設計目標令人咋舌
“禿鷹”(Vulture)計劃是“超高空、超續航、戰區巡航的無人偵察單元”(Very-high altitude，Ultra-endurance，LoiteringTheatre Unmanned Reconnaissance Ele―ment)的英文縮寫，旨在研制壹種具有5年續航時間的無人駕駛平臺。外界通常也將其稱為“無限續航”無人機。嚴格來說，這是壹個技術探索計劃，主要目的是研究無人機實現“無限續航”的可行性，力求推動各項關鍵技術的發展和成熟，特別是發展飛行器各系統的可靠性技術。
這項計劃是DARPA近年來提出的“碧空”計劃之壹，也是“綜合傳感器即飛行器結構”(ISIS)計劃的後續補充。2007年6月7日，DARPA的戰術技術辦公室在公布這項計劃時，重點強調了超長續航時間在偵察、情報和監視(ISR)任務中具有很大的優勢，可以為持續穩定執行任務提供前所未有的能力。然而，DARPA並沒有具體說明將續航時間定為5年的原因，而且也沒有具體定義無人機的任務或有效載荷類型，只是希望將無人機的飛行邊界推進到極限。
“禿鷹”計劃的橫空出世引發了飛機設計領域的極大震驚，人們的第壹感覺就像是“唐吉柯德在挑戰風車”。就技術能力而言，目前大多數無人機的續航時間是以小時計算，而“禿鷹”計劃則力圖推動長航時無人機的關鍵技術發展，創造目前無法想像的飛行紀錄，希望由此改變人們對於飛機的固有觀念。
針對潛在的軍事用途，DARPA已經將“禿鷹”計劃的目標初步設定為：能夠攜帶450千克、額定功率5千瓦的有效載荷；具有足夠的巡航速度；可以不間斷地在2萬～2.7萬米高空飛行5年：可靠性達到99％，並具備很高的完成任務成功率。經過初步論證，DARPA提出了三種基本結構發展思路：壹種是超可靠的獨立系統，相當於壹顆衛星；壹種是模塊化飛行器，各部分可以飛回基地進行維護和修理；壹種是無人機，能夠在空中時長期服役並可以及時得到替換。
可以看出，“禿鷹”計劃的目標實質上是研制壹種工作方式類似於衛星的無人機，但是不會受到軌道參數的限制，也無需依賴國外基地。相比於繞地球軌道運行的衛星來說，它可以長時間地在戰場上空近2萬米的同溫層內飛行，將有助於顯著增加機載傳感器的分辨率，而且具備更大的靈活性，特別是能夠徘徊在軍事沖突地區的上空、
DARPA將“禿鷹”計劃分為三個階段：首先是概念定義階段，通過優化概念來降低風險；第二階段將制造壹架1/6縮比無人機進行為期三個月的飛行試驗；第三階段將制造、裝配和試飛壹種全尺寸驗證機，要求攜帶設計載荷試飛長達壹年時間。目前，各家公司正在第壹階段內進行軍事用途分析，發展各種作戰概念，詳細定義目標系統。
關鍵技術亟待解決
隨著“禿鷹”計劃的公之於眾，“無限續航”無人機概念面臨的諸多技術挑戰也逐步引起關註。這些挑戰涉及到環境能量獲取、高密度能量儲存、高效的推進系統、增加系統可靠性、高效的飛行器結構設計、緩解材料和系統在同溫層內長時間飛行出現老化等壹系列問題。其中，能量系統和可靠性則成為重中之重。
首先必須解決的是推進系統方案，其核心是能量獲取和儲存的方式，對於超長續航時間飛行器而言，目前有三種能量循環的解決方案。其壹是核動力，但被明確禁止考慮。其二是通過空中補充燃料，很大程度上依賴自主空中加油技術，然而與活塞式發電機和燃氣渦輪發電機相比，最令人感興趣的是燃料電池，因為它們具有更高的效率和更高的可靠性。第三種方案是太陽能。
相比之下，無人機采用太陽能動力展示出了良好的發展前景，似乎成為壹個較為穩妥的途徑，但仍然局限在日照時間較長的夏季使用。2007年，NASA曾經公布了壹系列高空長續航(HALE)無人機的概念，然而，這些概念中沒有壹個最終能夠達到6個月續航時間的目標。因此，如何更加有效利用太陽能，發展壹種行之有效的能量儲存技術，以解決夜間提供足夠電能的問題，已經成為超長續航無人機必須跨越的壹個技術障礙。
“無限續航”無人機的系統可靠性成為重點考慮的壹個方面。據DARPA介紹，“禿鷹”計劃的可靠性目標是當前“全球觀測者”無人機的200倍，目前除了衛星之外，沒有人會考慮飛機連續飛行5年的可靠性。為此，DARPA強調“禿鷹”計劃的設計方案必須按照航天工業的標準進行，而不是按照航空工業的標準，這樣才能滿足苛刻的任務要求。
與衛星相比，無人機的工作環境是明顯不同的。對無人機而言，晝夜的循環交替時間更長，因此，它在相當寒冷的環境內浸透之後，又進入到了極端酷熱的環境中、與空間運行的衛星相比，無人機受到的輻射較少，但是相比於地面而言，仍然受到了更強的紫外線照射，這涉及到各種材料的老化問題。
同樣，“無限續航”無人機在機翼結構設計上面臨著過度扭曲的風險。為了能在同溫層內長時間續航，無人機在設計中必須采用超大展弦比機翼來獲得太陽能然而，這種布局的壹個特點是在氣動載荷的作用下，會產生很大的彈性變形～特別是從地面起飛後，在逐步上升到同溫層的過程中，時常會遭遇到對流層內的大氣擾流。造成機翼過度扭曲，嚴重情況下甚至會導致解體。因此，如何解決超長續航能力與超大展弦比布局之間的矛盾，成為“禿鷹”計劃探索創新的壹個重要方面。
“西風”方案初露端倪
DARPA之所以啟動“禿鷹”計劃，並非空穴來風，而是意在進壹步推動高空長續航無人機的飛躍性發展。此前，DARPA就關註過多種高空長續航無人機的設計方案，如以液氫燃料電池為動力的“全球觀測者”無人機。然而由於這些方案的續航時間仍然有限，DARPA轉而對英國奎奈蒂克公司的“西風”太陽能無人機產生了興趣。
“西風”是壹種翼展達16米，但重量只有27千克的輕型太陽能無人機，覆蓋在機翼上部的太陽能電池組在白天為飛機提供動力，同時將能量儲存在電池組內，以便在夜晚繼續提供充足的動力。它的設計目標是實現在15240米以上高度連續飛行數月時間。2006年7月，壹架“西風”無人機持續飛行了18個小時，其中包括在夜間飛行了7小時。在壹系 列試飛中，“西風”除了確認預期的飛行性能外，還用進行了有效載荷試飛，不僅首次成功地進行了通信中繼演示，在山區地形中實現了超視線通信，而且還攜帶不同的光電／紅外傳感器，成功獲取了光電／紅外混合圖像。
在DARPA發布了“禿鷹”計劃的設計目標後，波音公司就與奎奈蒂克公司展開合作，借助已經試飛多年的“西風”無人機為平臺，為“禿鷹”計劃提供所經過驗證的有關技術，特別是重點研究了能量儲存的要求。
2007年，奎奈蒂克公司重新設計了“西風”，將翼展增加到18米，重量為30千克，加裝了壹個定制的自動駕駛儀，使其更加接近於壹個實際作戰使用系統最關鍵的改進之處是采用了太陽能效應公司研制的新型非晶矽太陽能電池組，其厚度僅相當於幾張紙，可以在白天高效地吸收太陽能，同時還換裝了SION動力公司研制的壹套鋰硫電池和全新的充電器，顯著提高了電源系統的儲存效率9月10日，該機攜帶壹種監視載荷完成了54小時的持續飛行，飛行高度達到17 780米，創造了新的持續飛行紀錄，
時隔不到壹年，“西風”再次打破了持續飛行時間的紀錄。今年7月28日，該機在美國亞利桑那州的尤馬試驗場升空，直到31日才返回地面，不間斷地飛行了82小時37分，這壹時間大大超過了目前由“全球鷹”保持的30小時24分的飛行記錄。根據計劃，奎奈蒂克公司將進壹步優化“西風”的各項關鍵技術，力爭在兩年內達到持續飛行數月之久的設計目標。
與“西風”有所不同的是，波音公司提出的“無限續航”無人機成倍地增大翼展，采用了超大展弦比設計，電驅動的螺旋槳也相應增加。特別值得註意的是，設計人員並未采用原有的單尾撐+垂尾+平尾布局，而是采用了雙尾撐+倒V字的尾翼，力圖通過控制翼面增強操縱能力，以避免“太陽神”無人機曾經出現的俯仰振蕩。
然而，超大展弦比的設計仍然存在機翼過度扭曲的潛在危險。為了及時探測到前方的湍流，該方案分別在左、右機翼和尾翼安裝了大氣紊流探測系統。壹旦無人機飛入湍流中，前伸的探測管將首先測量出湍流的有關數據，機載控制系統將立即發出相關指令，及時地調整飛行狀態，避免陷入過度扭曲的狀態。為了解決這方面的不足，波音公司正在嘗試采用更有效的復合材料，進壹步優化現有的結構設計，以便最終提交壹個較為滿意的方案。
“奧德修斯”浮出水面
與“西風”方案相比，極光飛行科學公司大膽突破傳統設計理念，提出了壹個令人出乎意料的“奧德修斯”方案，成為“禿鷹”計劃強有力的競爭者。從能源獲取方式來看，極光公司仍然利用太陽能，依然面臨著太陽能無人機所***有的各種問題。然而，“奧德修斯”無人機的新穎之處在於采用了模塊化設計，有可能較好地解決所面臨的結構扭曲、能源獲得和可靠性等方面的技術難題。
從設計方案可以看出，“奧德修斯”無人機與眾不同之處是由三個完全壹樣的模塊飛行器鉸接成壹體。模塊飛行器采用平直機翼，翼展50米，重1350千克，前緣安裝了三個螺旋槳，由太陽能電池驅動。同時，它采用了十字形尾翼，可以繞著尾撐軸旋轉，獨立控制模塊飛行器的姿態變化，改變無人機在飛行的總體構型。
從使用的角度來看，各個模塊能依次從地面起飛，飛行到預定的高空對接點後，再借助於自動對接技術結為壹體，從而組成壹架超大展弦比無人機，翼展達150米。“奧德修斯”的模塊化設計，有利於克服超大展弦比布局在起飛上升階段所面臨的問題，明顯增強了在對流層中抵抗湍流的能力，從而避免了機翼過度扭曲可能導致的結構破壞。
“奧德修斯”的模塊化設計還有效地提高了太陽能吸收效率。三個模塊可以根據飛行和能量獲取的需要改變總體構型。白天飛行時，隨著陽光照射角度的變化，無人機可以通過十字形尾翼調整三個模塊飛行器的傾斜角度，將超大展弦比機翼變換為壹種折疊式機翼。
通過這種方式，無人機至少有兩個模塊的機翼上表面能夠最大程度地接受陽光照射，使太陽能電池獲取能量的效率比平直機翼狀態下提高4～5倍，較好地保證了太陽能無人機可以在全年正常飛行。而至1了夜晚，“奧德修斯”可以重新伸展成為超大展弦比的平直機翼，從而以阻力最小的外形持續飛行，有效地節省機內儲存的電能。
針對“禿鷹”計劃所要求的工作可靠性，極光飛行科學公司並未墨守成規，而是充分利用模塊化結構的優點，在保持無人機空中值守完好率的前提下，可以隨時更換模塊化飛行器。目前，日漸成熟的自動空中加油技術已經為模塊飛行器的對接和脫離提供了技術可行性，任何壹個模塊飛行器如果在任務飛行中出現了故障，就可以脫離無人機，單獨返回基地進行修理。即使整個無人機沒有明顯故障，極光公司也打算在飛行1～2年以後，輪流讓每段模塊飛行器脫離無人機，返回基地進行常規維護，在此期間將用新的模塊對接後繼續執行飛行任務。
截至目前，參與“禿鷹”計劃的洛克希德?馬丁公司尚未公開自己的無人機方案，而承擔設計任務的鬼怪工廠很有可能會提出壹種令人始料不及的概念設計，非常值得關註。毫無疑問，隨著“禿鷹”計劃的不斷推進，DARPA將在飛機設計理念方面邁出了前所未有的壹大步。
編輯 秦蓁