隨著關鍵技術的不斷成熟和續航時間的持續增加，“西風”無人機一直保持著太陽能飛行的領先地位，即將接受英國國防部的作戰概念驗證，有望在安全領域和未來戰場上承擔多種任務。

長期以來，多個國家在無人駕駛飛行器領域進行過數次大膽嘗試，力求實現不間斷的長航時飛行，但是一直停留在研制和測試階段。隨著太陽能無人機技術的不斷發展，現由空客公司制造的“西風”（Zephry）無人機在十多年時間里先后突破了多項關鍵技術，已完成了多輪飛行試驗，顯示出潛在的作戰效能。目前，空客公司已經收到了英國國防部的訂單，將在今年年底開始對首批兩架“西風”S無人機進行作戰測試和性能評估，同時已經著手發展更大型的“西風”T無人機，以滿足潛在用戶的使用需求。

“西風”S無人機。

“西風”的發展歷程與關鍵性能

早在2003年，英國國防部下屬的奎奈蒂克公司（QinetiQ）啟動了“西風”計劃，先后研制了多架原型機，不斷提升尺寸和性能，在澳大利亞、歐洲和美國等地進行了試飛。2010年7月9日，“西風”7太陽能無人機在美國亞利桑那州的一個試驗場上空連續飛行超過了14天，時間超過336h，最大飛行高度達到21562m，創造了無人機不間斷飛行時間的新紀錄。

研制人員正在準備“西風”7無人機的試飛。

正是看到了“西風”無人機的潛在能力，空客集團防務與空間公司在2013年3月收購了“西風”項目，開始優化現有設計，并著手設計一種更大尺寸的平臺，準備將其作為高空偽衛星（HAPS）概念的飛行器。針對HAPS，空客公司已經將遙感和類似衛星的通信應用確定為該計劃感興趣的領域，準備將一些任務載荷集成到“西風”無人機上。

空客公司看好HAPS能夠像衛星一樣提供全球覆蓋和長期運行，同時提供了典型的燃油無人機或載人飛機所具有的重點關注局域事態的能力。所有這些都是以非常低的成本實現的，例如，空客公司預計，當生產率和運營需求達到確定水平時，飛行器的成本約為100萬美元，每飛行小時的運行成本低至100美元。無疑，“西風”無人機的任務能力與相對低的費用將重塑無人機后勤操作。

空客公司正在測試“西風”無人機的結構強度。

盡管HAPS平臺很輕，載荷能力較弱，但空客公司認為HAPS可以實現衛星的一些功能，HAPS的飛行高度為20km，而相同功能的衛星運行高度為600km，因此HAPS在攜帶1kg的任務載荷的情況下，相當于低地球軌道衛星攜帶1t的任務載荷。

多種技術挑戰

從設計上看，“西風”7無人機是一種翼展達16m但重量只有27kg的輕型太陽能無人機，采用了拱形翼尖小翼，在翼尖處設計了一種彎折裝置，以增強氣動性能。覆蓋在機翼上部的太陽能電池組在白天為飛機提供動力，同時將能量儲存在可充電的電池組內，以便在夜晚繼續提供充足的動力。該機的設計目標是實現在15240m以上高度連續飛行數月時間。

“西風”S無人機采用了單梁T型尾翼。

“西風”無人機在飛行中也存在著技術和環境挑戰。例如，太陽能飛機在平流層中飛行，需要重量非常輕并具有非常高效的設計而且它也必須具有良好的堅固性和耐用性，以便在較高飛行高度的極低溫度下正常工作，并且能在通向工作空域的6h飛行過程中，順利通過所遇到的湍流。

太陽能飛機當前存在的最大限制之一是夜間需要使用電池作為電源，并且由于電源功率要求而限制了飛行的緯度。例如，在過于偏北或偏南的地方，太陽光的照射強度較弱，無法滿足電池充電的需求。但是，“西風”無人機目前已證實可以運行在更高的高度與更高的緯度，這是它與其他太陽能飛機的顯著區別。

“西風”S無人機可以承擔通信中繼和ISR等任務。

為了高效地飛行，并提供可持續的通信服務，高空太陽能飛機必須保持在地球高空的大氣急流（Jet Stream）（13716～15240m）之上飛行，并避開這一高度及以下的潛在湍流。如果一架太陽能飛機無法維持飛行剖面，即在夜晚期間不能保持在必要的高度（如由于電池電量不足），它將不得不下降到對流層頂（對流層和平流層交界處），那樣將可能遇到湍流，無法高效飛行和提供作戰能力。由于“西風”無人機將能夠在急流之上運行，其速度將超過風速，因此它能夠停留在站位或轉移到作戰區域。

“西風”無人機的設計者之一保羅·布魯克斯指出，盡管進行太陽能飛行且達到高空并不是特別困難，但長航時飛行的主要挑戰在于如何維持飛行高度并在夜間正常飛行。所以選擇在赤道附近飛行是一個更好的建議。因為赤道上太陽的輻射強度更大，而且大氣急流造成的影響較小，這樣無人機便可以在較低的高度和較慢的速度下飛行。

優化S型結構

針對“西風”計劃，空客公司制定了一個提高載荷能力的路線圖，在制造“西風”8無人機的基礎上，將設計和制造新一代太陽能無人機“西風”S（Zephyr S）無人機，“S”代表了它采用了單梁尾翼。這架正在制造的無人機將交付給英國國防部。目前研制人員已開始著手測試無人機通信設備和光電傳感器，并利用此前制造衛星的技術和經驗減少機載關鍵設備的體積和重量。

“西風”S無人機的碳纖維機身設計采用了支撐機翼的桿式機身形式和T形尾翼部件，機頭設計有載荷艙。該機只采用了方向舵和升降舵，沒有采用柔性機翼和擾流板等復雜的控制元件。機翼和水平尾翼的上表面覆蓋著太陽能電池，每個機翼內側部分的前緣上都裝有一個電力推進裝置。“西風”沒有安裝起落架，依靠人工手持輔助起飛，借助機身著陸。

與“西風”7無人機相比，“西風”S無人機在續航能力方面是前者的兩倍。根據目前的配置，“西風”S無人機的翼展25m（“西風”7的翼展為22.5m），可以實現至少30天的續航飛行，總重量62kg，其中大約一半為電池重量，有效載荷為5kg。最新配置的“西風”S無人機比其前身減重約30％，可以承載1.5倍重量的電池，絕熱層的重量也減少了20％。目前，該機已經實現輕量化，同時保持了機身的強度和完整性，在實驗室內，“西風”S無人機完成了2.5g載荷的測試。

“西風”S無人機性能提升的關鍵是電源技術。該機安裝了微連設備公司（MicroLink Devices）基于多連接可拆卸的外延式太陽能電池板，采用了基于砷化鎵的技術，每千克重量能產生1500W的能量，可以提供28%的轉換效率。

“西風”無人機將太陽能電池板與機身融合是一個關鍵設計。由于其結構非常輕薄，完成這樣的設計絕非易事，因此該機采用了聚酯薄膜。目前看來，“西風”無人機所使用的太陽能電池技術已經足夠先進，可以支持當前和未來在40°緯度上實現全年飛行的性能要求。

“西風”無人機在飛行高度使用紅外傳感器的一個優勢是環境溫度非常低，通常為零下83℃。

驗證“西風”T型無人機

與此同時，空客公司也認識到了有些任務需求是西風”S無人機無法滿足的，于是開始著手研發一種尺寸更大的“西風”T無人機，其中的“T”指的是雙T形尾翼構型。該機的翼展為33m，最大重量高達140kg，可以攜帶20kg任務載荷。新型號將沿用“西風”S無人機的機身結構、航空電子設備、軟件和其他系統，并采用了相同的電源系統。

“西風”T無人機的大展弦比機翼在中央位置設計有一個任務載荷“吊艙”，在兩側分別設計有尾撐，尾撐前端容納了牽引式推進裝置，末端分別安裝有不相連的兩個T形尾翼。目前，空客公司已經完成了“西風”T縮比尺寸驗證機的初次飛行試驗，預計在2018年將制造全尺寸原型機，并進行首次試飛，初步計劃在2019年投入使用。

“西風”T無人機預計提供的附加功能包括寬帶通信和情報搜集、監視與偵察(ISR)，其中可能包括為其配備合成孔徑雷達(SAR)或激光雷達。許多任務載荷和作戰想定已經在“西風”平臺上進行了試驗，包括遙感、光電/紅外、通信中繼和信號監測傳感器。

目前，典型的無人機光電/紅外設備已經集成到無人機上，包括一個雙軸平衡i2Tech UlS設備，只需要不到20W的功率就能在19812m的距離下提供50 cm的分辨率，并具有35倍的光學變焦。按照設計，“西風”T無人機采用光電設備和中波紅外攝像機可以實現50cm的分辨率，采用定制的輕型光電/紅外設備可以實現18cm的分辨率。空客公司希望，通過為光學和紅外攝像機配備實時高清或4K視頻實現15cm的分辨率。

2013年，“西風”無人機在美國進行的試驗中，曾經將戰場手持式戰術無線電設備搭載至高空，實現了644km距離的有效傳輸。

為了支持數據和圖像的實時傳輸，“西風”無人機還配備有一個S波段的數據鏈路，在200km范圍內將數據傳輸到一個直徑1.2m的拋物面天線時，傳輸速度可以達到10Mb/s。如果天線尺寸更大，下載速度可以達到100Mb/s。

準備作戰評估

“西風”系列無人機的一個主要優勢是具備提供中繼高帶寬應用的能力，潛在的民用價值包括大氣與環境數據采集、地圖與攝像、災區通信中繼和火災監視。早在2010年，“西風”無人機在英國國防部資助的為期兩周飛行試驗中，搭載了由奎奈蒂克公司研制的一種軍用通信載荷。在其他飛行試驗中，該機搭載了照相機和通信中繼載荷。在此基礎上，空客公司針對軍事和安全領域的使用需求，為“西風”無人機發展了許多潛在的作戰概念(CONOPS)。

目前，英國國防部已經訂購了3架“西風”S無人機，合同總金額達到了1300萬英鎊。這些無人機將成為作戰概念驗證的一部分，用于評估“西風”無人機承擔英國軍方和其他政府部門任務的性能與潛力。這樣，英國國防部能同時測試兩架“西風”S無人機，并驗證運行交接能力，以表明這種高空長航時能力可以無限期地保持下去。作戰概念驗證將于今年晚些時候進行，預計持續3個月。其后，這些無人機將立即交付給英國國防部。空客公司將在作戰概念驗證中負責操作和控制這些飛機。

在作戰概念驗證期間，英國國防部將測試一種數據鏈，可以通過3G蜂窩數據系統以及4G系統傳輸實時圖像和視頻。2015年12月，羅克邁諾研究公司（Roke Manor Research）收到英國國防部授予的一份合同，負責研制在高空長航時無人機上使用的數據鏈，可以與50km外的基站保持通信。當時，該項目方案預計使用現成的商用3G硬件，結合定制的自適應波束成形技術，通過將信號引導到特定的蜂窩基礎設施或軍事基站實現從高空傳輸數據。

羅克邁諾研究公司表示，該方案將利用其“智能鏈”（Smartlink）系統，并規劃5～10Mb/s的吞吐量，加以與民用及軍事基站的配合能力。這一能力歸功于無人機的機載數據轉換性能：無人機上的處理單元下載并轉換軍事頻段中用于基本頻段處理的信號，然后將其轉換并上傳至民用頻段，從而進入標準民用蜂窩調制解調器。設計人員已經考慮了包括抗干擾能力在內的軍用特性。

根據發展規劃，英國國防部希望組建一支由“西風”無人機組成的中隊，在戰場前線和自然災害地區的上空執行偵察任務，并提供通信中繼。