超长航时无人机技术发展综述

潘亮，郝胤凱

摘要：本文从常规燃油动力、新能源动力及混合新能源系统等方面介绍了超长航时无人机系统技术发展现状，概述了美国、英国、瑞士等国内外超长航时无人机项目的发展情况，探讨了混合新能源超长航时无人机技术特点及发展趋势，并提出了相关建议。

关键词:长航时，无人机，新能源动力

一、概述

超长航时无人机具备滞空时间长、任务高度高、机动性和自主性强等综合优势，适用于现代战争信息化、自主化、无人化等特点，已成为世界各国竞相研究开发的热点装备。超长航时无人机能胜任各种军事任务，执行全球ISR和通信中继，可对地面目标提供持久监视和跟踪，能执行高度自主行动和自动实现机载数据处理，支持针对偏远地区实施多情报作战的作战概念，为部队直接提供情报支援。一般而言，长航时无人机续航时间至少在12h以上，而超长航时无人机设计续航时间通常超过48h，甚至可达数天或数周以上，按其动力类型可分为常规航空燃油动力和新能源动力两大类，其中新能源动力又可以分为太阳能动力超长航时无人机和非太阳能动力超长航时无人机，目前，非太阳能动力的新能源超长航时无人机主要是指采用氢燃料电池或液氢内燃机的氢动力无人机。

二、常规燃油动力超长航时无人机技术发展现状

以航空汽油/煤油为燃料的常规动力超长航时无人机主要采用涡扇发动机、涡桨发动机或带涡轮增压器的活塞发动机等。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。其中典型代表机型包括美国波音“秃鹰”高空超长航时无人机、美国极光飞行科学公司的“猎户座”中空超长航时无人机、美国香草飞机公司的VA001中空超长航时无人机、中国“冯如三号”低空超长航时无人机等。

1.美国长航时无人机

美国弗吉尼亚州的香草飞机公司研发的VA001无人机陆续得到了美国国防部预先研究计划局（DARPA）、海军研究办公室（ONR）和海军航空系统司令部（NAVAIR）等部门的支持。2017年10月，在NASA沃洛普斯飞行中心（WFF），VA001在其第十次试飞中创造了连续飞行121.4h的常规动力无人机留空时间世界纪录，此前该记录是由猎户座无人机保持的80h。VA001无人机采用大展弦比上单翼布局，机翼和机身外壳均由轻质复合材料制造，安装一台经过改进的高效重油活塞发动机，驱动安装在机身尾部的可折叠2叶螺旋桨推进。

图1 香草公司VA001无人机

2.中国超长航时无人机

我国超长航时无人机研究方面研究进展较慢，整体发展水平相比美国等差距较远，仅有北京航空航天大学研制的“冯如三号-100”型低空超长航时无人机和换装重油发动机的彩虹-5改进型无人机。“冯如三号-100”型无人机采用常规布局，翼展长约10m，机身较短，为流线型潜水艇状，全机由高强度复合材料制成，后置汽油活塞发动机螺旋桨动力，最大起飞重量75.44kg，载荷约3kg。“冯如三号-100”型无人机于2021年5月18日在300m高度盘旋飞行，持续飞行航时达到80小时46分，创下25～100kg级油动固定翼无人机续航时间世界纪录。

图2 中国冯如三号-100型低空超长航时无人机

彩虹-5无人机（中国代号：CH-5），是中国航天科技集团公司旗下航天彩虹无人机股份有限公司最新研制的大型“察打一体”中空长航时无人机。该机翼展21米，最大起飞重量3.3吨，任务载荷达0.5吨，巡航高度2000～7000m，升限8300m，巡航速度180～220km/h，最大飞行速度300km/h，标准版最大续航时间达40h，采用重油发动机的改进型最大航时甚至可达120h。

图3 中国彩虹-5无人机

三、新能源动力超长航时无人机技术发展现状

1.太阳能超长航时无人机发展现状

太阳能无人机利用太阳能电池将光能转化为电能，具有无污染、航时长的特点，可广泛应用于对地观测、空中预警、侦察监视、通讯中继等军事和民用领域。与卫星相比，其信号传输损失小、精度高，可实现目标区域永久驻留，不存在重返周期问题，生产和运营成本低；与传统飞机相比，其覆盖区域广，留空时间长；与浮空器相比，其操控性好，机动性强。

（1）美国太阳能无人机发展现状

美国是研究太阳能无人机起步较早的国家，有诸如“太阳神”、“太阳鹰”、SoLong、Aquila、Odysseus等型。其中“太阳神”系列无人机是美国政府对高空、长航时无人机的早期探索型号，包括在ERAST项目下研制的5个型号，即“探路者”、“百夫长”、“探路者+”、“太阳神”高空型样机（HP01）、“太阳神”长航时型样机（HP03）。“太阳神”系列无人机分别创下当时15.4km、24.4km、29.5km的太阳能无人机飞行高度记录，持续飞行最长时间为24h。

2018年，波音公司旗下极光飞行科学公司设计了一架翼展74米的太阳能无人机Odysseus。该款无人机运用的Alta Devices柔性砷化镓薄膜电池，其技术是一种面向未来的薄膜太阳能技术,在相同面积下，它产生的效能可以达到普通柔性太阳能电池的2到3倍，是目前全球转换率最高的薄膜太阳能技术。Odysseus仅靠太阳提供动力就能有效地无限飞行，拥有当今持久性太阳能航空中最大的有效载荷能力。

图4 美国主要太阳能超长航时无人机

（2）中国太阳能无人机发展现状

西北工业大学“魅影”无人机团队研制了“魅影”系列低空长航时太阳能无人机，2017年7月，“魅影5”完成了16h 9min的飞行试验,创造国内最长太阳能无人机航时记录。2019年7月,“魅影12”完成了27h 37min的飞行试验,打破之前“魅影5”的飞行时长记录。

2017年5月24日，由我国自主研发的彩虹T4太阳能无人机在西北地区试飞成功，在20km以上的高空不间断飞行了约15h。

2018年9月，航空工业一飞院成功研制出“启明星”20m翼展太阳能技术验证机机翼展约50m，采用6台分布式电机螺旋桨驱动，首次采用双机身布局设计的大型无人机，该无人机是一款能够在高空连续飞行的“伪卫星”，可长时间留空飞行，执行高空侦察、通信中继、森林火情监测等任务。

（a）魅影-12太阳能无人机             （b）启明星50太阳能无人机

图5 中国主要太阳能无人机

2.氢能源超长航时无人机发展现状

（1）美国氢能源无人机

美国海军通过与佐治亚理工大学等单位合作的离子虎无人机，创造了氢燃料电池动力无人机飞行时间记录26h 1min。离子虎质量约16.6kg，可携带1.8～2.25kg有效载荷。机上采用550W燃料电池作为动力，其效率为相近功率内燃机的4倍，并可提供7倍于相同质量电池的电量。

图6 美国海军离子虎燃料电池无人机

波音公司的鬼眼无人机采用大展弦比上单翼布局。机翼和机身外壳采用碳纤维复合材料制造，机身结构件等承力部件采用航空铝材和复合材料制造。该机前部机身短粗，用以承载2个直径2.4m的液氢储箱。2014年9 月的第九次飞行实现了留空9h，飞行高度超过海拔16000m，鬼眼无人机成功验证了其氢内燃机动力系统的可行性。

图7 波音鬼眼无人机

（2）中国氢能源无人机

我国在氢能源无人机领域的研究起步较晚，发展较为缓慢，仅有部分高校院所和民企公司在开展相关研究，且均为轻小型的燃料电池无人机，整体技术水平距离国际先进水平差距较大。

2010年，同济大学与上海奥科赛飞机公司共同研制了“飞跃一号”燃料电池无人机，该无人机翼展5m，起飞总质量20kg，在上海奉贤首飞了2h。2014年，武汉众宇动力系统科技有限公司开发了“天行者”燃料电池无人机，2015年，首飞12h创造了国内燃料电池无人机最长航时纪录。2017年，优雷特（银川）航空技术有限公司和珠海天晴航空航天科技有限公司共同研制了首架氢燃料电池倾转旋翼无人机，该机翼展2.6m，总质量17kg，在固定翼模式下可飞行6h，多旋翼模式下可悬停2h。2022年1月由纵横股份与斗山创新联合研发的CW-25H轻电混动垂直起降固定翼无人机是国内首款量产实用型的轻电混动垂直起降固定翼无人机，该无人机最大起飞重量31kg，最大载荷4kg，翼展4.4m，巡航速度80km/h，最大飞行时间330min，最大航程500km；同年1月22日，由哈尔滨工业大学重庆研究院独立研发的“青鸥30”氢动力垂直起降固定翼无人机在重庆完成首飞，该无人机最大起飞重量30kg，翼展4m，巡航速度25m/s，最大续航时间达到9h。

（a）飞跃一号无人机                  （b）天行者无人机

（c）CW-25H无人机                   （d）青鸥30无人机

图8 中国典型氢能源无人机

四、混合新能源超长航时无人机技术特点及发展趋势

综上所述，近20年来太阳能、氢能无人机已经由新概念探索、关键技术攻关，正在迅速地向实用化、工程化迈进，相关的核心技术也取得了突破性进展，未来混合新能源超长航时无人机将迎来较大发展。

1.技术特点

（1）无人机多学科优化综合设计技术

对于混合新能源动力无人机，其设计理念有别于太阳能无人机：设计目标不再是理论上的“永久”飞行，而是根据任务需求充分挖掘各电源系统的特性，从而通过混合系统的使用，实现长航时飞行。因此，需要根据混合动力无人机提出的新要求，重新定义质量/能量耦合分析方法。多学科设计优化技术将成为混合动力无人机设计的关键技术。

（2）混合新能源动力无人机复杂系统建模及仿真技术

混合动力无人机设计主要包括气动布局、结构强度、结构质量、飞行控制、操稳特性、燃料电池系统、太阳能电池阵列、能量控制系统等子系统模型，建立太阳能电池与气动特性、燃料电池与有效载荷、太阳能电池与飞行控制等耦合模型是系统建模及仿真技术的关键。

（3）基于能量最优的无人机航迹规划与飞行控制技术

由于混合能源系统中太阳能电池组件的存在，白天飞行时，动力系统在消耗能量的同时，还将从太阳能中获得能量；而无人机获得太阳能能量的多少，与无人机飞行姿态及航迹均有密切关系，研究航迹规划与飞行控制的耦合关系，通过无人机航迹规划、飞行感知及飞行控制技术的研究，将为后续飞行试验及实际应用提供有力的理论分析工具，将对混合动力无人机长航时飞行产生积极作用。

2.发展趋势

总结来看，面向军用民用需求，轻小型太阳能、氢能混合新能源无人机将成为未来发展的主要方向。（1）综合考虑能源特点，研制氢燃料电池/太阳能电池混合动力轻小型无人机，最大限度满足长航时需求。单纯采用太阳能驱动或燃料电池驱动的飞机，由于电源本身的特性，在飞机设计中往往需要付出巨大的代价来适应新能源系统的需求，如采用非常规气动布局、大展弦比柔性机翼等，牺牲飞行性能且设计制造成本昂贵。因此，采用太阳能和氢能混合动力技术，充分发挥各能源的优势，或将成为一种可行的手段。（2）综合考虑气动特性、结构特型、太阳能电池片、储氢装置、动力装置等，开展气动/结构/能源/动力一体化总体设计方法研究，提升有效载荷比，实现轻小型新能源无人机的工程应用。（3）综合考虑太阳能电池、氢燃料电池、锂电池等多种能源，以及分布式动力系统，开展主动式能源动力系统的匹配管理控制技术研究。（4）综合考虑混合能源之间、能源与飞行姿态、飞行轨迹之间复杂的耦合关系，开展能控/姿控/轨控一体化综合节能控制技术研究。

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