1 传感器飞行器的概念
传感器（qì）飞行器（qì）（SensorCraft）概念由美国空军研究实（shí）验室（AFRL）提出，旨（zhǐ）在为一种未来作（zuò）战（zhàn）能力开发使（shǐ）能技术（shù）。作（zuò）为（wéi）一种吸气式飞行器，传感器（qì）飞行器被（bèi）认为是（shì）全集成 ISR (情报、监视和侦察)系统的组（zǔ）成部分（fèn），该 ISR 系统能（néng）将整个空、天（tiān）、地的（de） ISR 设施有机地集成到一起（qǐ），参见（jiàn）图1。这种技术结构远远超（chāo）出了交（jiāo）互导引（crosscueing）一（yī）类的简单信息（xī）融合概念，实现了自动整合，使传感器（qì）性能大大（dà）提升（shēng），从而能（néng）够识别各种伪装（zhuāng）的、隐蔽的和虚假（jiǎ）的目标。此外，这种传感（gǎn）器（qì）无人机还能够与天基设施进行多点（diǎn）静（jìng）态协同，并且能够从地面传感器获取数据。
传感（gǎn）器（qì）飞行器本身是一种高空长航时 ISR 平（píng）台，可为持久性战场态势（shì）感知（zhī）系统（tǒng）提供信（xìn）息，按（àn）计划将于（yú）2015年投入（rù）使用。
2 传感器（qì）飞（fēi）行器的构型（xíng）
传感器飞行器是利用传感器构造（zào）的（de）飞行器，而不是在飞行（háng）器上搭载传感器。它首次（cì）体（tǐ）现了传感（gǎn）器与飞行器的综合一体化设（shè）计思想，其设计理念要求突破（pò）传统飞行器设（shè）计中传感器的附属（shǔ）地位，将传感器性能发挥作为一种（zhǒng）总（zǒng）体设计约（yuē）束（shù）增加到系统的方（fāng）案设计过程之中，真正（zhèng）体现（xiàn）了平台与载荷的无缝融合，实现了传感器即是结构件（jiàn）的（de）目的。
设（shè）计传感器飞行器（qì）的构型必须考虑高度、航程、航时、有效（xiào）载荷以及传（chuán）感器视场（chǎng）等因（yīn）素，或者说是必须对这些因素进行综合权衡。参（cān）与传感器飞行器研（yán）发的公司（sī）主要包括波音、格鲁曼和洛马等。这些公（gōng）司主要提出了（le）6种传感器飞行器构型（xíng）概念，大致可以分为（wéi）3种类型，分（fèn）别为（wéi）连接翼构（gòu）型（joined-wing configuration)、飞翼构（gòu）型（flying-wingconfguration）和（hé）机翼机身尾（wěi）翼组合构型（WBT,wing-body-tailconfguration）。
2.1 连接翼构型传感器飞（fēi）行器（JWSC）
连接翼（yì）构型传感器飞行器（JWSC）由波（bō）音公司提出，该机型（xíng）的（de）设计航时为 32h，巡（xún）航速（sù）度为 Ma = 0.8，有效载（zǎi）荷为4176.80kg。由于这种构型的后掠角（jiǎo）较大，所以速度高于另外（wài）两种（zhǒng）机型。速（sù）度（dù）较大能带来多种优（yōu）势（shì），但同时在气动弹性（xìng）方面也会不可避免地存（cún）在（zài）气动非线性问（wèn）题。
JWSC 具有两方面的优势，第一（yī），当所（suǒ）有 4 个机翼上都嵌有传感器孔径时，它能够提供完全无遮拦的 360° 全（quán）方位传感（gǎn）器视界角覆盖面；第二，连接翼的拥护（hù）者相信，与（yǔ）常规 WBT 构型相比，在相同航时和有效（xiào）载荷条件（jiàn）下（xià），这种概念（niàn）的构型有（yǒu）可能（néng）减少 30% 的（de）机翼结构重量并且相应减（jiǎn）少 5% 的诱导（dǎo）阻力。
即便不考虑 JWSC 能够改进（jìn）空（kōng）气动力或降低重量，单（dān）凭其（qí）传感器（qì）视场性（xìng）能就已（yǐ）经具有足（zú）够的说服力（lì）。另外，连接翼（yì）构型还可以在前翼和后翼上为气动舵面提供许多（duō）可能的位（wèi）置，使之（zhī）对嵌在机（jī）翼上的传（chuán）感（gǎn）器影响降（jiàng）到（dào）最低。
2.2 飞翼构型传感（gǎn）器飞行器（qì）
飞翼构型（xíng）由格鲁曼公司提出（chū）,该机（jī）型（xíng）的设计航时为50h，巡航速度为Ma=0.65，其有（yǒu）效载荷为 3178.00kg。这种（zhǒng）无尾飞行器的设计难度（dù）极大，获（huò）得令人满意（yì）的驾驭（yù）品（pǐn）质以及控制和动态稳定性非常（cháng）困难。如果能够（gòu）克服这些问题，飞翼飞（fēi）行器将具有很多（duō）优点，例如（rú）可以降（jiàng）低寄生阻（zǔ）力、重量较轻（qīng）、与（yǔ）有效（xiào）载（zǎi）荷、速度、航时和高（gāo）度相同的 WBT构型（xíng）相比，其结构更加简单（dān）。
对传感器飞行器来说（shuō），这种特（tè）定构型同样能（néng）够（gòu）保证在雷（léi）达孔径非常大（dà）的（de）情况下获得 360° 的雷达覆盖面。通过把（bǎ）雷达（dá）孔径集成到蒙皮中作为主要的（de）载荷承载（zǎi）结构，可（kě）以使大尺寸（cùn）机翼（yì）成（chéng）为天线，从（cóng）而也使（shǐ）传（chuán）感器（qì）覆盖面实现最大化（huà）。机（jī）翼后（hòu）掠和（hé）天（tiān）线位置相结（jié）合可以使前后部的集成结构天线实现360°角视场。
2.3 WBT 组合（hé）构型传感器飞行器
WBT组合构型传（chuán）感器（qì）飞行（háng）器由洛马公司（sī）提出（chū），该（gāi）机型的最大设计航时（shí）为40h，巡航速度为 Ma = 0.6，有效载荷为 2724.00kg。
3 传感器飞（fēi）行器的设计挑战
设计传（chuán）感器飞行器面临许多挑战，其中包括在保证获得最小重量和（hé）阻力的（de）同时将大尺寸天（tiān）线阵列集（jí）成于机体（tǐ）、使流过后掠翼构（gòu）型的（de）层流得到延伸（shēn）、进行多点气动设计优化、对柔（róu）性（xìng）机（jī）体引发的（de）气动弹性机体变形进行（háng）控制（zhì）。
传感器飞行器研发计划（huá）中的飞行器结构性能提升技术，其中（zhōng）包括通过自适应结构实现（xiàn）飞行中形状（zhuàng）改变、采用先进的主动气（qì）动弹性机翼设计原理、后掠翼层（céng）流控制、通过主动气流控制或常规舵面实（shí）现主动阵风载荷衰减。另（lìng）外，研（yán）究人（rén）员（yuán）也在考虑（lǜ）通过主（zhǔ）动气流控制减缓（huǎn）由（yóu）激波、结（jié）合（hé）部或其它非气动表面引起的气流分离（lí）。当（dāng）然，这些技术只是（shì）传统飞行（háng）器设（shè）计优化技术的补充。
将大（dà）尺寸天线和孔径集成于（yú）机体是设计（jì）人（rén）员面临的最大（dà）挑战之一。传（chuán）感器飞行（háng）器需要利（lì）用这些大尺寸天线提供高增益和叶簇穿透（tòu）雷（léi）达能力以及探测极端隐蔽（bì）目标（biāo）的关键传感器（qì）模式。这种大孔径与（yǔ）结构的集（jí）成对于降（jiàng）低（dī）飞行器空载重量（liàng）至关重要（yào）。传统天线（xiàn）与结构载荷相互隔离（lí），而传感器飞行器（qì）的天线必（bì）须承受载荷，所以设计者必须使天（tiān）线（xiàn）的每个构成部件，或者说天线的（de）每一层都尽可能像结（jié）构一样有效（xiào）。为了达到相应的质量（liàng），设计师必须满足诸多（duō）结构需求，当涉及到（dào）多（duō）种材（cái）料和粘结（jié）层时，这（zhè）种（zhǒng）要（yào）求将会（huì）面临更（gèng）大的挑战（zhàn）。
4 JWSC的设计难度和飞行试（shì）验计划
以JWSC独特的连接翼构型（xíng）为例，它（tā）需要解决的主要问（wèn）题（tí）是将（jiāng）共形（xíng）叶簇（cù）穿（chuān）透雷达天（tiān）线（xiàn）集成到飞行器的前、后机翼上，以便提供持续的360° 雷达覆盖面。这种能力对于执行（háng）ISR任务非常有利，但同时也需要付（fù）出代价。先前对连接翼构型飞（fēi）行器的计算研究表明，由（yóu）于存（cún）在较大偏转和非守恒力，有可能会导致后机（jī）翼翘曲，进（jìn）而会（huì）产生严（yán）重（chóng）的几何（hé）非线性问题。通（tōng）过加强机翼（yì）有（yǒu）可能（néng）消除这种非线性（xìng）特性，但同时（shí）在飞行器展弦比和（hé）结构重量方面也会遭受很大（dà）损失，从而使飞行器（qì）的性能大打折扣（kòu）。为避免这种损失，需要进行非线（xiàn）性气（qì）动弹性设计、分（fèn）析和试验，以保证JWSC在执（zhí）行预（yù）定的ISR任务时能（néng）够承受这（zhè）种非（fēi）线性响应。因此，AFRL要求利用1/9缩比遥（yáo）控飞行器（RPV）进行飞行试（shì）验，旨在利用这种经（jīng）济而有效的方式（shì）对相（xiàng）关非（fēi）线性（xìng）气动弹性响（xiǎng）应进（jìn）行研究并对原（yuán）有的计算模（mó）型进行验证。
JWSC的（de）飞行（háng）试验计划（huá）包括（kuò）两项阶段性计划，分别为飞行验（yàn）证计划和气（qì）动弹（dàn）性响应研究计划：
飞（fēi）行（háng）验证计划涉及几何缩比遥控飞（fēi）行器（GSRPV）的概念设计，这种飞（fēi）行器具有等效刚体动力学特性（也（yě）即保持原有的空气动（dòng）力学特性、总体质量和惯性矩，但是（shì）不进行气动（dòng）弹（dàn）性缩比）。飞行验证计（jì）划的设计（jì）内（nèi）容包括：确定建造方（fāng）法、进（jìn）行飞行试验设备（bèi）选择与集成、控制系（xì）统（tǒng）调适、制定飞行试验计（jì）划。飞行验证（zhèng）计划还（hái）涉及（jí）建造一些初级模（mó）型并进行试（shì）飞，以确定飞行质量和调适需（xū）求（qiú）。
气动弹性（xìng）响应（yīng）研究计划涉（shè）及建造（zào）和研发实现了气动弹（dàn）性（xìng）调适的RPV并且进（jìn）一（yī）步制定后一阶（jiē）段（duàn）的飞行试（shì）验（yàn）计划。该项（xiàng）工作（zuò）的目的是（shì）设计（jì）第二组机翼，以便（biàn）用于已实现几何缩比的飞（fēi）行器（qì）。该项设计完成后，将（jiāng）对（duì）完成了气动弹（dàn）调适的飞（fēi）行器进（jìn）行飞行试验，以便对（duì）试（shì）验飞行器在（zài）飞行中（zhōng）的非线性（xìng）响（xiǎng）应进行量化。
JWSC的（de）飞行试（shì）验计划采（cǎi）用循（xún）序渐（jiàn）进的方式，并且（qiě）为此（cǐ）研发了一（yī）系列飞行器，其复杂程度和风险程（chéng）度逐渐提高，目的是（shì）解决包括临界稳定（dìng）性在内（nèi）的各种设计问题。
5 结束语
传感器飞行器（qì）是未来战（zhàn）场信息传（chuán）递的关键平台，连接翼构型（xíng）是传感器飞行器最有（yǒu）希（xī）望（wàng）的候选构（gòu）型。由于其内在特点, 连接（jiē）翼构（gòu）型传（chuán）感（gǎn）器飞行器的研（yán）制过程要求不同学科和技术的（de）相互交叉（chā）融合。对连接翼构型传感器飞行器（qì）设计起决定作用的技术是多学科设（shè）计优化（huà）技术、多功（gōng）能复合（hé）材料设计制造技术以及主动气动弹（dàn）性设计技术（shù）。（来源：海鹰资（zī）讯，作者：航天三院三部（bù） 刘大勇 刘佳)
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