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HiSentinel項(xiàng)目是美國(guó)陸軍空間和導(dǎo)彈防御司令部（USASMDC/ARSTRAT）的一項(xiàng)高空平流層飛艇計(jì)劃,，其目的是開(kāi)發(fā)一種軍用低成本的通信、情報(bào)偵察和監(jiān)視的小載重、無(wú)人動(dòng)力臨近空間飛艇,。 美國(guó)陸軍從1996年開(kāi)始推動(dòng)高空平流層飛艇計(jì)劃,，前期以西南研究所（SwRI）和Aerostar International為主的承包團(tuán)隊(duì)研發(fā)并測(cè)試了三艘名為Sounder的第一代飛艇（如圖1所示），而第二代被指定為HiSentinel飛艇,。西南研究所與Aerostar團(tuán)隊(duì)前后進(jìn)行了六次高空飛艇的工程飛行,，其中五次飛行高度超過(guò)65000英尺。 圖1 高空平流層飛艇計(jì)劃第一代Sounder系列飛艇 HiSentinel項(xiàng)目計(jì)劃開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的平流層飛艇系統(tǒng),，該系統(tǒng)包括平流層飛艇,、地面支持系統(tǒng)、氣象保障系統(tǒng),、地面控制站以及任務(wù)載荷在內(nèi),。HiSentinel項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要由西南研究院（SwRI），Aerostar國(guó)際公司,，COLSA和空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）構(gòu)成,。其中，西南研究所承擔(dān)飛艇的總體設(shè)計(jì)工作,，并提供配備遙測(cè)技術(shù),、飛行控制和推進(jìn)系統(tǒng)；Aerostar國(guó)際公司主要負(fù)責(zé)飛艇囊體的加工制造,，同時(shí)參與系統(tǒng)的裝配調(diào)試和飛行試驗(yàn),；COLSA提供艇上任務(wù)載荷集成和測(cè)試工作，空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）則研制地面發(fā)放系統(tǒng),，制定發(fā)放程序,，提供發(fā)放設(shè)施，并在飛行試驗(yàn)中負(fù)責(zé)HiSentinel飛艇的發(fā)放和回收工作,。 HiSentinel項(xiàng)目平臺(tái)是由一系列采取戰(zhàn)術(shù)發(fā)放,、長(zhǎng)時(shí)留空并自主可控的平流層飛艇組成。系列低成本飛艇能將9~90kg重的任務(wù)載荷搭載到平流層高度持續(xù)工作數(shù)月時(shí)間,。此外,，HiSentinel飛艇旨在從偏僻地區(qū)進(jìn)行發(fā)放，相比于常規(guī)飛行器,，不需要地面起飛跑道,、大型機(jī)庫(kù)或其他地面輔助設(shè)施，且能免受現(xiàn)有防空武器的威脅,，一旦快速機(jī)動(dòng)部署在指定作戰(zhàn)區(qū)域,，能立刻為作戰(zhàn)人員提供通信中繼、網(wǎng)絡(luò)通信和持久情報(bào),、監(jiān)視和偵察服務(wù),。 下圖2為美國(guó)HiSentinel飛艇原計(jì)劃研發(fā)進(jìn)度時(shí)間表,。由圖可知，HiSentinel項(xiàng)目最初的研究進(jìn)程中,，著重于對(duì)任務(wù)載荷能力為50磅和200磅的平流層飛艇開(kāi)發(fā),，計(jì)劃飛行試驗(yàn)也是每年一次。但2005年~2011年期間,，美國(guó)僅完成型號(hào)為HiSentinel20,、HiSentinel50和HiSentinel80飛艇的平流層飛行任務(wù)，其數(shù)字20,、50,、80分別代表飛艇搭載任務(wù)載荷的重量，實(shí)際研發(fā)方案和進(jìn)度與計(jì)劃相差較大,。在2007-2012年期間,，HiSentinel項(xiàng)目共收到了國(guó)防部1120萬(wàn)美元資金支持，但自HiSentinel80飛艇試飛結(jié)束后,，未能獲取軍方后續(xù)的財(cái)政支持,，HiSentinel項(xiàng)目至今仍處于停滯階段。 圖2 HiSentinel飛艇原定研發(fā)計(jì)劃  2005年11月8日,，HiSentinel20（也稱(chēng)CHHAPP）在新墨西哥州羅斯韋爾進(jìn)行首飛,，成功完成了飛行試驗(yàn)，飛行高度約為22km,，但由于囊體的氦氣損失導(dǎo)致螺旋槳與艇身接觸導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)控制失效而提前回收,，前后飛行時(shí)間為5h，它是繼HALE-D后,，歷史上第二個(gè)在高空動(dòng)力推進(jìn)飛行的平流層飛艇,。 2008年6月4日，HiSentinel50從新墨西哥州霍洛曼空軍基地進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn),，發(fā)放期間飛艇釋放速度較慢,，推進(jìn)裝置與發(fā)放臺(tái)發(fā)生碰撞，在攀登到20238m高度后短暫駐留了3分鐘,，但艇囊內(nèi)外壓差超過(guò)閾值導(dǎo)致囊體破裂,，隨后降落至地面，前后飛行時(shí)間約為2h,。 2010年11月10日,，HiSentinel80從亞利桑那州佩奇進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，此次試驗(yàn)?zāi)康氖谦@取HiSentinel80的性能參數(shù)以及測(cè)試有效載荷的工作性能,。HiSentinel80在20km高度短暫滯空8h,，但因飛行控制故障處于自由飄飛狀態(tài)，下降過(guò)程中又因氦氣閥故障導(dǎo)致無(wú)法順利降落,。 HiSentinel系列飛艇均采用傳統(tǒng)流線(xiàn)型氣動(dòng)布局外形,，無(wú)副氣囊,，充氣尾翼為倒“Y”型。系統(tǒng)組成包括能源子系統(tǒng),、推進(jìn)子系統(tǒng),、囊體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng),、測(cè)控子系統(tǒng),、飛行控制子系統(tǒng)、回收分系統(tǒng),、發(fā)放分系統(tǒng)和保障分系統(tǒng)等,。考慮到HiSentinel20留空時(shí)間較短,，因此未采用可循環(huán)再生能源系統(tǒng),，而是使用一次性鋰電池組為艇上電氣、載荷設(shè)備提供120V電壓,，主電池艙布置在了近飛艇鼻錐區(qū)域底部,；反觀(guān)HiSentinel50和HiSentinel80飛艇，預(yù)先設(shè)計(jì)留空時(shí)間超過(guò)24h,，所以采用太陽(yáng)能光伏陣列電池與儲(chǔ)能電池組的聯(lián)合供電方式,。其中，HiSentinel50的太陽(yáng)能電池光伏陣列由轉(zhuǎn)化效率為16.8％的低成本,，商業(yè)級(jí)電池組成,，兩個(gè)電池并排排列串聯(lián)產(chǎn)生121V電壓來(lái)為艇上用電系統(tǒng)供能；HiSentinel80的電池單元是由USASMDC/ARSTRAT提供,，該1.2kW的光伏陣列電池通過(guò)串聯(lián)安裝在92個(gè)電池單元內(nèi)能提供120V電壓,，電池于艇體內(nèi)Z字形折疊，可隨著飛艇的攀升而慢慢自動(dòng)展開(kāi),，到駐空高度時(shí)接近水平狀態(tài),。圖3為HiSentinel20、50和80型號(hào)飛艇的總體布局圖,。 （a）HiSentinel20總體布局設(shè)計(jì) （b）HiSentinel50總體布局設(shè)計(jì) （c）Hisentinel80總體布局設(shè)計(jì) 圖3 HiSentinel系列飛艇總體布局 載荷吊艙安裝在艇體的底部,，正好位于飛艇重心前方，通過(guò)安裝桁架可以調(diào)節(jié)吊艙位置,，載荷艙包含HiSentinel飛艇大部分航電設(shè)備,。隨著HiSentinel型號(hào)的更替，所搭載的有效載荷發(fā)生了變化,，但所有型號(hào)都保持了光學(xué)/相機(jī)系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)電鏈路部件,。圖4為HiSentinel80載荷艙布局形式。 圖4 HiSentinel80載荷艙布局 相比于HiSentinel20飛艇,，HiSentinel50,，80飛艇的吊艙中多配備了用于備份遙測(cè)和控制的銥衛(wèi)星收發(fā)器,，攝像機(jī)數(shù)量由3臺(tái)增加到了8臺(tái)，同時(shí)增加了AFRL備份終止,，其他部組件基本一致,。 吊艙內(nèi)的部組件如下 ? 任務(wù)載荷 ? 飛行控制器 ? 主測(cè)控和備份測(cè)控模塊和天線(xiàn) ? GPS接收機(jī)和天線(xiàn) ? S波段視頻發(fā)射機(jī)和天線(xiàn) ? 帶充電控制電路的可充電電池組（16V） ? 電子羅盤(pán) ? 獨(dú)立電子狗 ? 飛行終端控制電路 ? 防撞燈 ? FAA應(yīng)答器和天線(xiàn) ? 兩個(gè)回收用降落傘 ? ARGOS回收用發(fā)射機(jī) ? 前向壓艙物容器和泵 ? 液體壓艙物 ? 氦氣壓力傳感器 ? 溫度傳感器 HiSentinel系列飛艇使用高轉(zhuǎn)矩，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙葉片碳纖維推進(jìn)螺旋槳,，螺旋槳的設(shè)計(jì)飛行高度為19km至23km,，飛行試驗(yàn)前都于新墨西哥州柯克蘭空軍基地的高度艙進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)電機(jī),、萬(wàn)向節(jié),、電池以及設(shè)備吊艙放在-55o~+60oC，40~42mbar的氣壓下連續(xù)測(cè)試3小時(shí),，模擬地球大氣層65,000英尺高度的平流層環(huán)境,，以克服寒冷的臨近空間環(huán)境來(lái)達(dá)到最佳推進(jìn)效率（如圖5所示）。推進(jìn)系統(tǒng)安裝在艇體尾部,，通過(guò)固定在艇體上的三個(gè)支架安裝在氣囊上,，其它零部件均采用被動(dòng)熱設(shè)計(jì)封裝，以保護(hù)設(shè)備免受惡劣的平流層環(huán)境的影響,，并提供被動(dòng)熱控制,。 HiSentinel系列飛艇的推進(jìn)系統(tǒng)組成如下 ? 推進(jìn)電機(jī)與折疊螺旋槳 ? 萬(wàn)向節(jié)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) ? 指南模塊 ? 電機(jī)控制模塊 ? 溫度傳感器 圖5 HiSentinel飛艇螺旋槳于柯克蘭空軍基地高度艙進(jìn)行測(cè)試 早在2012年，美國(guó)政府問(wèn)責(zé)署（GAO）曾在國(guó)防部的飛行器和飛艇項(xiàng)目的研究報(bào)告中揭露了關(guān)于輕于空氣飛艇研發(fā)和采辦所面臨的技術(shù),、風(fēng)險(xiǎn),、設(shè)計(jì)和經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，這導(dǎo)致了美國(guó)在ISIS,、HALE-D,、HiSentinel等一些平流層飛艇項(xiàng)目的研制工作停滯。HiSentinel項(xiàng)目雖未能取得實(shí)質(zhì)性的成功,，但其在飛行經(jīng)驗(yàn),、總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)及模擬試驗(yàn)方面給后續(xù)平流層飛艇的設(shè)計(jì)制造提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)和資料,。作為未來(lái)空臨天地一體化作戰(zhàn)的重要組成部分,，平流層飛艇具有廣闊的軍用和民用市場(chǎng)，其研究意義和價(jià)值不可估量,，但至今仍未實(shí)現(xiàn)一款能在平流層持久運(yùn)行的飛艇,，主要原因是平流層飛艇的運(yùn)行環(huán)境、熱特性,、氣動(dòng)特性和控制特性等顯著區(qū)別于低空飛艇和其他航空器,，給飛艇長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行帶來(lái)極大的困擾和不便，嚴(yán)重影響飛艇的正常航行和控制,。僅從技術(shù)層面來(lái)說(shuō),，臨近空間浮空器最主要的難點(diǎn)在于材料,、能源、動(dòng)力和飛行控制三個(gè)方面,。參考HiSentinel系列飛艇的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),，HiSentinel飛艇在囊體材料、動(dòng)力和飛行控制方面都發(fā)生過(guò)故障,，在能源平衡方面,，由于缺乏24h以上的留空飛行，未能驗(yàn)證太陽(yáng)能光伏電池陣列設(shè)計(jì)的可靠性,。  總結(jié)HiSentinel項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),，得到如下經(jīng)驗(yàn)和啟示： （1）超壓囊體設(shè)計(jì) 作為HiSentinel項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)主要設(shè)計(jì)師之一的I.S.Smith曾提出可以采用飛行54天的ULDB囊體的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制造大型平流層飛艇氣囊,，以提高飛艇抵御平流層惡劣環(huán)境的能力,。目前，我國(guó)的蒙皮材料主要依賴(lài)于進(jìn)口,，臨近空間浮空器蒙皮使用的是多層復(fù)合設(shè)計(jì),，對(duì)于材料的選擇需要綜合考慮材料強(qiáng)度質(zhì)量比、焊接強(qiáng)度,、壽命和使用環(huán)境要求,、氣密性及成本等因素，加強(qiáng)熱合,、膠結(jié)和縫合等加工工藝水平,，保證加工質(zhì)量的一致性，以期滿(mǎn)足耐紫外線(xiàn)照射和大溫差,、防止氦氣滲漏等多項(xiàng)要求,，進(jìn)而提高囊體的整體質(zhì)量水平。 （2）總體布局設(shè)計(jì) 基于較為成熟的低空飛艇技術(shù)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),，演化出平流層飛艇的總體布局思路,，是國(guó)內(nèi)外平流層飛艇總體設(shè)計(jì)的常用手段。在HiSentinel飛艇囊體外形設(shè)計(jì)中,，采用的都是低氣動(dòng)阻力系數(shù)的傳統(tǒng)流線(xiàn)型艇體,，這大幅度降低了對(duì)能源和推進(jìn)系統(tǒng)的要求，且利于減少系統(tǒng)總重量,，但無(wú)法解決流線(xiàn)形囊體由于曲率半徑大,，對(duì)蒙皮材料強(qiáng)度要求更高的問(wèn)題。因此,，在未來(lái)的平流層飛艇研制計(jì)劃中,，一方面可立足于現(xiàn)有蒙皮材料技術(shù)，發(fā)展常規(guī)流線(xiàn)形布局小載重自主可控平流層飛艇,，并隨著纖維強(qiáng)度提高,，逐步增加載荷能力,；另一方面可通過(guò)艇囊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)增加艇囊耐壓能力，如飛艇外圍布置單向或雙向加筋結(jié)構(gòu),、網(wǎng)罩加筋結(jié)構(gòu)和局部環(huán)向增強(qiáng)等,。 平流對(duì)流 遠(yuǎn)望一流 《時(shí)史文科》  |
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