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HiSentinel项目是美国陆军空间和导弹防御司令部（USASMDC/ARSTRAT）的一项高空平流层飞艇计划，其目的是开发一种军用低成本的通信、情报侦察和监视的小载重、无人动力临近空间飞艇。 美国陆军从1996年开始推动高空平流层飞艇计划，前期以西南研究所（SwRI）和Aerostar International为主的承包团队研发并测试了三艘名为Sounder的第一代飞艇（如图1所示），而第二代被指定为HiSentinel飞艇。西南研究所与Aerostar团队前后进行了六次高空飞艇的工程飞行，其中五次飞行高度超过65000英尺。 图1 高空平流层飞艇计划第一代Sounder系列飞艇 HiSentinel项目计划开发一个完整的平流层飞艇系统，该系统包括平流层飞艇、地面支持系统、气象保障系统、地面控制站以及任务载荷在内。HiSentinel项目研发团队主要由西南研究院（SwRI），Aerostar国际公司，COLSA和空军研究实验室（AFRL）构成。其中，西南研究所承担飞艇的总体设计工作，并提供配备遥测技术、飞行控制和推进系统；Aerostar国际公司主要负责飞艇囊体的加工制造，同时参与系统的装配调试和飞行试验；COLSA提供艇上任务载荷集成和测试工作，空军研究实验室（AFRL）则研制地面发放系统，制定发放程序，提供发放设施，并在飞行试验中负责HiSentinel飞艇的发放和回收工作。 HiSentinel项目平台是由一系列采取战术发放、长时留空并自主可控的平流层飞艇组成。系列低成本飞艇能将9~90kg重的任务载荷搭载到平流层高度持续工作数月时间。此外，HiSentinel飞艇旨在从偏僻地区进行发放，相比于常规飞行器，不需要地面起飞跑道、大型机库或其他地面辅助设施，且能免受现有防空武器的威胁，一旦快速机动部署在指定作战区域，能立刻为作战人员提供通信中继、网络通信和持久情报、监视和侦察服务。 下图2为美国HiSentinel飞艇原计划研发进度时间表。由图可知，HiSentinel项目最初的研究进程中，着重于对任务载荷能力为50磅和200磅的平流层飞艇开发，计划飞行试验也是每年一次。但2005年~2011年期间，美国仅完成型号为HiSentinel20、HiSentinel50和HiSentinel80飞艇的平流层飞行任务，其数字20、50、80分别代表飞艇搭载任务载荷的重量，实际研发方案和进度与计划相差较大。在2007-2012年期间，HiSentinel项目共收到了国防部1120万美元资金支持，但自HiSentinel80飞艇试飞结束后，未能获取军方后续的财政支持，HiSentinel项目至今仍处于停滞阶段。 图2 HiSentinel飞艇原定研发计划  2005年11月8日，HiSentinel20（也称CHHAPP）在新墨西哥州罗斯韦尔进行首飞，成功完成了飞行试验，飞行高度约为22km，但由于囊体的氦气损失导致螺旋桨与艇身接触导致推进系统控制失效而提前回收，前后飞行时间为5h，它是继HALE-D后，历史上第二个在高空动力推进飞行的平流层飞艇。 2008年6月4日，HiSentinel50从新墨西哥州霍洛曼空军基地进行了首次飞行试验，发放期间飞艇释放速度较慢，推进装置与发放台发生碰撞，在攀登到20238m高度后短暂驻留了3分钟，但艇囊内外压差超过阈值导致囊体破裂，随后降落至地面，前后飞行时间约为2h。 2010年11月10日，HiSentinel80从亚利桑那州佩奇进行了首次飞行试验，此次试验目的是获取HiSentinel80的性能参数以及测试有效载荷的工作性能。HiSentinel80在20km高度短暂滞空8h，但因飞行控制故障处于自由飘飞状态，下降过程中又因氦气阀故障导致无法顺利降落。 HiSentinel系列飞艇均采用传统流线型气动布局外形，无副气囊，充气尾翼为倒“Y”型。系统组成包括能源子系统、推进子系统、囊体结构子系统、测控子系统、飞行控制子系统、回收分系统、发放分系统和保障分系统等。考虑到HiSentinel20留空时间较短，因此未采用可循环再生能源系统，而是使用一次性锂电池组为艇上电气、载荷设备提供120V电压，主电池舱布置在了近飞艇鼻锥区域底部；反观HiSentinel50和HiSentinel80飞艇，预先设计留空时间超过24h，所以采用太阳能光伏阵列电池与储能电池组的联合供电方式。其中，HiSentinel50的太阳能电池光伏阵列由转化效率为16.8％的低成本，商业级电池组成，两个电池并排排列串联产生121V电压来为艇上用电系统供能；HiSentinel80的电池单元是由USASMDC/ARSTRAT提供，该1.2kW的光伏阵列电池通过串联安装在92个电池单元内能提供120V电压，电池于艇体内Z字形折叠，可随着飞艇的攀升而慢慢自动展开，到驻空高度时接近水平状态。图3为HiSentinel20、50和80型号飞艇的总体布局图。 （a）HiSentinel20总体布局设计 （b）HiSentinel50总体布局设计 （c）Hisentinel80总体布局设计 图3 HiSentinel系列飞艇总体布局 载荷吊舱安装在艇体的底部，正好位于飞艇重心前方，通过安装桁架可以调节吊舱位置，载荷舱包含HiSentinel飞艇大部分航电设备。随着HiSentinel型号的更替，所搭载的有效载荷发生了变化，但所有型号都保持了光学/相机系统和无线电链路部件。图4为HiSentinel80载荷舱布局形式。 图4 HiSentinel80载荷舱布局 相比于HiSentinel20飞艇，HiSentinel50，80飞艇的吊舱中多配备了用于备份遥测和控制的铱卫星收发器，摄像机数量由3台增加到了8台，同时增加了AFRL备份终止，其他部组件基本一致。 吊舱内的部组件如下 Ø 任务载荷 Ø 飞行控制器 Ø 主测控和备份测控模块和天线 Ø GPS接收机和天线 Ø S波段视频发射机和天线 Ø 带充电控制电路的可充电电池组（16V） Ø 电子罗盘 Ø 独立电子狗 Ø 飞行终端控制电路 Ø 防撞灯 Ø FAA应答器和天线 Ø 两个回收用降落伞 Ø ARGOS回收用发射机 Ø 前向压舱物容器和泵 Ø 液体压舱物 Ø 氦气压力传感器 Ø 温度传感器 HiSentinel系列飞艇使用高转矩，无刷电动机驱动双叶片碳纤维推进螺旋桨，螺旋桨的设计飞行高度为19km至23km，飞行试验前都于新墨西哥州柯克兰空军基地的高度舱进行了环境适应性试验，通过将驱动电机、万向节、电池以及设备吊舱放在-55º~+60ºC，40~42mbar的气压下连续测试3小时，模拟地球大气层65,000英尺高度的平流层环境，以克服寒冷的临近空间环境来达到最佳推进效率（如图5所示）。推进系统安装在艇体尾部，通过固定在艇体上的三个支架安装在气囊上，其它零部件均采用被动热设计封装，以保护设备免受恶劣的平流层环境的影响，并提供被动热控制。 HiSentinel系列飞艇的推进系统组成如下 Ø 推进电机与折叠螺旋桨 Ø 万向节倾转机构 Ø 指南模块 Ø 电机控制模块 Ø 温度传感器 图5 HiSentinel飞艇螺旋桨于柯克兰空军基地高度舱进行测试 早在2012年，美国政府问责署（GAO）曾在国防部的飞行器和飞艇项目的研究报告中揭露了关于轻于空气飞艇研发和采办所面临的技术、风险、设计和经费问题，这导致了美国在ISIS、HALE-D、HiSentinel等一些平流层飞艇项目的研制工作停滞。HiSentinel项目虽未能取得实质性的成功，但其在飞行经验、总体设计、软硬件设计及模拟试验方面给后续平流层飞艇的设计制造提供了丰富的经验和资料。作为未来空临天地一体化作战的重要组成部分，平流层飞艇具有广阔的军用和民用市场，其研究意义和价值不可估量，但至今仍未实现一款能在平流层持久运行的飞艇，主要原因是平流层飞艇的运行环境、热特性、气动特性和控制特性等显著区别于低空飞艇和其他航空器，给飞艇长时间运行带来极大的困扰和不便，严重影响飞艇的正常航行和控制。仅从技术层面来说，临近空间浮空器最主要的难点在于材料、能源、动力和飞行控制三个方面。参考HiSentinel系列飞艇的实践经验，HiSentinel飞艇在囊体材料、动力和飞行控制方面都发生过故障，在能源平衡方面，由于缺乏24h以上的留空飞行，未能验证太阳能光伏电池阵列设计的可靠性。  总结HiSentinel项目的经验教训，得到如下经验和启示： （1）超压囊体设计 作为HiSentinel项目团队主要设计师之一的I.S.Smith曾提出可以采用飞行54天的ULDB囊体的质量标准来制造大型平流层飞艇气囊，以提高飞艇抵御平流层恶劣环境的能力。目前，我国的蒙皮材料主要依赖于进口，临近空间浮空器蒙皮使用的是多层复合设计，对于材料的选择需要综合考虑材料强度质量比、焊接强度、寿命和使用环境要求、气密性及成本等因素，加强热合、胶结和缝合等加工工艺水平，保证加工质量的一致性，以期满足耐紫外线照射和大温差、防止氦气渗漏等多项要求，进而提高囊体的整体质量水平。 （2）总体布局设计 基于较为成熟的低空飞艇技术及设计经验，演化出平流层飞艇的总体布局思路，是国内外平流层飞艇总体设计的常用手段。在HiSentinel飞艇囊体外形设计中，采用的都是低气动阻力系数的传统流线型艇体，这大幅度降低了对能源和推进系统的要求，且利于减少系统总重量，但无法解决流线形囊体由于曲率半径大，对蒙皮材料强度要求更高的问题。因此，在未来的平流层飞艇研制计划中，一方面可立足于现有蒙皮材料技术，发展常规流线形布局小载重自主可控平流层飞艇，并随着纤维强度提高，逐步增加载荷能力；另一方面可通过艇囊结构优化设计来增加艇囊耐压能力，如飞艇外围布置单向或双向加筋结构、网罩加筋结构和局部环向增强等。 平流对流 远望一流 《时史文科》  |
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