摘 要: 为研究长航时无人机发展趋势及面临的技术难题，对长航时无人机的发展现状及关键技术进行了分析与总结.长航时无人机留空时间长，作业覆盖区域广，在高空巡航作业时受天气和大气上下对流的影响小，具备广阔的应用前景.首先以常规动力和新能源动力分类，总结了当前国内外长航时无人机的主要型号,回顾了长航时无人机的发展历程.然后，根据长航时无人机高升力、高升阻比和缓失速气动需求，复合材料大展弦比机翼大柔性特征以及长航时无人机任务环境复杂等特点，总结了长航时无人机发展过程中亟需解决的关键技术难题，包括高效气动综合设计技术、大展弦比机翼气动弹性分析和主动控制技术、复合材料气动弹性剪裁技术、柔性飞行动力学建模和控制技术以及无人机自主导航技术等.最后，结合国外长航时无人机的发展特点，提出了我国长航时无人机的发展建议.研究表明：常规动力中空长航时无人机得到了比较广泛的应用，但新能源动力长航时无人机多数还处于研究样机研制阶段.续航时间在一周以上的“超长航时”无人机技术成为各航空强国关注的焦点.长航时无人机系统的智能化、协同化和网络安全是未来发展的主要方向.

关键词: 长航时无人机;气动优化设计;大展弦比复合材料机翼;非线性气动弹性;主动控制技术;飞行轨迹控制;自主导航

长航时无人机通常是指能在大气层内持续飞行24 h以上的无人驾驶飞机，飞行高度一般为7 000～20 000 m，被广泛地应用于军事和民用领域，执行侦察监视、搜索跟踪、灾情勘测、气象研究等任务[1-3].相比具有同样任务特点的低轨卫星和高空飞艇等飞行器，长航时无人机同时具备任务高度高、滞空时间长、机动性和自主性强等综合优势，适用于未来战争的信息化和自主化等特点，将在空间攻防和信息对抗中发挥重要作用[4]，是无人机发展的重要方向.

近年来，随着材料、控制和动力推进等技术的发展，中国、美国、以色列、英国等已成功研制出多型长航时无人机.目前长航时无人机按其动力类型可分为常规动力无人机和新能源动力无人机.其中具有代表性的常规动力无人机包括美国“全球鹰”无人机、“捕食者”无人机[5]等；新能源动力无人机主要包括以太阳能为动力的美国“太阳神”系列无人机[6]和英国“西风”系列无人机[7]，以及以氢能源为动力的美国“鬼怪眼”无人机[8]和“全球观察者”无人机[9]等.

长航时无人机系统除无人机平台外，一般还包括任务载荷、测控与信息传输、综合保障等分系统.本文重点对无人机平台设计相关关键技术进行讨论.长航时无人机的使用环境和任务要求与常规飞行器存在很大差别，对翼载荷、升阻比、结构质量系数、控制策略等提出了极高要求.本文结合长航时无人机发展的现状，对其所涉及的总体气动综合设计技术、结构设计技术和飞行控制技术等进行综述和分析，旨在为长航时无人机的发展提供参考.

1 长航时无人机概述

20世纪90年代以来，以美国为首的许多航空航天强国相继开始了长航时无人机的研究和开发，并取得了很大进展.目前为止，世界上已研制和正在研制的长航时无人机主要型号如图1所示.长航时无人机飞行高度主要集中在中高空领域，其中高空长航时无人机的巡航高度大于18 000 m.续航时间是长航时无人机的一个重要技术指标.目前常规动力长航时无人机能连续飞行24～40 h左右；新能源长航时无人机的设计目标是可连续飞行数周或数月以上.

图1 代表性长航时无人机

Fig.1 Representative long-endurance UAVs

1.1 常规动力长航时无人机

以航空汽油/煤油为燃料的常规动力长航时无人机主要采用涡扇发动机、涡桨发动机和带涡轮增压器的活塞发动机等[10].相比现有的新能源动力长航时无人机，常规动力长航时无人机具有载荷大、速度高、尺寸相对较小等特点.

20世纪70年代，美国发起了Compass Cope计划，开始研发长航时无人机.20世纪80年代，波音公司成功研制“秃鹰”(Condor)常规动力长航时无人机.20世纪90年代，美国开展蒂尔(Tier)无人机研制计划，大力发展续航时间更长、覆盖范围更广的战略侦察任务无人机，“捕食者”(Predator)无人机和“全球鹰”(Global Hawk)无人机由此诞生.“捕食者”无人机由通用原子航空系统公司研制，于1994年首飞，续航时间为40 h.“捕食者”无人机1995年开始部署，并多次在局部战争中执行任务.此外，在科学研究、森林防火以及边境执法等民用领域“捕食者”无人机也发挥巨大了作用.“全球鹰”无人机是诺斯罗普 格鲁门公司为美国空军研制的涡扇高空长航时无人机，是目前世界上已列装的尺寸最大、质量最重的无人机.“全球鹰”无人机可以在海拔18 000 m左右高度执行任务，续航时间可达36 h[11].进入21世纪，“全球鹰”、“捕食者”及其改进型无人机在美军中大量装备，用于支援美国空军涉及的海外应急作战任务.2014年12月，美国极光飞行科学公司研制的“猎户座”(Orion)中空长航时无人机持续飞行了80 h 2 min 52 s，创造了常规动力无人机续航时间记录，该机型目标是在6 100 m的高空执行120 h的情报、监视与侦察任务.除美国外，以色列研制的“苍鹭”(Herons)无人机[12]和“赫尔墨斯900”(Hermes 900)型无人机可在10 000 m左右的高空，进行数十小时的持续飞行.国外典型的常规动力长航时无人机，如图2所示.部分代表性的常规动力长航时无人机关键参数，见表1.

图2 国外典型的常规动力长航时无人机

Fig.2 Representative foreign conventional powered long-endurance UAVs

近20年，中国针对长航时无人机开展了相关技术研究和型号研制工作，并取得了较大进展.北京航空航天大学牵头研发的“长鹰”系列中高空远程无人侦察机，续航时间超过40 h，主要用于执行侦察任务和情报收集，该机于2015年纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年阅兵式上公开亮相.

1.2 新能源动力长航时无人机

液氢燃料的能重比约为普通燃料的3倍，属于高密度动力能源.近年来针对液氢燃料的长航时无人机的研究逐渐增多，但均处于试验阶段.“全球观察者”(Global Observer)是美国航空环境公司研制的高空长航时无人机系统，是世界上第1种采用液氢燃料为动力的无人机.“全球观察者-1”为全尺寸原型机，目标是在19 800 m的高空持续飞行120 h以上.2011年该机在爱德华兹空军基地进行的试验中，首次全程使用液氢燃料发动机，飞行高度1 500 m，持续飞行4 h.“鬼怪眼”(Phantom Eye)无人机由波音公司研制，采用2台2.3 L、4缸液氢推进系统.2010年“鬼怪眼”无人机首次完成了自主飞行，2013年实现了在8 400 m高空4.5 h的持续飞行，但是距离其96 h的设计飞行时间仍有很大差距[13].

表1 国外主要常规动力长航时无人机关键参数[11]

Tab.1 Key parameters of foreign conventional powered long-endurance UAVs[11]

新能源长航时无人机除采用氢能源外，还可以采用太阳能作为动力.太阳能无人机在光照条件下能够通过太阳能电池维持动力系统并储存电能，飞行高度高，续航时间长，是目前各国研究的热点.尽管相比常规动力无人机，太阳能无人机在飞行性能和有效载荷能力等方面有明显不足，但是在长航时续航方面优势明显，理论上可以实现无限时间巡航[4].目前，较著名的长航时太阳能无人机有美国航空环境公司与NASA联合研制的“太阳神”系列无人机，该系列无人机包含“探路者”(Pathfinder)、“探路者+”(Pathfinder-Plus)、“百夫长”(Centurion)和“太阳神”(Helios)等型号；英国国防部下属公司研制的“西风”系列无人机，该系列包括“西风6”(Zephyr 6)、“西风7”(Zephyr 7)和“西风8”(Zephyr 8)等型号.另外，瑞士苏黎世联邦理工学院研发的AtlantikSolar太阳能无人机于2015年创造了81 h的连续飞行记录，UAVOS设计的ApusDuo自主式太阳能无人机旨在实现365 d巡航的目标.国外具有代表性的新能源无人机及主要参数，如图3和表2所示.

近几年，中国相关院所和高校对太阳能无人机开展了设计研究，并进行了飞行试验.2019年7月，西北工业大学“魅影”团队研发的MY-12太阳能无人机，成功实现跨昼夜飞行，达到27 h 37 min，是中国目前已公开报道的续航时间最长的太阳能无人机.

图3 国外主要的新能源长航时无人机

Fig.3 Representative foreign new energy powered long-endurance UAVs

表2 国外主要新能源动力长航时无人机参数[11]

Tab.2 Key parameters of foreign new energy powered long-endurance UAVs[11]

2 长航时无人机总体气动综合设计技术

长航时无人机的气动性能需要满足巡航时间和巡航高度的要求，总体气动综合设计是飞行器达到战术技术指标或使用技术要求的核心关键技术，决定了飞行器的整体气动性能和飞行性能.长航时无人机飞行高度较高，飞行环境中空气稀薄，飞行雷诺数较低，巡航时所需升力系数较大，且由于长航时飞行，要求机内储油空间大，巡航阻力小.因此，长航时无人机气动综合设计需要进行高升力、高升阻比、低雷诺数翼型优化设计研究和无人机高效气动布局研究.

2.1 高升阻比机翼优化设计

低雷诺数条件下，翼型在小攻角时就可能发生流动分离，翼型的升力线斜率也会降低，难以获得高升阻比[14]，现有长航时无人机的升阻比通常在20以下，长航时无人机的代表“全球鹰”升阻比达到28左右.长航时无人机机翼通常采用小后掠角、大展弦比形式，机翼具有较弱的三维效应，因此二维翼型的气动特性对提高飞机的性能和飞行品质有直接影响，需要同时具备高升阻比、高升力和缓失速特性[15].常用翼型的类型主要包括：层流翼型、高升力翼型和超临界翼型等.具体翼型可以在现有的翼型库中选取，如NACA6A族、GAW系列、SD系列、Eppler系列[16]等，也可以以满足飞机设计任务指标为准则，基于翼型的流动特征和升力特性，通过优化设计得到.