“高空長航時無人機”到底有多高 有多長？

作為一個自認(rèn)為不是普通，但又不文藝的喵，對于“高空長航時無人機”這個名詞首先出現(xiàn)的是x-37b飛機，其各項指標(biāo)都滿足字面上的意思。

比如，其軌道高度雖然是高度保密的，但是有分析人士認(rèn)為其軌道高度為410千米，飛得夠高的吧。2010年的首秀就飛出了224天的紀(jì)錄，隨后的試驗不斷的刷新在軌飛行紀(jì)錄，最近的一次紀(jì)錄是在軌飛行718天，航時很長了吧。它還真是一架無人航天飛機。由于沒有載人，不需要配置人員的給養(yǎng)，如果不進行頻繁的變軌，只進行軌道維持的話，以目前的技術(shù)水平無人化的航天飛機飛個十來年是沒有問題的。

好吧，我們還是回歸正常的軌道上來。

通常意義上的高空長航時無人機主要指的是在大氣層內(nèi)飛行的飛機，其飛行高度在18千米以上，持續(xù)飛行時長24小時以上。

雖然現(xiàn)在無人機的種類和型號非常多，但是真正達到這個指標(biāo)的無人機還是屈指可數(shù)的，說明研制這樣一款飛機的難度是非常的高，也就意味著它的研發(fā)、制造、使用、維護的成本就非常的高。比如，我們非常熟悉的“全球鷹”，根據(jù)公開文獻《“全球鷹”無人機系統(tǒng)項目費用和效能分析研究》，其研發(fā)成本在36億美元，單機采購價格在1.2億美元，每小時費用在4000美元。既然飛機這么貴，有么有可以替代的產(chǎn)品，比如飄個氣球，放個飛艇，或者是干脆扔個衛(wèi)星上去。

“全球鷹”高空長航時無人機

無論是氣球還是飛艇，都是浮空器，要做到搭載與飛機差不多量級的有效載荷重量，那么就意味著其排開空氣的質(zhì)量減去自身的重量要大于或等于有效載荷的質(zhì)量。隨著海拔高度的增大，大氣密度將減小，比如18千米的大氣密度相當(dāng)于海平面大氣密度的1/10，相當(dāng)于海拔高度5千米的1/6，在有效載荷不變的情況下就需要氣球或者飛艇本身的體積變大，由此帶來的結(jié)構(gòu)重量的增加，載荷系數(shù)的減小，然后不得不再次放大。于是就進入了面多加水，水多加面的循環(huán)，最后算下來，其研發(fā)、制造、使用、維護成本一點都不會比相同飛行高度、相同有效載荷重量的飛機少。再加上其天生的慢速性能，并不能完全取代高空長航時無人機。以美國為例，美軍投資了70億美元用于資助15個飛艇項目，其中高空飛艇項目才4個，經(jīng)費僅僅5.2億美元，其中3個失敗，1個保留（來源：《美軍臨近空間飛艇項目建設(shè)情況及啟示》）說明高空飛艇的技術(shù)還不是很成熟，還不能應(yīng)用于作戰(zhàn)環(huán)境，以至于向來財大氣粗的美軍也不敢在上面胡亂的花錢。

至于衛(wèi)星，當(dāng)前熱火朝天的民用航天在微納衛(wèi)星制造技術(shù)、低成本發(fā)射技術(shù)上不斷進步，之前對地觀測衛(wèi)星高成本的問題有望得到改善。同時，隨著衛(wèi)星星座的部署，將來可以實現(xiàn)對同一地點的快速重訪。此時就不是扔一顆衛(wèi)星上天，而是扔一群衛(wèi)星上天。

根據(jù)長光衛(wèi)星技術(shù)公司的估計，在2030年實現(xiàn)138顆衛(wèi)星的部署，能夠?qū)崿F(xiàn)對同一地區(qū)10分鐘的重訪。但是，也不便宜。按照一顆衛(wèi)星平均100千克計算，低軌發(fā)射成本為1千克5000美元，不計算衛(wèi)星本身的成本，單純是發(fā)射成本就達到了6.9億美元。由于是低軌衛(wèi)星，在大氣阻力的影響下，需要不斷的消耗自身攜帶的燃料進行軌道保持，在重量受限的情況下，其使用壽命在1-2年左右。

重點：換句話說，需要在最多2年的時間里進行星座補充，這個對于動輒使用20-30年，飛行壽命5000-10000小時的飛機來說，是不可想象的。

綜上所述，好像我每次寫類似的文章首先都在考慮錢的事情。好吧，畢竟，前人說的好，大炮一響，黃金萬兩，在當(dāng)前這樣的高科技戰(zhàn)爭時代，打仗就是砸錢的游戲。

騎上就飛

飛機的阻力包括了升致阻力和零升阻力，簡單的說，一個是跟升力有關(guān)的阻力，一個是升力無關(guān)的阻力。產(chǎn)生升力需要的升力系數(shù)跟密度是成反比，升致阻力系數(shù)又跟升力系數(shù)的平方成正比，當(dāng)海拔增大時，密度減小，飛機飛行需要的升力系數(shù)增大，升致阻力系數(shù)增大更加明顯。

此外，對于高空長航時無人機來說，其飛行速度并不快，因此與升力無關(guān)的阻力主要還是摩擦阻力構(gòu)成。摩擦阻力與雷諾數(shù)密切相關(guān)，而雷諾數(shù)又是跟密度成正比。隨著高度的增加，密度的減小，摩擦阻力系數(shù)就會非線性的增大。如果不能夠很好的降低飛機的阻力，即時這個飛機能夠飛得夠高，但是也飛得不長久。解決辦法就是不斷的優(yōu)化機翼剖面的設(shè)計和機翼外形的設(shè)計。

世界那么大，我想去看看。洲際民航飛行也就是10幾個小時，對于長達24小時以上飛行時間無人機，總不能就在家門口繞圈圈，必然會去很遠(yuǎn)的地方去看看風(fēng)景，那么通訊就成了關(guān)鍵。不僅需要有足夠的通訊距離，足夠的通訊帶寬，還需要足夠短的時間延遲。

沒有最慢只有更慢

“全球鷹”無人機作為比較成熟的高空長航時無人機，要裝油的，為了飛得遠(yuǎn)，這個油還得裝得多。這個就類似你出去旅游還把幾天吃喝的東西都背上，看著都累，如果能輕裝上陣就好多了，比如走在路上隨時補給不是很好么？大概在很久以前有這么個吃貨萌發(fā)了設(shè)計太陽能無人機的想法。

太陽能無人機通過將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能，在白天的時候，一部分電能用于驅(qū)動電機做功，一部分電能在蓄電池里存起來，用于晚上沒有電的時候驅(qū)動電機做功。

太陽可以簡單的想象成一個固定瓦數(shù)的燈泡，由于地球運行軌道是個橢圓形，因此，在大氣層外圍的太陽輻射數(shù)值隨著月份的不同而不同。對于北半球的我們來說，是冬天的時候大氣層外圍的太陽輻射最大，這個貌似很反直覺。隨著太陽光線進入大氣層，大氣層中的氣體分子、塵埃、水蒸氣等就開始不斷的消耗太陽的直接輻射能量，太陽光穿過大氣層的距離越長，消耗的能量越多。早晚的時候，太陽光穿過大氣層的路徑長，中午的時候，太陽光穿過大氣層的路徑短。因此，同一地點，中午的太陽輻射值大于早晚。所以，太陽能無人機飛得高不僅僅是為看得遠(yuǎn)，看得廣，更多的是能夠更好的吸收太陽的直接輻射能量。

太陽能無人機的技術(shù)難點很多，除了常規(guī)高空長航時無人機會遇到的問題外，還需要解決超輕結(jié)構(gòu)設(shè)計，能源管理，飛行策略，大柔性體飛行控制率設(shè)計等等。