、海南海口。對(duì)大氣和輻射環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研，以獲取具有代表性的典型地面-高空環(huán)境特點(diǎn)分析結(jié)果。

通過計(jì)算可知，70、50 hPa對(duì)應(yīng)海拔高度分別為18.438、20.570 km，對(duì)應(yīng)溫度分別為-56.50、-55.93 ℃。檢索氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）可以獲得某地區(qū)地面濕度和輻射、溫度、等壓面位勢(shì)高度等氣象數(shù)據(jù)，分別就各選定地區(qū)的地面、70、50 hPa高空數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)于資料不完整的年份不作統(tǒng)計(jì)，由于站址遷移、人工觀測(cè)、儀器觀測(cè)以及儀器本身質(zhì)量問題引起的誤差均未得到處理。對(duì)于沒有設(shè)立氣象觀測(cè)站的地區(qū)，就近選用其他站點(diǎn)數(shù)據(jù)替代。若忽略觀測(cè)站點(diǎn)與選定地區(qū)之間經(jīng)緯度和海拔高度的差異，可近似用其代替選定站點(diǎn)的環(huán)境特性。

五個(gè)地區(qū)月平均溫度在一年中均先增后減，月平均溫度在7月份左右達(dá)到最高值，1月份左右最低，如圖1所示。庫車、西安和貴陽地區(qū)月平均氣溫最高值均在25 ℃左右，而最低值略有差異，西安最低氣溫在0 ℃左右，庫車可達(dá)到-7 ℃，而貴陽月平均氣溫始終不低于5 ℃。拉薩和?？趦傻貧鉁刈兓^為和緩，拉薩月平均氣溫最高不超過14 ℃，最低約-3 ℃，而海口最低氣溫都在15 ℃以上，一年中月均值最大僅相差10 ℃左右。

圖4 五個(gè)地區(qū)地面平均氣溫

相對(duì)濕度變化趨勢(shì)則呈現(xiàn)出明顯差異（如圖5所示），貴陽、海口兩地始終維持在較高水平，一年中變化不明顯，?？谙鄬?duì)濕度年均值約83%，貴陽約77%。庫車相對(duì)濕度在12月份達(dá)到最高值72%，隨后從1月份開始幾乎呈直線型下降，下降速率較快，4月份達(dá)到最低值38%，之后再逐步上升。拉薩的相對(duì)濕度在冬季相對(duì)穩(wěn)定，且維持在30%左右的較低值，但3—7月份驟升，在8月份達(dá)到最高值69%，隨后9—11月驟降，4月份達(dá)到最低值24%。西安相對(duì)濕度則在冬季和春季一直維持在較穩(wěn)定的狀態(tài)，在65%左右波動(dòng)，6—9月份可上升至81%，再大幅度降低，到12月份恢復(fù)穩(wěn)定水平。

圖5 五個(gè)地區(qū)地面相對(duì)濕度

由于20 km左右的平流層臭氧濃度高，大量吸收太陽輻射而使空氣升溫，導(dǎo)致各地50 hPa高度層月平均氣溫始終高于70 hPa高度層，如圖6所示。50 hPa高度層氣溫變化幅度較小，更為穩(wěn)定。同一地區(qū)高空月平均氣溫在一年中變化不大，最高相差5 ℃左右，但不同地區(qū)之間有較大差異。

圖6 五個(gè)地區(qū)高空平均氣溫

總輻射看作僅由直接輻射和散射輻射兩部分組成，庫車站數(shù)據(jù)為1971—1990年統(tǒng)計(jì)值，其余四站點(diǎn)均取1971—2000年數(shù)據(jù)，如圖7所示。拉薩地區(qū)全年輻射均處于較高水平，5月份達(dá)到最高值761.67 MJ/m2，最低值也在450 MJ/m2左右，直接輻射遠(yuǎn)大于散射輻射。庫車地區(qū)一年中輻射變化范圍在五個(gè)地區(qū)中最大，差值可達(dá)近500 MJ/m2，散射輻射和直接輻射大小相當(dāng)。貴陽地區(qū)輻射在五個(gè)地區(qū)中最低，最高月僅456.26 MJ/m2，且散射輻射占比更大。

五個(gè)地區(qū)各站點(diǎn)觀測(cè)的地面氣溫、相對(duì)濕度、月總輻射和高空70、50 hPa溫度的累年月值范圍如圖8所示，可更直觀地表現(xiàn)地區(qū)差異。拉薩地區(qū)地面氣溫和濕度都相對(duì)較低，但輻射卻最強(qiáng)，平均月輻射達(dá)600 MJ/m2。貴陽恰好相反，平均氣溫和濕度處在較高水平，尤其相對(duì)濕度值，在一年中波動(dòng)幅度很小，始終在77%上下，平均月輻射僅有拉薩的1/2。?？诘孛鏆鉁睾蜐穸榷际俏鍌€(gè)地區(qū)中最高的，平均月輻射約400 MJ/m2，且相對(duì)來說較為穩(wěn)定。庫車地區(qū)在一年中氣溫變化幅度最大，最低氣溫在-10 ℃以下，最高超過30 ℃，而且相對(duì)濕度平均僅約52%。西安地區(qū)無論是氣溫、濕度、還是輻射，均處于中間水平。

圖7 五個(gè)地區(qū)月總輻射

圖8 地面氣溫、相對(duì)濕度、月總輻射和高空70、50 hPa溫度分布

對(duì)于高空環(huán)境，各地區(qū)70 hPa高度氣溫始終低于50 hPa，差值因地區(qū)而異。在庫車，兩高度層的氣溫差異幾乎可以忽略，而?？诘貐^(qū)平均可相差10 ℃左右。50 hPa高度層氣溫平均值大致在-65 ℃左右，各地區(qū)相差不多，70 hPa高度氣溫的地區(qū)差異更明顯。

至于無法直接測(cè)定的高空濕度和輻射，前人已給出了研究成果或方法，文中不再深入探討。高慧[10]利用露點(diǎn)溫度計(jì)算了中國(guó)不同區(qū)域高空相對(duì)濕度，發(fā)現(xiàn)海拔高度越高，相對(duì)濕度變化幅度越小，且隨季節(jié)和區(qū)域不同而呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。我國(guó)中部和北部地區(qū)相對(duì)濕度隨高度增加一直緩步下降，而華南、西南地區(qū)在500 hPa以上高空會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)的情況?？傮w來看，一年中的大部分時(shí)間，各區(qū)域在50～70 hPa的高空相對(duì)濕度幾乎均在10%到20%范圍內(nèi)。高空輻射目前還缺少權(quán)威性的計(jì)算方法，可利用曾理整理的基于布格-朗伯定律的積分法，或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕貧w系數(shù)法[11-12]進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)論

將世界上代表性的長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)的升限和續(xù)航時(shí)間兩個(gè)主要性能進(jìn)行了對(duì)比，并簡(jiǎn)單介紹了美國(guó)的“全球鷹”、英國(guó)的“螳螂”兩種型號(hào)。除了無人機(jī)結(jié)構(gòu)、材料等內(nèi)部因素外，高空環(huán)境也是影響氣動(dòng)性能的重要外因。

整理了在標(biāo)準(zhǔn)大氣模型的假設(shè)條件下，以海拔高度作為變量時(shí)，氣溫、氣壓、太陽輻射三個(gè)環(huán)境參數(shù)的計(jì)算方法。

選取新疆庫車、西藏拉薩、陜西西安、貴州貴陽、海南海口五個(gè)地區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。地面月平均溫度在一年中均先增后減，月平均溫度在7月份左右達(dá)到最高值，1月份左右最低。貴陽、?？趦煽磕系牡貐^(qū)相對(duì)濕度較高，且變化幅度很小，而其余三個(gè)地區(qū)濕度皆隨時(shí)間表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)。新疆地區(qū)的相對(duì)濕度在一年中先減后增，在4月達(dá)到最低值（不足40%）。西藏和陜西地區(qū)的相對(duì)濕度在一年中先增后減，其中西藏的相對(duì)濕度在一年中變化較大，1月份約為24%，8月份達(dá)到69%。各地50 hPa高度層月平均氣溫始終高于70 hPa高度層，50 hPa高度層氣溫更為穩(wěn)定。同一地區(qū)高空月平均氣溫在一年中變化不大，但不同地區(qū)之間有較大差異。各地均在5—8月份輻射較強(qiáng)，地區(qū)差異明顯，尤其拉薩全年輻射均處于較高水平，貴陽的輻射相對(duì)較低。