“御天敌”空天堡垒设计报告

“御天敌”空天堡垒设计报告一 概述(一)设计背景航空航天已经走过一百多年，目前传统航空器（运行范围在20km以下）和航天器（运行范围在100km以上）已经发展得比较成熟。由于技术和认识上的原因，临近空间的战略价值在最近几年引起了各国的重视。临近空间飞行器相对于卫星，其效费比高，机动性好，有效载荷技术难度小，易于更新和维护；相对于传统航空器，其持续工作时间长，覆盖范围广，生存能力强。目前，美国、俄罗斯、英国、韩国、日本、以色列均有飞艇研究方案。其中比较典型的有美国导弹防御局的高空飞艇(HAA)、韩国的平流层飞艇、美国空军天站实验室“攀登者”等项目。而这些项目研制的飞艇却有两个缺点：无法长时间留空。如今的飞艇一般是使用太阳能和蓄电池作为能量来源，然而太阳能电池板只能在有阳光的情况下使用，不能确保稳定的给系统和蓄电池提供充足的电量；蓄电池容易出现故障，不能确保长时间的工作，而且质量较大。升空过程中飞艇体积太大。飞艇在地面将气囊充满气然后升空到指定高度，这样会使飞艇在升空时体积很大，因其庞大的截面积易受到风和湍流的影响；若在战争状态，则容易被敌方发现而遭受攻击。（二）设计目的我们设计的飞行器目的主要有三点： 部署在国家边疆，形成战略防御体系； 能在临近空间处长时间留空； 减小升空时飞行器尺寸，缩短升空时间。（三）飞艇用途当今时代，和平是主旋律。大范围的战争很难发生。但没有战争，并不意味着没有威胁。如今霸权主义和强权政治在世界上仍然存在，所以战略防御将是每个国家要重点考虑的问题。“御天敌”空天堡垒主要用于国家的战略防御，并同时具有侦查、通讯导航的功能，与地面形成防御体系，适应未来战争的立体网络化的需求。二 任务描述（一）使命任务“御天敌”空天堡垒主要部署在我国的边境和内陆重要的战略地点的上空，以形成一个“天衣无缝”的防御系统及无所不达的信息网络。依据设计目的及需求构想，“御天敌”空天堡垒的功能任务主要有 长期留空能力：“御天敌”空天堡垒能源系统采用微波输能技术（WPT）输能和高温超导飞轮储能技术（HTS-FESS）储能。保证其留空过程中的能量供应，实现长时间留空。 主动防御：当有来袭的飞机或者导弹时，“御天敌”可作为电子干扰与对抗平台，对敌方目标实施电子干扰及对抗，使其偏离航线或降低命中率，实现主动防御。“御天敌”空天堡垒配备有高功率微波武器，对来袭目标能有效地杀伤和摧毁。 侦察预警：“御天敌”空天堡垒配置有电子侦察、可见光相机、红外相机、SAR 雷达等多种侦察载荷，构成相互配合相互补充的侦察载荷系列。也能够与预警飞机和侦察卫星构成全维一体的侦察体系。 通信导航：“御天敌”空天堡垒搭载战场高空通信中继设备，为平台覆盖区域内的飞机和地面部队提供即插即入式网络服务，包括通信、时空基准、指控信息、态势信息分发等综合信息支持能力。此外，“御天敌”还搭载有导航定位设备，为平台覆盖范围内的飞机提供时空基准和导航定位服务。（二） 任务剖面任务阶段任务描述起飞气囊收起，在螺旋桨驱动下，从地面起飞爬升迅速升空气囊打开到安全高度后，打开气囊，继续升空执行任务在指定高度长期留空、主动防御、侦查预警，通讯导航。返航着陆气囊收起，返航着陆。图2-1 “御天敌”空天堡垒任务剖面三 总体方案（一）设计思路为了解决长期留空的能源问题，设计时不能采用燃油等消耗性能源，目前比较可行的方案主要有太阳能电池和无线输能两种。太阳能电池现今已有较广应用，但与无线输能相比，缺点在于： 太阳能电池板能量密度小，效率较低，为保证能量供应，电池板质量较大，这导致飞行器结构重量大； 使用时间有限制，日间可正常运行，夜间只能靠自带蓄电池提供飞行器用电。图3-1 左：美太阳神号 右：某高空飞艇升空2003年，美国最有名的太阳能飞机“太阳神”号无人机（如图3-1）在一次试飞时，因为颤振解体，这便是由于太阳能电池板机翼翼展大导致的。基于以上考虑，我们决定采用无线输能技术解决飞行器的能量供应问题。针对能够定点留空的普通飞艇升空时速度慢、目标大（如图3-1）的问题，本飞行器采用可收放气囊设计，并将升空方式进行改进采用螺旋桨垂直起飞，依靠其推力上升至一定高度，然后打开气囊，依靠浮力和螺旋桨推力继续上升到预定高度。既可以让升空变的更快速，同时保证了定点留空时的浮力来源。而可收放气囊的具体形式，将是下文中设计的重点。另外，为了满足主动防御功能的需求，设计时还需寻找能够在临近空间长期使用的新型武器。与能源相同，消耗性的武器弹药在此不能使用，而最近国内外开始研究的高能武器，因此本飞行器可采用高能武器的一种高功率微波武器。（二）外形设计1.气囊设计可收放气囊的设计成为此部分设计的重点，它主要包括两部分：气囊收放方式和气囊打开后形状。（1） 气囊收放方式前期作品中采用的方式（即气囊舱置于机体中部，主机体从中部分离，气囊充气打开）有很大的不合理性，主要在于： 气囊很大，中间连杆过长，强度很难保证，气囊与机体连接强度也不能保证； 气囊尺寸远大于主机体，气囊舱尺寸不能满足要求。基于以上两点，进一步设计时，气囊舱不再从主机体中部分离，而是位于机体顶部。同时，气囊舱分为一大一小两个舱，前后布置，这样既减小连接难度，又可以增加稳定性和可靠性。另外为了减小气囊尺寸，我们依旧采用浮升一体化外形设计，主要包括两个方面： 气囊打开后成为与机体连接的两串列式环形翼，以产生部分升力，减少所需浮力； 气囊剖面采用浮升一体化外形，相对厚度较大，约为40%，这样可以在保障气囊体积（用于产生浮力）的同时，改善气囊外形的升阻特性。综上考虑，设计的气囊外形如下图所示。图3-2 左：气囊外形 右：充气加强筋细节图另外，为保持气囊形状，在气囊内部采用充气加强筋结构，其原理为未充气时与气囊收在一起，充气后强度增加，给气囊提供一定支撑作用。2.主机体设计主机体依靠两个大功率螺旋桨上升，为了保持平衡，设计时两螺旋桨应布置在整体重心附近。另外，螺旋桨桨叶尺寸较大，采用类似“鱼鹰”直升机的外伸机翼形式与机体连接，机身与机翼连接处外形需根据机翼表面形状设计。除此之外，两气囊舱位于机体上部，前后布置。气囊与气囊舱边沿连接，故主机体上部两气囊舱的外形应根据气囊底部形状进行设计。同时按照功能要求，御天敌在临近空间执行任务时并非高速飞行，故设计主机体外形时不用考虑高速飞行带来的热效应及激波阻力等。由此，主机体的外形设计如下图所示。图3-3 主机体外形图（三）总体布局主机体采用上单翼，V型尾翼气动布局，机翼两端连接两个大功率螺旋桨。气囊打开后，前后形成两环形翼。采用起落架为前三点式，主起落架收于机身中部，前起落架位于机头。主机体中布置两个设备舱，一个位于机头，一个位于机身中部，具体布置如下： 机头设备舱包括雷达，机载控制计算机，侦查预警和通信导航设备。与普通飞机类似，雷达布置在最前部的雷达罩内。侦查预警和通信导航设备位于机头下部，机载控制计算机位于机头上部。 机身中部设备舱包括储能设备，武器装备。储能采用设备高温超导飞轮储能技术，共有飞轮6个，位于机身中部上半部分。武器装备为高功率微波武器，位于下半部分。由于武器消耗电能，这样布置有利于输电线路安排。两个气囊舱前后布置，机身两气囊舱段，上部放置收放的气囊，下部为气囊收放控制设备。而机翼空间则用于储存液态氦气，这与普通飞机机翼整体邮箱类似。接收天线贴于机身气囊舱段，这样当气囊舱打开时，接收天线全部面朝下方，有利于能量接收。图3-4 总体布局（四）分系统设计 “御天敌”空天堡垒主要包括微波输能系统，储能系统，动力系统和武器系统组成。1 微波输能系统（MPT）（1）MPT系统组成MPT系统分为三个部分：第一部分是微波功率发生器，将直流变成微波；第二部分是微波的发射、传播；第三部分是整流天线，将微波能量接收并且转换为直流功率。图3-5 MPT系统组成.杨雪霞. 微波输能技术概述与整流天线研究新进展J.电波科学学报，2009（4）（2）整流天线在MPT系统中，整流天线的选取关键。考虑到整流天线转换效率和质量两方面，在这里我们采用了一种微带贴片接收整流天线.邓红雷.微波输能基本理论及接收整流天线的研究D.北京：中国科学院研究生院，2005.4-67.。该种天线有如下优点： 体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，这对”御天敌”空天堡垒的微波功能是很方便的。 电性能多样化，不同设计的微单元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。 能和有源器件、电路集成为统一的组合，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。该整流天线示意图如下图：图3-6 微带接收整流天线示意图输入低通滤波器组织高次谐波通过；输出滤波器由电容和长为L的微带线组成，调节L的长度，让二极管及其后端的电路发生谐振，从而只允许直流通过，阻止基波和高次谐波通过负载。采用1/4波长线进行匹配时，该整流天线的效率达到了80.1% （3）发射频率的选取：我们采用5.8GHz作为发射频率，原因如下：使用2.45GHz虽然技术成熟，大气传输时空间衰减小，能在恶劣的天气下工作，基本不用考虑大气的影响，但这个频率却对卫星通信存在潜在的干扰，且整流天线面积较大；而5.8GHz微波的大气穿透性也很好，相应元器件的转换率也很高，价格也便宜，尽管传输效率稍低，但是发射和接收面积都较小，综合考虑来说，性价比很高。2.高温超导飞轮储能系统8高温超导飞轮储能技术主要由高温超导磁悬浮轴承（SMB）、飞轮转子、电动/发电机、电力电子转换装置和真空/安全保护装置构成。 高温超导磁悬浮轴承SMB 是高温超导飞轮储能技术的核心部件，基本原理是高温超导体和永磁体电磁相互作用的轴对称模型，是用高温超导块材作定子，常规的永磁体作转子。研究结果表明，SMB的摩擦系数只有，是电磁悬浮轴承的1/1000，最好的机械轴承的1/10000。因此SMB具有无机械接触、自稳定、结构简单等优点。 飞轮转子飞轮转子是高温超导飞轮储能技术的储能载体。飞轮是一个做定轴转动的物体，其储存的能量可以表示为式中 -飞轮转子的转动动能 -角速度储能密度时表征储能装置性能的一个重要指标，对于结构、几何尺寸一定的飞轮储能系统而言，其储能密度为式中 -飞轮形状参数 -飞轮产生的最大轴向应力 -飞轮材料的密度-飞轮质量从储能的角度看，越大越好；而从减轻轴承负荷来看，越小越好。所以，飞轮转子需要高的材料。表3-1 飞轮转子材料参数表8上表给出了几种常用的飞轮转子材料参数，显然碳素纤维复合材料的强度密度比最高，因此最适合做定子的材料。理论和实验都证明目前的碳素纤维复合材料做成的飞轮转子承受的最大线速度可超过。 电机/发电机电机/发电机是高温超导飞轮储能技术能量转化的必备环节。飞轮储存能量时，系统处于电动机运行状态，飞轮加速；释放能量时，飞轮处于发电机运行状态，飞轮减速。与其它电机相比，永磁电机具有结构简单、效率高、转速高等优点，在高温超导飞轮储能技术中得到了广泛的应用。 真空/安全保护装置真空罩的作用是为飞轮转子提供一个低压的环境，降低高速旋转下的风阻损耗。另外，飞轮在高离心力作用下存在发生爆裂的可能性，因此真空罩兼起安全保护的作用。3.动力系统“御天敌”空天堡垒采用直流无刷电动机带动螺旋桨转动提供动力。 基本原理直流无刷电动机是利用电子换相技术代替传统直流电动机电刷换向的一种新型直流电动机，它彻底取消了换向器和电刷，而又具备了与有刷直流电动机相同的线性机械特性，调速范围宽，启动力矩大，效率高。 直流无刷电动机优势 机械特性为线性，容易实现自动控制的特点； 具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维修方便等特点。 功率重量比较大，在小转速时有较大的输出扭矩，配合使用大直径的螺旋桨。4.高功率微波武器（HPMW）“御天敌”空天堡垒采用MPT技术功能，所以其能量可以说源源不断，若携带传统武器，不仅会增加配重，而且传统武器还有弹药用完的情况。因此”御天敌”空天堡垒采用了高功率微波武器，以实现攻防兼备。（1）HPMW组成.夏新仁.高功率微波武器的现在与将来J. 中国航天，2007，（6）:39-40 高功率微波武器（HPMW）是指使用峰值功率超过100MW、频率在1-300GHz之间微波的武器。它将高功率微波源产生的微波，经高增益天线定向辐射，将微波能量汇聚在窄波段内，以极高的强度照射目标，杀伤人员和干扰、破坏现代武器系统的电子设备。HPMW由初始能源、激励电源、高功率微波源和发射天线等组成，并由跟踪瞄准引导设备进行定向，由作战平台运载，如下图：图3-7 HPMW组成框图（2）HPMW优势与传统武器相比，HPMW具有以下优势： 具有攻、防兼备的功能。HPMW在作战使用中，攻击目标时能有效地杀伤和摧毁目标，与此同时可以干扰或摧毁来袭的导弹和反辐射导弹等，从而达到进攻和自我防御的目的。 对瞄准精度要求不高。微波由定向天线发射，形成具有方向性的波束，在其传输过程中通过衍射可形成足够大的斑点，以弥补跟踪与瞄准的低精度。 能杀伤隐身目标和武器。由于HPMW所发出的电磁波束较宽，能淹没一定范围内的目标区，射束指向灵活，可同时杀伤多个目标。其较宽的频带能有效对付采用隐身技术的武器。 具有全天候作战能力。HPMW靠发射到空中的强电磁波杀伤和破坏目标，而这种电磁波在大气中不存在严重的传输问题，因此全天候运用能力极强，可与高能激光武器优势互补。 具有“软”和“硬”两种杀伤性能。HPMW的软、硬杀伤功能与照射到目标上的功率密度有关：照射到目标上的微波功率密度越小时，起到软杀伤作用；照射到目标上的微波功率密度很大时，起到硬杀伤作用。5.控制系统御天敌空天堡垒的控制系统主要包括飞行模式控制，能量分配控制，温度控制，气囊收放控制和浮心控制飞行模式控制主要控制“御天敌”在临近空间的定点留空，其通过布置在机体各位置的加速度传感器反馈信号对机体姿态和螺旋桨转速进行调节，也实现“御天敌”的稳定留空。能量分配主要用于在留空时，对储能和能量消耗以及消耗时各装备的功率分配进行合理调节，也满足使用要求，且最大程度的提高效率。温度控制系统用于留空时，飞行器内部的温度控制，也保证机体内部各设备正常运行。气囊收放控制，主要用于“御天敌”的整个升空过程，其根据飞行器周围环境参数及飞行状态，决定收放气囊时刻及收放量。浮心控制技术将在下文中具体描述。（五）性能计算1.外形尺寸及重量计算图3-8 外形尺寸计算流程（1）计算整流天线面积和质量“御天敌”设计功率为,采用的整流贴片天线的单位面积功率为65.7 ,单位面积质量为263.由（2）计算微波传输效率.薛玉洁.无线输能系统中整流天线的分析与设计D.上海：上海大学，2007.8-11这里设发射天线的面积为,升空高度为发射频率为，发射波长为。由代入数据，可得到由空间传输效率与的关系图4图3-9 空间传输效率和关系图可得到（3）计算气囊体积和重量“御天敌”设计总重为，的大气密度由得到假设气囊为球体，则等效半径等效表面积采用比重为的气囊材料则气囊重量为2.系统整体效率的计算整体效率主要由四部分组成：直流电转换为微波的效率，微波的发射效率，微波在空间的传输效率，微波转化为直流电效率。各部分的转化率及说明如下表：表3-2 WPT系统效率能量传输过程描述效率直流电转化为微波使用磁控管86%微波的发射使用抛物面发射天线90%微波的传输从发射天线到整流天线90%微波转化为直流电采用微带贴片天线80%总体效率从直流到直流55.7%3.发射端直流功率的计算“御天敌”设计功率为，系统总体效率为，则发射端直流功率为4. 高功率微波武器性能分析.卜格鸿，焦彦平，陈波. 美军天基高功率微波武器攻击卫星系统能力评估J.武装指挥技术学院学报，2007,18（6）：39-40. （1） HPMW威力估算根据高功率微波武器的技术参数，在气象修正完善的情况下，HPMW产生的功率密度为：式中：为到达敌方卫星的功率密度，单位为；为微波武器的辐射功率；为天线增益；为高功率微波武器与卫星之间的距离。假设，HPMW与敌方卫星采用一对一的形式进行作战时，HPMW能对敌方卫星识别和辨识的最小功率密度为，按此计算则微波武器的最大作战半径为：距离越近，功率密度越大，杀伤力越强。表3-3 功率密度和作用效能表高功率微波功率密度作用效能0.011可冲击和触发电子系统产生假干扰信号，干扰破坏其正常工作313使作战人员神经紊乱、情绪烦躁不安、记忆力衰退、行为错误2050使作战人员出现痉挛或失去知觉，丧失作战能力100致盲、致聋、心肺功能出现衰竭0.5人体皮肤轻度烧伤0.011可使电子设备微波器件的性能降低、失效以致硬损伤20照射2秒就可造成人体皮肤3度烧伤80在1秒内即可使人致死10100利用其形成的瞬变电磁场，在金属表面产生强感应电流，通过天线、导线接口、金属孔隙耦合进入卫星等电子设备中，使系统的功能紊乱，出现错码、中断数据、抹掉计算机存储的数据信息，以致造成电子元件的硬损伤，从而使整个电子系统失效。100010000能在瞬间引爆炸弹、导弹，瞬间摧毁目标。（2）HPMW微波发射天线面积估算在微波武器的辐射功率一定的情况下，天线增益与到达敌方卫星的HPM功率密度成正比。天线增益满足：式中：为微波波长；为天线口面直径；为天线的辐射效率，这里取。对于C波段（设）HPM，若天线增益，则天线实际面积为：即此时天线的直径为，在“御天敌”平台上，这个尺寸是完全合适的。5. 高温超导飞轮储能系统质量的估算8参照日本ISTEC设计的等级的飞轮储能系统，转子直径为，转子材料使用碳纤维，转子质量为，电机使用永磁电机，整个系统结构如下图：图3-10 高温超导飞轮储能系统由于轴承采用电磁悬浮轴承，因此轴承的重量较轻，约为 ，而轴承和转子质量占到了真个飞轮系统的大部分，所以估计一个飞轮系统的质量为 。 “御天敌”空中堡垒设计需要这样的飞轮系统有6个。则储能系统的总重为。6.起飞性能“御天敌”使用螺旋桨作为起飞动力，垂直起飞，且在升空过程中，气囊不打开，到达预订高度后才打开。每台高温超导飞轮储能电池功率最大为400KW，总共载有6台蓄电池，则总功率为4800KW，假设效率为83%。“御天敌”空天堡垒总重为20t，由代入得： “御天敌”在这样的速度下，达到25KM高度需要的时间为7. 定点留空螺旋桨所需功率在定点留空时，气囊在阻力中占大部分。气囊横截面采用如下图的翼型，图3-11 气囊剖面流体分析飞艇阻力系数可通过代数模型预测得到，这里取。飞艇的参考面积设为40000，所以飞艇的阻力为：与交流电动机相比，直流电动机的主要优点是起动力矩大，可以均匀而经济的实现转速调节。直流电动机除起动力矩大意外，还有较强的过载能力。直流电动机的调速性能机高。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。因此可对飞艇上的螺旋桨转速进行无级调速。推进系统采用无刷直流电机。电动机在飞艇定点控制或飞行中要克服最大设计风速下的阻力，所需要的最小功率为其中为螺旋桨的效率。“御天敌”空天堡垒有效载荷的设计功率为30KW，各种控制系统的需要大约20KW。所以“御天敌”空天堡垒正常工作所需要的能源要求为，这里取螺旋桨效率为90%：四、技术支撑“御天敌”空天堡垒使用微波输能技术、高温超导飞轮储能技术进行能量的存储；使用高功率微波武器进行主动防御；使用变体飞行器技术进行气囊的收放。“御天敌”空天堡垒使用微波输能技术、高温超导飞轮储能技术进行能量的存储；使用高功率微波武器进行主动防御；使用气囊收放技术进行气囊的收放。（一）微波输能技术1.微波输能技术原理微波输能（Microwave Power Transmission）是指将能量以微波的形式，通过真空或地球大气，不借助导线或其他任何介质，实现点对点之间高效的电能传输。2.微波输能技术优势将MPT技术应用于”御天敌”空天堡垒的优势为： MPT系统中，能量的传输速度为光速，其传输方式和大小可以迅速改变，且能量的传输不受地球引力的影响.辛朝军，金星，柯发伟. 一种临近空间飞行器能源问题解决方案J . 飞航导弹，2009（10）： 27-30. ； 微波在真空中传播没有损耗，在大气中传输损耗可以降到很小错误！未定义书签。 由于MPT系统的发射端置于地面，因而不受质量和体积的限制，同时，安装在“御天敌”空天堡垒上的微带贴片整流天线很轻，在很大程度上降低了飞行器的结构质量错误！未定义书签。MPT系统能够向“御天敌”空天堡垒持续功能，实现长时间留空。3.关键技术在整个MPT系统中，整流天线技术是关键的瓶颈技术，现在发展还不是很成熟。其原理图如下：图4-1 整流天线原理图.Sheldon Freid, et al. Lunar Wireless Power Transfer Feasibility StudyR. United States:- , 2008. 12-12. 在整流天线中，入射波被天线接收，整流装置和LPF(low-pass filter)用来保证没有RF的输入到能量管理电路，一个控制器为能量管理电路提供输入，确保接收到的能量的储存和直流电的输送。在整流天线中，整流二极管性能是决定整流效率的关键因素。为了得到高转换效率，必须选择结电容小的二极管。接收天线是整流天线的另一重要部件，考虑共形性，一般采用平面印刷天线，高增益是保证高转换率的前提。因此如何设计出性能良好的整流二极管和整流天线，成为了MPT技术的关键的瓶颈技术。（二）高温超导飞轮储能技术.邓自刚，王家素，王素玉等. 高温超导飞轮储能技术发展现状J.电工技术学报，2008,23（12）：1-10. “御天敌”空天堡垒采用高温超导飞轮储能技术，用于存储从整流天线接收到的能量。高温超导飞轮储能系统具有控制简单、储能密度大、效率高、寿命长、低维护等特点，而且发展较成熟，非常适合应用在作战平台上。1.基本原理高温超导飞轮储能技术的基本原理是利用电动机将悬浮的飞轮转子驱动到高速旋转状态，电能转变为机械能储存。需要时，飞轮减速，电动机作发电站运行，实现机械能到电能的转换，这样就能通过飞轮的加速和减速，完成了电能的存入和释放。图4-2 高温超导飞轮储能原理2.高温超导飞轮储能技术优势 高温超导飞轮储能技术特别适合于太空应用 Varatharajooa R, Fasoulasb S. The combined energy and attitude control system for small satellites-earth observation missionsJ.Acta Astronautica, 2005, 56(1-2):251-259.，因为太空的低温环境大大简化了SMB的低温部分，提高了系统的可靠性，而且飞轮的高速旋转还可以来控制“御天敌”空天堡垒的姿态。 控制简单。高温超导磁悬浮是一种自稳定的悬浮，与电磁悬浮相比，不需要额外的悬浮、导向控制环节。 储能密度大。高储能密度时高温超导飞轮储能技术最突出的优势。就目前的技术水平来说，复合材料飞轮储能系统的储能密度已达到，明显高于超导磁体储能、超级电容器、燃料电池、铅酸电池和高级电池等方式，而研究预计在2013年之前，可用的熔融石英材料，将使飞轮储能密度达到，而2013年后，碳纳米管材料将使飞轮的储能密度达到，成为储能密度最高的储能方式。 效率高。与其他储能方式相比，高温超导飞轮储能技术效率最高，可达到90%以上。 寿命长。高温超导飞轮储能技术充放电次数上万次，运行寿命长达20年以上，与燃料电池相当，远高于蓄电池与发电机。高温超导飞轮储能技术的长寿命以及低维护成本将补偿其购置成本较高的不足，长期运行具有较好的经济性。（三）蒙皮及气囊材料技术平流层飞艇的工作环境十分严酷：温度低(最低温度约一550C)，昼夜温差大；大气密度约为0.0889kg/m3，仅为地面的1/14；紫外辐射、臭氧作用强烈。在这种环境下飞艇若长期工作，蒙皮材料必须具有高的强度质量比，低的氦气渗透率，高的耐气候、抗撕裂和耐弯折性能，研制难度较大。平流层飞艇蒙皮材料由承重织物层、防氦气渗漏层、耐环境气候层以及粘接层组成，一般采用涂层或热压工艺加工。承重织物层是承受飞艇内压、并确保蒙皮材料强度的功能层，是蒙皮材料的核心层，主要使用轻质、高强、高模量的纤维织物。聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)纤维具有比芳香族聚酯(n)、芳纶(Kevlar)更高的强度、模量，能够有效改善蒙皮织物力学性能，因其耐高温和抗燃性好，被称为“超级纤维”。PBO纤维拉伸强度可达5.8GPa，拉伸模量可达280380GPa，最高工作温度为350，热分解温度达670，具有优异的力学性能22。据此，我们的承重织物层采用PBO纤维。囊体材料要求具有良好的气密性能、足够的强度和尽可能轻的质量。高空飞艇对囊体的材料要求还要适当提高。因此，囊体一般采用符合材料。对应以上要求，囊体材料由承力层和气密层构成。承力层几乎承受囊体的全部强力，由纤维织物构成。作为基质的纤维织物结构形式一般为低支数低密度平纹布 潘菊芳，王志明，王秋林，等. 飞艇囊体基础材料及附属材料的开发J. 纺织科学研究，1992，(4):6-8.。气密层提供阻气性能，形式一般为在纤维基布上粘合薄膜材料。“御天敌”囊体材料采用国产Kevlar纤维平纹布为基质承力层，日产EVAL膜为气密层，采用热熔层压工艺制备出单面覆膜和双面覆膜的气囊囊体材料试样。这样制备的囊体材料符合飞艇用囊体材料要求，其面密度式中，力学性能和气密性能较好，各项参数均超越国外第四代囊体材料指标23。（四）气囊收放技术“御天敌”空天堡垒采用可收放的气囊设计方式。气囊内侧壁上使用充气加强筋，充满气后，加强筋刚度变的很大大，保持气囊的外形和体积，从而提供足够的升力；放完气后，加强筋刚度变得很小，从而便于气囊的回收。在机翼内部储存有液氦，在打开气囊时，液氦放出变成气态；在气囊收起时，通过压缩技术将氦气液化。这样的设计，使得“御天敌”空天堡垒在留空过程中气囊可收可放。（五）先进控制技术御天敌空天堡垒的控制主要包括飞行模式控制，能量分配控制，温度控制，气囊收放控制和浮心控制。先进控制技术是“御天敌”实现快速升空，定点留空和有效运行的保障，故高速运算的计算机和先进传感器技术对于“御天敌”很关键。分系统设计中已对其它控制系统进行了描述，下面重点描述浮心控制技术浮心控制技术在“御天敌”的前后两端安排配重，这里用水袋，两段水袋通过水管连接起来，中间有一个水泵来控制进水量。根据“御天敌”空天堡垒俯仰角的指令，调节两个水袋中的水量，从而达到控制“御天敌”空天堡垒的俯仰角。另外为了防止液体冻结，要加入防冻剂。在管道中加装阀门，以防止液体从水泵间隙开关回流。图4-3 “御天敌”浮心控制技术五、可用性分析（一）MPT技术可用性和现实可用性分析微波输能技术组成的三部分中，微波功率源和微波的发射、传播现在发展的比较成熟，整流天线技术是如今WPT系统中还要进一步改进的技术。1. 微波发射源1上世纪50年代，随着大功率微波管的出现及其技术的迅速提高，某些大功率微波源技术已经比较成熟。在S和C波段，磁控管的DC-RF的转换率为86%，相位控制磁控管效率为65%75%。不同功率源的关键差异在于转换器的RF功率输出不同，输出不同又导致驱动能力和电压的不同。目前来讲，在大功率微波源中，磁控管的性能比较可靠，价格低廉。2. 微波发射天线1在微波输能系统中，微波发射天线具有高聚焦能力和使微波能量定向传输的能力。发射天线中的抛物面天线如见已成熟，国内某研究所S波段和C频段天线口径为70米，增益分别为62dB（2.45GHz）69dB（5.8GHz），波束宽度分别为0.11和0.048。而具有对移动目标具有随动功能的相控阵天线虽然由于T/R组件的成本较高，但已经普遍用于许多领域，在不久相信会有效用于MPT系统。除了相控天线外，回溯天线阵也具有定向功能，目前在MPT系统中受到重视。3. 整流天线1在MPT系统中整流天线由接收天线和整流电路组成。其中，整流二极管性能是决定整流效率的关键因素。上世纪70年代，Si肖特基二极管代替点接触半导体二极管以后，将RF-DC转换率提高到80%左右。为了得到高转换效率，必须选择电容小的二极管。目前有多种工作于微波频段的肖特基二极管可供选用，比较出名的如Raytheon、HP、M/A COM等二极管。接收天线是整流天线的另一重要部件，圆极化天线无需极化对准，可以接收任意线极化波和旋向相同的圆极化波1。而在最近几年中，人们开始对圆极化整流天线的研究。圆极化整流天线有较大的位置自由度，可以减小由于发射与接收天线角度失配而产生的能量损耗。2000年，Chang Kai教授等人对圆极化整流天线进行了研究，设计的一个整流天线由切角的贴片天线和微带电路构成，其工作频率在5.8GHz，RF-DC转化率可以达到60%.Y.H.Suh, C.Wang and K.Chang, Circular polarized truncated-corner square patch mircostrip rectenna for wireless power transmission, Electronic Letters,Vol.36,No.77, Mar.2000,pp.600-602.。目前国外整流技术已经得到了很大的发展，而我国在微波输能研究领域还处于萌芽阶段，1988年，电子科技大学的文舸一教授提出了用时域散射参数法对整流天线进行分析优化，所设计的整流天线的转化效率为60%.李中云，文舸一. Ka波段整流天线的时域分析，微波学报，1998,14（02）：134-140。2004年国内报道了一种线极化矩形微带贴片接收整流天线，工作在2.45GHz，其仿真的转化效率为70%.邓红雷，孔力.一种实用线极化矩形微带贴片接收整流天线的仿真设计J.微波学报，2004,20（4）：68-71. 。而“御天敌”平台则采用了国内最新研制的一种圆极化微带贴片整流天线，RF-DC转化效率为80.1%3。从微波输能技术的发展史来看，WPT在过去的半个多世纪以来发展越来越快，也被人们越来越重视。19771980年期间，美国能源部和国家宇航局共同组织研究，投入2000万美金对SPS(Solar Power System)计划进行了概念论证，肯定了其可行性。而SPS中能量传输正是使用了WPT技术。1992年12月加拿大学者伊斯特报道了SHARP高空永久平台的一些研究进展，其所造模型早在1987年9月就完成了低空试飞.林为干，等.微波输电，现代化建设的生力军J.科技导报，1994,15（3）：31-34. 。1993年10月，国际无线电联盟大会期间，日本NEC公司展出了微波功能的无人海岸巡航机的样机，地面发射功率为10千瓦，飞机接收到1千瓦；飞机自重15公斤，可负重50公斤13。1999年春到2000年秋天，NASA主持了SSP开发研究和技术项目，这个项目，深入的定义了新系统的概念，更好的定义了SSP所包含的技术挑战，发起了广阔范围的和有选择性的无线输电研究，来验证SSP的可行性和技术路线图。美国无线电技术委员会提出了空间太阳能发电的战略研究和用于空间太阳能发电的技术蓝图。2008-2012年间，对1MW能及的SSP平台技术进行验证。2012-2025年间，将制造和展示，用于中等规模的内层空间SSP平台的10MW能量等级系统。2025年-2035年这个时期，将验证用于大规模空间发电的1-2GW的能量的SSP平台，将为地面市场展示基本负荷能量发射。最终，在2050年后，很大规模的，大于10GW能级的空间SSP平台将成为可能4。从以上能够看出，在未来20-30年间，实现远距离，大功率的微波输能完全有可能，且可行。我国在WPT技术方面现已起步，越来越多的国内高校和研究所已经着手研究，如上海大学在这方面已经做出了很多突破。相信在之后的20-30年间，我国的WPT技术会走向成熟。所以通过WPT技术向“御天敌”平台输送能量，是完全可以做到和实现的。（二）高温超导飞轮储能技术可行性美国自上世纪80年代初就开始进行飞轮储能的系统在航天领域应用的可行性研究。研究表明，飞轮储能系统不仅能取代蓄电池作为航天器的储能装置，而且还可以对航天器的姿态进行有效控制 李俄收，王选，吴文民. 超高速飞轮储能技术及应用研究J.微特电机，2010 （6）。目前，包括美国、日本、德国、韩国等在内的多国20-22正在大力发展高温超导飞轮储能技术样机的研制工作。代表行研究工作如下：美国波音公司和阿贡实验室合作研制的等级的飞轮已进行整机安装调试实验，同时加工设计了的飞轮转子；日本ISTEC也已经在对等级飞轮系统中的SMB进行组装实验，同时加工设计等级的飞轮转子；德国ATZ公司则从2005年开始对等级的飞轮进行研究。国内对高温超导飞轮储能技术的研究已经起步。其中中科院电工所研制了一台混合SMB样机 Fang J R, Lin L Z, Yan L G, et al. A new flywheel energy storage system using hybrid superconducting magnetic bearingsJ. IEEE Trans. Appl. Supercond, 2003, 11(1):1657-1660.。西南交通大学超导技术研究所从20世纪90年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车 Wang J S, Wang S Y, Zeng Y W, et al. The first man-loading high temperature superconducting maglev test vehicle in the worldJ.Physica C, 2002, 378-381(Part1):809-814. ，这为SMB的设计和研制提供必需的实验数据。在这些已有的高温超导磁悬浮理论和实验研究的基础上 Wang Jiasu, Wang Suyu. Synthesis of bulk superconductors and their properties on permanent magnet guidewanM. In: Anant Narlikar Ed., Frontiers in Superconducting Materials. Germany: Springer Verlag, 2005.，已在制作一台全高温超导磁悬浮轴承形式的飞轮储能系统原理演示样机。尽管目前还没有飞轮系统应用于临近空间飞艇的报道，但从上面可以看到，目前不管是国内还是国外，高温超导飞轮储能技术发展很快，在未来的20-30年完全可以实现在“御天敌”空天堡垒上应用。（三） 高功率微波武器可行性分析8高功率微波技术始于20世纪50年代，而高功率微波武器的研制开始于20世纪70年代，目前，开展高功率微波武器研究的国家不少，但主要集中于美国和俄罗斯。美国早在1985年得“战略防御计划”中就把高功率微波武器作为其空间武器的主攻项目列入计划中；美国陆军于1989年4月公布“陆军技术基础总计划”，确定了用于有效摧毁坦克的高功率微波武器；美国空军于1986年开始执行研制输出功率为几百兆瓦至几千兆瓦的高功率微波武器；在1992年美国空军公布的电子战装备的发展计划中，提出今后电子战装备的发展重点为高功率微波干扰机、高有效辐射功率的雷达和通讯干扰机；美国海军水面武器中心也制定了研制高功率微波武器的计划，主要用于对付反舰导弹。目前，美国的高功率微波武器处于领先地位，单个脉冲的发射能量已经达到1000J，其峰值功率已达到100GW。根据美国的现有技术设备和技术水平，足可以研制出10TW功率的脉冲。高功率微波武器样机已经进行了试验且在局部战争中投入使用。目前发展研究高功率微波源，提高发射功率与能量转换效率是发展高能微波武器的核心部分，而且高功率微波武器正朝着缩小体积、减轻重量的小型化方向发展。再经过20-30年的发展，高功率微波武器的辐射功率将超过100GW。那时，将其应用于“御天敌”空天堡垒是完全可行的。六 设计亮点（一）用于长期留空的能源系统解决方案我们从系统设计、能源供给技术和能量储存技术上解决了“御天敌”空天堡垒长时间留空的问题。1. 能源系统整体设计“御天敌”空天堡垒能源系统采用“多对多”的方式，即一个发射站同时向多个飞行器输能，而一个飞行器可以接收到多个发射站的供能。这里的设计是一个发射站最少可以向3个飞行器功能，而一个飞行器则可以接收到至少2个发射器的供能。示意图如下：图6-1 微波输能系统采用这种设计的目的是为了提高系统的生存率和稳定性，避免在一台发射站损坏或者在战争状态下被摧毁的情况下而导致整个系统瘫痪，同时当某一飞行器被废弃或者被摧毁时，发射塔也可以继续向其他飞行器供能，提高整个系统能量的利用率。2. 能源供给技术能源供给采用MPT技术，能源由地面供给，经MPT技术传输给“御天敌”空天堡垒，MPT技术具有能量传输速度快，