1 绪论

　　高空长航时无人机(HALE)主要执行侦察和对地攻击任务，巡航高度15～20 公里，航时大于24 小时，典型的如美国的RQ-4 全球鹰。由于飞行高度高，续航时间长，借助其携带的高分辨率侦察设备， 一次任务侦察相当于20 架次中空长航时无人机侦察任务的区域面积，具有极高的作战效能，是各军事大国大力发展的航空武器，也可用作开展大气环境探测、海洋环境监测的有效平台。然而由于高空长航时无人机在同温层滞留的时间长，燃烧大量的燃油，对大气的污染要远胜于对流层内飞行的飞行器，如何减少航空油料消耗和对大气的污染，保护头顶上的蓝色天空是每个航空设计人员的责任。

　　现有的高空长航时无人机多以小涵道比涡扇发动机为动力，燃油消耗率较高，难以承担长时间的侦察巡航的任务；相比热机而言，电动机具有功重比高、结构简单、输出功率恒定等优点，基于高空长航时无人机的特点，在此提出一种基于混合动力的长航时无人机方案-“翔鹤”，可以有效减少燃油的消耗量，延长留空时间，减少排放，降低使用成本，且技术风险较低，具有较高的可实现性。

　　

　　2 方案介绍

　　2.1 总体布局

　　“翔鹤”无人机采用鸭式布局。大展弦比机翼，上反2°，前缘后掠15°；鸭翼下反3°，前缘前掠5°；垂尾外倾15°；沿航向左右各布置一根支撑管梁，连接鸭翼、机翼和垂尾，管梁前端各布置一台电动机，驱动可变距螺旋桨；机身尾部布置一台小涵道比的涡扇发动机(如Williams FJ44-3)。

　　“翔鹤”采用鸭式布局，具有较高的气动效率，鸭翼在纵向配平的同时，也能提供一部分力，有利于实现短距起降和长时间巡航；双尾撑结构能够对机翼和鸭翼卸载，减小机翼根部载荷，同时提供了机身中部用于装载的燃油，机翼、鸭翼和尾翼也提供了大量的机载燃油空间。较大的前机身空间用于布置卫星通信设备和各种机载设备。

　　2.2 技术特点

　　“翔鹤”采用了可变循环动力技术，最大程度上减小了对燃油的消耗，携带同等重量燃油起飞，留空时间比完全采用同样涡扇动力的无人机多2～3 倍，可完成对更广大区域的监视飞行或对因自然灾害(如地震)导致通信中断的地区提供不间断的通信中继。

　　“翔鹤”无人机的主动力是两台功率220kw 的无刷电动机，由布置在尾撑内的1100V 电池组提供电源，小涵道比涡扇发动机提供起飞用推力，到达巡航高度以后，由电动机驱动螺旋桨提供巡航动力。

　　由于长航时无人机以最大升阻比巡航状态下的推力约为起飞推力的1/4~1/3，对推力的需求减小，而低速巡航状态热效率不高的涡扇发动机此时就可驱动1 台与转轴相连的500kw 发电机，转变成一台用于发电的燃气轮机，热效率能够提高1～2 倍，完成对电池的充电和对

　　

　　全机用电设备的供电，尾部排气也可产生一部分推力。同时，遍布机翼、垂尾、鸭翼上的太阳能电池板也可提供部分机载设备用电。

　　全机动力模式的切换由EMU(电源管理模块)完成，发电机输出的电能经EMU 整流后对动力电池组充电，太阳能电池在高空飞行时可提供7kw 的电能，供机载设备和有效载荷使用；夜幕降临时，由蓄电池提供设备用电。

　　2.3 性能计算

　　该机选取H=15km，V=450 作为巡航设计点，满载起飞重量10000kg，燃油重量7000kg。飞行过程分为起飞(a)、爬升(b)、巡航(c)、下滑(d)和着陆(e)。

　　

　　图典型飞行方案

　　a) 起飞阶段为尽快达到离地速度，以全油门滑跑加速，电动机在蓄电池的电量支持下，也全状态工作直到起飞段结束(离地高度100m)，此时涡扇发动机和电动机组合能提供大约1500kg 推力。

　　b) 爬升阶段涡扇发动机提供推力的同时，驱动发电机提高热效率，燃油消耗率能达到0.4/h，以平均升阻比k＝25 爬升到H=15km 需1.5 小时，耗油240kg。

　　c) 到达巡航高度后，以最大功率因子巡航，此时升阻比能达40，平飞需推力250kg。涡扇发动机转入慢车状态工作，驱动发电机为电动机提供巡航电能，螺旋桨按照巡航高度设计，效率可达85%，电动机输出功率为240kw，除以涡扇发动机之前的功率因子(约0.8)，涡扇发动机需输出300kw 的轴功率，由于热效提高，耗油量约为0.2/h，巡航100小时耗油6500kg。

　　d) 下滑段充分利用其优越的滑翔性能，电动机停转，螺旋桨顺桨以减小阻力，涡扇发动机怠速或停车(白天依靠太阳能电池供电完成基本的设备用电)。

　　e) 到达进场窗口后，启动电动机完成四边航线飞行，着陆后电机反转减速，缩短滑跑距离。

　　由于提高了燃烧的热效率，可大大延长飞行器的留空时间，正常载油情况下，以450km/h 的巡航速度可留空100 小时，航程可达45000km，而执行相同任务的同级别无人机(如全球鹰)只能续航42小时，转场航程也才23000km。

　　3 总结

　　组合循环动力技术的研究为解决高空长航时大量消耗燃油、留空时间较短等问题提供了一种比较现实的解决途径，基于此项技术设计的“翔鹤”无人机在延长了留空时间同时，减少温室气体的排放，使人类在实现自己发展目标的同时，兼顾了环境保护的要求。我们坚信，总有一天，必将会出现零排放的飞行器，还我们一个蓝色的天空。

　　

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