“御天敵”空天堡壘設(shè)計(jì)報(bào)告

“御天敵”空天堡壘設(shè)計(jì)報(bào)告一 概述(一)設(shè)計(jì)背景航空航天已經(jīng)走過(guò)一百多年，目前傳統(tǒng)航空器（運(yùn)行范圍在20km以下）和航天器（運(yùn)行范圍在100km以上）已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。由于技術(shù)和認(rèn)識(shí)上的原因，臨近空間的戰(zhàn)略價(jià)值在最近幾年引起了各國(guó)的重視。臨近空間飛行器相對(duì)于衛(wèi)星，其效費(fèi)比高，機(jī)動(dòng)性好，有效載荷技術(shù)難度小，易于更新和維護(hù)；相對(duì)于傳統(tǒng)航空器，其持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋范圍廣，生存能力強(qiáng)。目前，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、韓國(guó)、日本、以色列均有飛艇研究方案。其中比較典型的有美國(guó)導(dǎo)彈防御局的高空飛艇(HAA)、韓國(guó)的平流層飛艇、美國(guó)空軍天站實(shí)驗(yàn)室“攀登者”等項(xiàng)目。而這些項(xiàng)目研制的飛艇卻有兩個(gè)缺點(diǎn)：無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間留空。如今的飛艇一般是使用太陽(yáng)能和蓄電池作為能量來(lái)源，然而太陽(yáng)能電池板只能在有陽(yáng)光的情況下使用，不能確保穩(wěn)定的給系統(tǒng)和蓄電池提供充足的電量；蓄電池容易出現(xiàn)故障，不能確保長(zhǎng)時(shí)間的工作，而且質(zhì)量較大。升空過(guò)程中飛艇體積太大。飛艇在地面將氣囊充滿氣然后升空到指定高度，這樣會(huì)使飛艇在升空時(shí)體積很大，因其龐大的截面積易受到風(fēng)和湍流的影響；若在戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)，則容易被敵方發(fā)現(xiàn)而遭受攻擊。（二）設(shè)計(jì)目的我們?cè)O(shè)計(jì)的飛行器目的主要有三點(diǎn)： 部署在國(guó)家邊疆，形成戰(zhàn)略防御體系； 能在臨近空間處長(zhǎng)時(shí)間留空； 減小升空時(shí)飛行器尺寸，縮短升空時(shí)間。（三）飛艇用途當(dāng)今時(shí)代，和平是主旋律。大范圍的戰(zhàn)爭(zhēng)很難發(fā)生。但沒(méi)有戰(zhàn)爭(zhēng)，并不意味著沒(méi)有威脅。如今霸權(quán)主義和強(qiáng)權(quán)政治在世界上仍然存在，所以戰(zhàn)略防御將是每個(gè)國(guó)家要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題?！坝鞌场笨仗毂局饕糜趪?guó)家的戰(zhàn)略防御，并同時(shí)具有偵查、通訊導(dǎo)航的功能，與地面形成防御體系，適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的立體網(wǎng)絡(luò)化的需求。二 任務(wù)描述（一）使命任務(wù)“御天敵”空天堡壘主要部署在我國(guó)的邊境和內(nèi)陸重要的戰(zhàn)略地點(diǎn)的上空，以形成一個(gè)“天衣無(wú)縫”的防御系統(tǒng)及無(wú)所不達(dá)的信息網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)設(shè)計(jì)目的及需求構(gòu)想，“御天敵”空天堡壘的功能任務(wù)主要有 長(zhǎng)期留空能力：“御天敵”空天堡壘能源系統(tǒng)采用微波輸能技術(shù)（WPT）輸能和高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)（HTS-FESS）儲(chǔ)能。保證其留空過(guò)程中的能量供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間留空。 主動(dòng)防御：當(dāng)有來(lái)襲的飛機(jī)或者導(dǎo)彈時(shí)，“御天敵”可作為電子干擾與對(duì)抗平臺(tái)，對(duì)敵方目標(biāo)實(shí)施電子干擾及對(duì)抗，使其偏離航線或降低命中率，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防御?！坝鞌场笨仗毂九鋫溆懈吖β饰⒉ㄎ淦?，對(duì)來(lái)襲目標(biāo)能有效地殺傷和摧毀。 偵察預(yù)警：“御天敵”空天堡壘配置有電子偵察、可見光相機(jī)、紅外相機(jī)、SAR 雷達(dá)等多種偵察載荷，構(gòu)成相互配合相互補(bǔ)充的偵察載荷系列。也能夠與預(yù)警飛機(jī)和偵察衛(wèi)星構(gòu)成全維一體的偵察體系。 通信導(dǎo)航：“御天敵”空天堡壘搭載戰(zhàn)場(chǎng)高空通信中繼設(shè)備，為平臺(tái)覆蓋區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)和地面部隊(duì)提供即插即入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括通信、時(shí)空基準(zhǔn)、指控信息、態(tài)勢(shì)信息分發(fā)等綜合信息支持能力。此外，“御天敵”還搭載有導(dǎo)航定位設(shè)備，為平臺(tái)覆蓋范圍內(nèi)的飛機(jī)提供時(shí)空基準(zhǔn)和導(dǎo)航定位服務(wù)。（二） 任務(wù)剖面任務(wù)階段任務(wù)描述起飛氣囊收起，在螺旋槳驅(qū)動(dòng)下，從地面起飛爬升迅速升空氣囊打開到安全高度后，打開氣囊，繼續(xù)升空?qǐng)?zhí)行任務(wù)在指定高度長(zhǎng)期留空、主動(dòng)防御、偵查預(yù)警，通訊導(dǎo)航。返航著陸氣囊收起，返航著陸。圖2-1 “御天敵”空天堡壘任務(wù)剖面三 總體方案（一）設(shè)計(jì)思路為了解決長(zhǎng)期留空的能源問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)不能采用燃油等消耗性能源，目前比較可行的方案主要有太陽(yáng)能電池和無(wú)線輸能兩種。太陽(yáng)能電池現(xiàn)今已有較廣應(yīng)用，但與無(wú)線輸能相比，缺點(diǎn)在于： 太陽(yáng)能電池板能量密度小，效率較低，為保證能量供應(yīng)，電池板質(zhì)量較大，這導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)重量大； 使用時(shí)間有限制，日間可正常運(yùn)行，夜間只能靠自帶蓄電池提供飛行器用電。圖3-1 左：美太陽(yáng)神號(hào) 右：某高空飛艇升空2003年，美國(guó)最有名的太陽(yáng)能飛機(jī)“太陽(yáng)神”號(hào)無(wú)人機(jī)（如圖3-1）在一次試飛時(shí)，因?yàn)轭澱窠怏w，這便是由于太陽(yáng)能電池板機(jī)翼翼展大導(dǎo)致的。基于以上考慮，我們決定采用無(wú)線輸能技術(shù)解決飛行器的能量供應(yīng)問(wèn)題。針對(duì)能夠定點(diǎn)留空的普通飛艇升空時(shí)速度慢、目標(biāo)大（如圖3-1）的問(wèn)題，本飛行器采用可收放氣囊設(shè)計(jì)，并將升空方式進(jìn)行改進(jìn)采用螺旋槳垂直起飛，依靠其推力上升至一定高度，然后打開氣囊，依靠浮力和螺旋槳推力繼續(xù)上升到預(yù)定高度。既可以讓升空變的更快速，同時(shí)保證了定點(diǎn)留空時(shí)的浮力來(lái)源。而可收放氣囊的具體形式，將是下文中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。另外，為了滿足主動(dòng)防御功能的需求，設(shè)計(jì)時(shí)還需尋找能夠在臨近空間長(zhǎng)期使用的新型武器。與能源相同，消耗性的武器彈藥在此不能使用，而最近國(guó)內(nèi)外開始研究的高能武器，因此本飛行器可采用高能武器的一種高功率微波武器。（二）外形設(shè)計(jì)1.氣囊設(shè)計(jì)可收放氣囊的設(shè)計(jì)成為此部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它主要包括兩部分：氣囊收放方式和氣囊打開后形狀。（1） 氣囊收放方式前期作品中采用的方式（即氣囊艙置于機(jī)體中部，主機(jī)體從中部分離，氣囊充氣打開）有很大的不合理性，主要在于： 氣囊很大，中間連桿過(guò)長(zhǎng)，強(qiáng)度很難保證，氣囊與機(jī)體連接強(qiáng)度也不能保證； 氣囊尺寸遠(yuǎn)大于主機(jī)體，氣囊艙尺寸不能滿足要求。基于以上兩點(diǎn)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)時(shí)，氣囊艙不再?gòu)闹鳈C(jī)體中部分離，而是位于機(jī)體頂部。同時(shí)，氣囊艙分為一大一小兩個(gè)艙，前后布置，這樣既減小連接難度，又可以增加穩(wěn)定性和可靠性。另外為了減小氣囊尺寸，我們依舊采用浮升一體化外形設(shè)計(jì)，主要包括兩個(gè)方面： 氣囊打開后成為與機(jī)體連接的兩串列式環(huán)形翼，以產(chǎn)生部分升力，減少所需浮力； 氣囊剖面采用浮升一體化外形，相對(duì)厚度較大，約為40%，這樣可以在保障氣囊體積（用于產(chǎn)生浮力）的同時(shí)，改善氣囊外形的升阻特性。綜上考慮，設(shè)計(jì)的氣囊外形如下圖所示。圖3-2 左：氣囊外形 右：充氣加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)圖另外，為保持氣囊形狀，在氣囊內(nèi)部采用充氣加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，其原理為未充氣時(shí)與氣囊收在一起，充氣后強(qiáng)度增加，給氣囊提供一定支撐作用。2.主機(jī)體設(shè)計(jì)主機(jī)體依靠?jī)蓚€(gè)大功率螺旋槳上升，為了保持平衡，設(shè)計(jì)時(shí)兩螺旋槳應(yīng)布置在整體重心附近。另外，螺旋槳槳葉尺寸較大，采用類似“魚鷹”直升機(jī)的外伸機(jī)翼形式與機(jī)體連接，機(jī)身與機(jī)翼連接處外形需根據(jù)機(jī)翼表面形狀設(shè)計(jì)。除此之外，兩氣囊艙位于機(jī)體上部，前后布置。氣囊與氣囊艙邊沿連接，故主機(jī)體上部?jī)蓺饽遗摰耐庑螒?yīng)根據(jù)氣囊底部形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)按照功能要求，御天敵在臨近空間執(zhí)行任務(wù)時(shí)并非高速飛行，故設(shè)計(jì)主機(jī)體外形時(shí)不用考慮高速飛行帶來(lái)的熱效應(yīng)及激波阻力等。由此，主機(jī)體的外形設(shè)計(jì)如下圖所示。圖3-3 主機(jī)體外形圖（三）總體布局主機(jī)體采用上單翼，V型尾翼氣動(dòng)布局，機(jī)翼兩端連接兩個(gè)大功率螺旋槳。氣囊打開后，前后形成兩環(huán)形翼。采用起落架為前三點(diǎn)式，主起落架收于機(jī)身中部，前起落架位于機(jī)頭。主機(jī)體中布置兩個(gè)設(shè)備艙，一個(gè)位于機(jī)頭，一個(gè)位于機(jī)身中部，具體布置如下： 機(jī)頭設(shè)備艙包括雷達(dá)，機(jī)載控制計(jì)算機(jī)，偵查預(yù)警和通信導(dǎo)航設(shè)備。與普通飛機(jī)類似，雷達(dá)布置在最前部的雷達(dá)罩內(nèi)。偵查預(yù)警和通信導(dǎo)航設(shè)備位于機(jī)頭下部，機(jī)載控制計(jì)算機(jī)位于機(jī)頭上部。 機(jī)身中部設(shè)備艙包括儲(chǔ)能設(shè)備，武器裝備。儲(chǔ)能采用設(shè)備高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，共有飛輪6個(gè)，位于機(jī)身中部上半部分。武器裝備為高功率微波武器，位于下半部分。由于武器消耗電能，這樣布置有利于輸電線路安排。兩個(gè)氣囊艙前后布置，機(jī)身兩氣囊艙段，上部放置收放的氣囊，下部為氣囊收放控制設(shè)備。而機(jī)翼空間則用于儲(chǔ)存液態(tài)氦氣，這與普通飛機(jī)機(jī)翼整體郵箱類似。接收天線貼于機(jī)身氣囊艙段，這樣當(dāng)氣囊艙打開時(shí)，接收天線全部面朝下方，有利于能量接收。圖3-4 總體布局（四）分系統(tǒng)設(shè)計(jì) “御天敵”空天堡壘主要包括微波輸能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)和武器系統(tǒng)組成。1 微波輸能系統(tǒng)（MPT）（1）MPT系統(tǒng)組成MPT系統(tǒng)分為三個(gè)部分：第一部分是微波功率發(fā)生器，將直流變成微波；第二部分是微波的發(fā)射、傳播；第三部分是整流天線，將微波能量接收并且轉(zhuǎn)換為直流功率。圖3-5 MPT系統(tǒng)組成.楊雪霞. 微波輸能技術(shù)概述與整流天線研究新進(jìn)展J.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009（4）（2）整流天線在MPT系統(tǒng)中，整流天線的選取關(guān)鍵?？紤]到整流天線轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量?jī)煞矫?，在這里我們采用了一種微帶貼片接收整流天線.鄧紅雷.微波輸能基本理論及接收整流天線的研究D.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2005.4-67.。該種天線有如下優(yōu)點(diǎn)： 體積小，重量輕，低剖面，能與載體共形，這對(duì)”御天敵”空天堡壘的微波功能是很方便的。 電性能多樣化，不同設(shè)計(jì)的微單元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化方式；特殊設(shè)計(jì)的微帶元還可以在雙頻或多頻工作。 能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組合，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了整機(jī)的制作和調(diào)試，大大降低了成本。該整流天線示意圖如下圖：圖3-6 微帶接收整流天線示意圖輸入低通濾波器組織高次諧波通過(guò)；輸出濾波器由電容和長(zhǎng)為L(zhǎng)的微帶線組成，調(diào)節(jié)L的長(zhǎng)度，讓二極管及其后端的電路發(fā)生諧振，從而只允許直流通過(guò)，阻止基波和高次諧波通過(guò)負(fù)載。采用1/4波長(zhǎng)線進(jìn)行匹配時(shí)，該整流天線的效率達(dá)到了80.1% （3）發(fā)射頻率的選?。何覀儾捎?.8GHz作為發(fā)射頻率，原因如下：使用2.45GHz雖然技術(shù)成熟，大氣傳輸時(shí)空間衰減小，能在惡劣的天氣下工作，基本不用考慮大氣的影響，但這個(gè)頻率卻對(duì)衛(wèi)星通信存在潛在的干擾，且整流天線面積較大；而5.8GHz微波的大氣穿透性也很好，相應(yīng)元器件的轉(zhuǎn)換率也很高，價(jià)格也便宜，盡管傳輸效率稍低，但是發(fā)射和接收面積都較小，綜合考慮來(lái)說(shuō)，性價(jià)比很高。2.高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)8高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要由高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承（SMB）、飛輪轉(zhuǎn)子、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力電子轉(zhuǎn)換裝置和真空/安全保護(hù)裝置構(gòu)成。 高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承SMB 是高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的核心部件，基本原理是高溫超導(dǎo)體和永磁體電磁相互作用的軸對(duì)稱模型，是用高溫超導(dǎo)塊材作定子，常規(guī)的永磁體作轉(zhuǎn)子。研究結(jié)果表明，SMB的摩擦系數(shù)只有，是電磁懸浮軸承的1/1000，最好的機(jī)械軸承的1/10000。因此SMB具有無(wú)機(jī)械接觸、自穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 飛輪轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)子是高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能載體。飛輪是一個(gè)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，其儲(chǔ)存的能量可以表示為式中 -飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能 -角速度儲(chǔ)能密度時(shí)表征儲(chǔ)能裝置性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于結(jié)構(gòu)、幾何尺寸一定的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，其儲(chǔ)能密度為式中 -飛輪形狀參數(shù) -飛輪產(chǎn)生的最大軸向應(yīng)力 -飛輪材料的密度-飛輪質(zhì)量從儲(chǔ)能的角度看，越大越好；而從減輕軸承負(fù)荷來(lái)看，越小越好。所以，飛輪轉(zhuǎn)子需要高的材料。表3-1 飛輪轉(zhuǎn)子材料參數(shù)表8上表給出了幾種常用的飛輪轉(zhuǎn)子材料參數(shù)，顯然碳素纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度密度比最高，因此最適合做定子的材料。理論和實(shí)驗(yàn)都證明目前的碳素纖維復(fù)合材料做成的飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大線速度可超過(guò)。 電機(jī)/發(fā)電機(jī)電機(jī)/發(fā)電機(jī)是高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能量轉(zhuǎn)化的必備環(huán)節(jié)。飛輪儲(chǔ)存能量時(shí)，系統(tǒng)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，飛輪加速；釋放能量時(shí)，飛輪處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，飛輪減速。與其它電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，在高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。 真空/安全保護(hù)裝置真空罩的作用是為飛輪轉(zhuǎn)子提供一個(gè)低壓的環(huán)境，降低高速旋轉(zhuǎn)下的風(fēng)阻損耗。另外，飛輪在高離心力作用下存在發(fā)生爆裂的可能性，因此真空罩兼起安全保護(hù)的作用。3.動(dòng)力系統(tǒng)“御天敵”空天堡壘采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。 基本原理直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是利用電子換相技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)電刷換向的一種新型直流電動(dòng)機(jī)，它徹底取消了換向器和電刷，而又具備了與有刷直流電動(dòng)機(jī)相同的線性機(jī)械特性，調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)力矩大，效率高。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì) 機(jī)械特性為線性，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)； 具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便等特點(diǎn)。 功率重量比較大，在小轉(zhuǎn)速時(shí)有較大的輸出扭矩，配合使用大直徑的螺旋槳。4.高功率微波武器（HPMW）“御天敵”空天堡壘采用MPT技術(shù)功能，所以其能量可以說(shuō)源源不斷，若攜帶傳統(tǒng)武器，不僅會(huì)增加配重，而且傳統(tǒng)武器還有彈藥用完的情況。因此”御天敵”空天堡壘采用了高功率微波武器，以實(shí)現(xiàn)攻防兼?zhèn)?。?）HPMW組成.夏新仁.高功率微波武器的現(xiàn)在與將來(lái)J. 中國(guó)航天，2007，（6）:39-40 高功率微波武器（HPMW）是指使用峰值功率超過(guò)100MW、頻率在1-300GHz之間微波的武器。它將高功率微波源產(chǎn)生的微波，經(jīng)高增益天線定向輻射，將微波能量匯聚在窄波段內(nèi)，以極高的強(qiáng)度照射目標(biāo)，殺傷人員和干擾、破壞現(xiàn)代武器系統(tǒng)的電子設(shè)備。HPMW由初始能源、激勵(lì)電源、高功率微波源和發(fā)射天線等組成，并由跟蹤瞄準(zhǔn)引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行定向，由作戰(zhàn)平臺(tái)運(yùn)載，如下圖：圖3-7 HPMW組成框圖（2）HPMW優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)武器相比，HPMW具有以下優(yōu)勢(shì)： 具有攻、防兼?zhèn)涞墓δ?。HPMW在作戰(zhàn)使用中，攻擊目標(biāo)時(shí)能有效地殺傷和摧毀目標(biāo)，與此同時(shí)可以干擾或摧毀來(lái)襲的導(dǎo)彈和反輻射導(dǎo)彈等，從而達(dá)到進(jìn)攻和自我防御的目的。 對(duì)瞄準(zhǔn)精度要求不高。微波由定向天線發(fā)射，形成具有方向性的波束，在其傳輸過(guò)程中通過(guò)衍射可形成足夠大的斑點(diǎn)，以彌補(bǔ)跟蹤與瞄準(zhǔn)的低精度。 能殺傷隱身目標(biāo)和武器。由于HPMW所發(fā)出的電磁波束較寬，能淹沒(méi)一定范圍內(nèi)的目標(biāo)區(qū)，射束指向靈活，可同時(shí)殺傷多個(gè)目標(biāo)。其較寬的頻帶能有效對(duì)付采用隱身技術(shù)的武器。 具有全天候作戰(zhàn)能力。HPMW靠發(fā)射到空中的強(qiáng)電磁波殺傷和破壞目標(biāo)，而這種電磁波在大氣中不存在嚴(yán)重的傳輸問(wèn)題，因此全天候運(yùn)用能力極強(qiáng)，可與高能激光武器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 具有“軟”和“硬”兩種殺傷性能。HPMW的軟、硬殺傷功能與照射到目標(biāo)上的功率密度有關(guān)：照射到目標(biāo)上的微波功率密度越小時(shí)，起到軟殺傷作用；照射到目標(biāo)上的微波功率密度很大時(shí)，起到硬殺傷作用。5.控制系統(tǒng)御天敵空天堡壘的控制系統(tǒng)主要包括飛行模式控制，能量分配控制，溫度控制，氣囊收放控制和浮心控制飛行模式控制主要控制“御天敵”在臨近空間的定點(diǎn)留空，其通過(guò)布置在機(jī)體各位置的加速度傳感器反饋信號(hào)對(duì)機(jī)體姿態(tài)和螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，也實(shí)現(xiàn)“御天敵”的穩(wěn)定留空。能量分配主要用于在留空時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能和能量消耗以及消耗時(shí)各裝備的功率分配進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，也滿足使用要求，且最大程度的提高效率。溫度控制系統(tǒng)用于留空時(shí)，飛行器內(nèi)部的溫度控制，也保證機(jī)體內(nèi)部各設(shè)備正常運(yùn)行。氣囊收放控制，主要用于“御天敵”的整個(gè)升空過(guò)程，其根據(jù)飛行器周圍環(huán)境參數(shù)及飛行狀態(tài)，決定收放氣囊時(shí)刻及收放量。浮心控制技術(shù)將在下文中具體描述。（五）性能計(jì)算1.外形尺寸及重量計(jì)算圖3-8 外形尺寸計(jì)算流程（1）計(jì)算整流天線面積和質(zhì)量“御天敵”設(shè)計(jì)功率為,采用的整流貼片天線的單位面積功率為65.7 ,單位面積質(zhì)量為263.由（2）計(jì)算微波傳輸效率.薛玉潔.無(wú)線輸能系統(tǒng)中整流天線的分析與設(shè)計(jì)D.上海：上海大學(xué)，2007.8-11這里設(shè)發(fā)射天線的面積為,升空高度為發(fā)射頻率為，發(fā)射波長(zhǎng)為。由代入數(shù)據(jù)，可得到由空間傳輸效率與的關(guān)系圖4圖3-9 空間傳輸效率和關(guān)系圖可得到（3）計(jì)算氣囊體積和重量“御天敵”設(shè)計(jì)總重為，的大氣密度由得到假設(shè)氣囊為球體，則等效半徑等效表面積采用比重為的氣囊材料則氣囊重量為2.系統(tǒng)整體效率的計(jì)算整體效率主要由四部分組成：直流電轉(zhuǎn)換為微波的效率，微波的發(fā)射效率，微波在空間的傳輸效率，微波轉(zhuǎn)化為直流電效率。各部分的轉(zhuǎn)化率及說(shuō)明如下表：表3-2 WPT系統(tǒng)效率能量傳輸過(guò)程描述效率直流電轉(zhuǎn)化為微波使用磁控管86%微波的發(fā)射使用拋物面發(fā)射天線90%微波的傳輸從發(fā)射天線到整流天線90%微波轉(zhuǎn)化為直流電采用微帶貼片天線80%總體效率從直流到直流55.7%3.發(fā)射端直流功率的計(jì)算“御天敵”設(shè)計(jì)功率為，系統(tǒng)總體效率為，則發(fā)射端直流功率為4. 高功率微波武器性能分析.卜格鴻，焦彥平，陳波. 美軍天基高功率微波武器攻擊衛(wèi)星系統(tǒng)能力評(píng)估J.武裝指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,18（6）：39-40. （1） HPMW威力估算根據(jù)高功率微波武器的技術(shù)參數(shù)，在氣象修正完善的情況下，HPMW產(chǎn)生的功率密度為：式中：為到達(dá)敵方衛(wèi)星的功率密度，單位為；為微波武器的輻射功率；為天線增益；為高功率微波武器與衛(wèi)星之間的距離。假設(shè)，HPMW與敵方衛(wèi)星采用一對(duì)一的形式進(jìn)行作戰(zhàn)時(shí)，HPMW能對(duì)敵方衛(wèi)星識(shí)別和辨識(shí)的最小功率密度為，按此計(jì)算則微波武器的最大作戰(zhàn)半徑為：距離越近，功率密度越大，殺傷力越強(qiáng)。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可沖擊和觸發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生假干擾信號(hào)，干擾破壞其正常工作313使作戰(zhàn)人員神經(jīng)紊亂、情緒煩躁不安、記憶力衰退、行為錯(cuò)誤2050使作戰(zhàn)人員出現(xiàn)痙攣或失去知覺(jué)，喪失作戰(zhàn)能力100致盲、致聾、心肺功能出現(xiàn)衰竭0.5人體皮膚輕度燒傷0.011可使電子設(shè)備微波器件的性能降低、失效以致硬損傷20照射2秒就可造成人體皮膚3度燒傷80在1秒內(nèi)即可使人致死10100利用其形成的瞬變電磁場(chǎng)，在金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)感應(yīng)電流，通過(guò)天線、導(dǎo)線接口、金屬孔隙耦合進(jìn)入衛(wèi)星等電子設(shè)備中，使系統(tǒng)的功能紊亂，出現(xiàn)錯(cuò)碼、中斷數(shù)據(jù)、抹掉計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，以致造成電子元件的硬損傷，從而使整個(gè)電子系統(tǒng)失效。100010000能在瞬間引爆炸彈、導(dǎo)彈，瞬間摧毀目標(biāo)。（2）HPMW微波發(fā)射天線面積估算在微波武器的輻射功率一定的情況下，天線增益與到達(dá)敵方衛(wèi)星的HPM功率密度成正比。天線增益滿足：式中：為微波波長(zhǎng)；為天線口面直徑；為天線的輻射效率，這里取。對(duì)于C波段（設(shè)）HPM，若天線增益，則天線實(shí)際面積為：即此時(shí)天線的直徑為，在“御天敵”平臺(tái)上，這個(gè)尺寸是完全合適的。5. 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)質(zhì)量的估算8參照日本ISTEC設(shè)計(jì)的等級(jí)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子直徑為，轉(zhuǎn)子材料使用碳纖維，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為，電機(jī)使用永磁電機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖：圖3-10 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由于軸承采用電磁懸浮軸承，因此軸承的重量較輕，約為 ，而軸承和轉(zhuǎn)子質(zhì)量占到了真?zhèn)€飛輪系統(tǒng)的大部分，所以估計(jì)一個(gè)飛輪系統(tǒng)的質(zhì)量為 。 “御天敵”空中堡壘設(shè)計(jì)需要這樣的飛輪系統(tǒng)有6個(gè)。則儲(chǔ)能系統(tǒng)的總重為。6.起飛性能“御天敵”使用螺旋槳作為起飛動(dòng)力，垂直起飛，且在升空過(guò)程中，氣囊不打開，到達(dá)預(yù)訂高度后才打開。每臺(tái)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能電池功率最大為400KW，總共載有6臺(tái)蓄電池，則總功率為4800KW，假設(shè)效率為83%?！坝鞌场笨仗毂究傊貫?0t，由代入得： “御天敵”在這樣的速度下，達(dá)到25KM高度需要的時(shí)間為7. 定點(diǎn)留空螺旋槳所需功率在定點(diǎn)留空時(shí)，氣囊在阻力中占大部分。氣囊橫截面采用如下圖的翼型，圖3-11 氣囊剖面流體分析飛艇阻力系數(shù)可通過(guò)代數(shù)模型預(yù)測(cè)得到，這里取。飛艇的參考面積設(shè)為40000，所以飛艇的阻力為：與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)力矩大，可以均勻而經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。直流電動(dòng)機(jī)除起動(dòng)力矩大意外，還有較強(qiáng)的過(guò)載能力。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能機(jī)高。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。因此可對(duì)飛艇上的螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。推進(jìn)系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電機(jī)。電動(dòng)機(jī)在飛艇定點(diǎn)控制或飛行中要克服最大設(shè)計(jì)風(fēng)速下的阻力，所需要的最小功率為其中為螺旋槳的效率?！坝鞌场笨仗毂居行лd荷的設(shè)計(jì)功率為30KW，各種控制系統(tǒng)的需要大約20KW。所以“御天敵”空天堡壘正常工作所需要的能源要求為，這里取螺旋槳效率為90%：四、技術(shù)支撐“御天敵”空天堡壘使用微波輸能技術(shù)、高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)；使用高功率微波武器進(jìn)行主動(dòng)防御；使用變體飛行器技術(shù)進(jìn)行氣囊的收放?！坝鞌场笨仗毂臼褂梦⒉ㄝ斈芗夹g(shù)、高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)；使用高功率微波武器進(jìn)行主動(dòng)防御；使用氣囊收放技術(shù)進(jìn)行氣囊的收放。（一）微波輸能技術(shù)1.微波輸能技術(shù)原理微波輸能（Microwave Power Transmission）是指將能量以微波的形式，通過(guò)真空或地球大氣，不借助導(dǎo)線或其他任何介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間高效的電能傳輸。2.微波輸能技術(shù)優(yōu)勢(shì)將MPT技術(shù)應(yīng)用于”御天敵”空天堡壘的優(yōu)勢(shì)為： MPT系統(tǒng)中，能量的傳輸速度為光速，其傳輸方式和大小可以迅速改變，且能量的傳輸不受地球引力的影響.辛朝軍，金星，柯發(fā)偉. 一種臨近空間飛行器能源問(wèn)題解決方案J . 飛航導(dǎo)彈，2009（10）： 27-30. ； 微波在真空中傳播沒(méi)有損耗，在大氣中傳輸損耗可以降到很小錯(cuò)誤！未定義書簽。 由于MPT系統(tǒng)的發(fā)射端置于地面，因而不受質(zhì)量和體積的限制，同時(shí)，安裝在“御天敵”空天堡壘上的微帶貼片整流天線很輕，在很大程度上降低了飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量錯(cuò)誤！未定義書簽。MPT系統(tǒng)能夠向“御天敵”空天堡壘持續(xù)功能，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間留空。3.關(guān)鍵技術(shù)在整個(gè)MPT系統(tǒng)中，整流天線技術(shù)是關(guān)鍵的瓶頸技術(shù)，現(xiàn)在發(fā)展還不是很成熟。其原理圖如下：圖4-1 整流天線原理圖.Sheldon Freid, et al. Lunar Wireless Power Transfer Feasibility StudyR. United States:- , 2008. 12-12. 在整流天線中，入射波被天線接收，整流裝置和LPF(low-pass filter)用來(lái)保證沒(méi)有RF的輸入到能量管理電路，一個(gè)控制器為能量管理電路提供輸入，確保接收到的能量的儲(chǔ)存和直流電的輸送。在整流天線中，整流二極管性能是決定整流效率的關(guān)鍵因素。為了得到高轉(zhuǎn)換效率，必須選擇結(jié)電容小的二極管。接收天線是整流天線的另一重要部件，考慮共形性，一般采用平面印刷天線，高增益是保證高轉(zhuǎn)換率的前提。因此如何設(shè)計(jì)出性能良好的整流二極管和整流天線，成為了MPT技術(shù)的關(guān)鍵的瓶頸技術(shù)。（二）高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù).鄧自剛，王家素，王素玉等. 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008,23（12）：1-10. “御天敵”空天堡壘采用高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，用于存儲(chǔ)從整流天線接收到的能量。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能密度大、效率高、壽命長(zhǎng)、低維護(hù)等特點(diǎn)，而且發(fā)展較成熟，非常適合應(yīng)用在作戰(zhàn)平臺(tái)上。1.基本原理高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理是利用電動(dòng)機(jī)將懸浮的飛輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)到高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存。需要時(shí)，飛輪減速，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電站運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，這樣就能通過(guò)飛輪的加速和減速，完成了電能的存入和釋放。圖4-2 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能原理2.高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì) 高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)特別適合于太空應(yīng)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?yàn)樘盏牡蜏丨h(huán)境大大簡(jiǎn)化了SMB的低溫部分，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且飛輪的高速旋轉(zhuǎn)還可以來(lái)控制“御天敵”空天堡壘的姿態(tài)。 控制簡(jiǎn)單。高溫超導(dǎo)磁懸浮是一種自穩(wěn)定的懸浮，與電磁懸浮相比，不需要額外的懸浮、導(dǎo)向控制環(huán)節(jié)。 儲(chǔ)能密度大。高儲(chǔ)能密度時(shí)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)。就目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度已達(dá)到，明顯高于超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、燃料電池、鉛酸電池和高級(jí)電池等方式，而研究預(yù)計(jì)在2013年之前，可用的熔融石英材料，將使飛輪儲(chǔ)能密度達(dá)到，而2013年后，碳納米管材料將使飛輪的儲(chǔ)能密度達(dá)到，成為儲(chǔ)能密度最高的儲(chǔ)能方式。 效率高。與其他儲(chǔ)能方式相比，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)效率最高，可達(dá)到90%以上。 壽命長(zhǎng)。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)充放電次數(shù)上萬(wàn)次，運(yùn)行壽命長(zhǎng)達(dá)20年以上，與燃料電池相當(dāng)，遠(yuǎn)高于蓄電池與發(fā)電機(jī)。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的長(zhǎng)壽命以及低維護(hù)成本將補(bǔ)償其購(gòu)置成本較高的不足，長(zhǎng)期運(yùn)行具有較好的經(jīng)濟(jì)性。（三）蒙皮及氣囊材料技術(shù)平流層飛艇的工作環(huán)境十分嚴(yán)酷：溫度低(最低溫度約一550C)，晝夜溫差大；大氣密度約為0.0889kg/m3，僅為地面的1/14；紫外輻射、臭氧作用強(qiáng)烈。在這種環(huán)境下飛艇若長(zhǎng)期工作，蒙皮材料必須具有高的強(qiáng)度質(zhì)量比，低的氦氣滲透率，高的耐氣候、抗撕裂和耐彎折性能，研制難度較大。平流層飛艇蒙皮材料由承重織物層、防氦氣滲漏層、耐環(huán)境氣候?qū)右约罢辰訉咏M成，一般采用涂層或熱壓工藝加工。承重織物層是承受飛艇內(nèi)壓、并確保蒙皮材料強(qiáng)度的功能層，是蒙皮材料的核心層，主要使用輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量的纖維織物。聚對(duì)苯撐苯并二惡唑(PBO)纖維具有比芳香族聚酯(n)、芳綸(Kevlar)更高的強(qiáng)度、模量，能夠有效改善蒙皮織物力學(xué)性能，因其耐高溫和抗燃性好，被稱為“超級(jí)纖維”。PBO纖維拉伸強(qiáng)度可達(dá)5.8GPa，拉伸模量可達(dá)280380GPa，最高工作溫度為350，熱分解溫度達(dá)670，具有優(yōu)異的力學(xué)性能22。據(jù)此，我們的承重織物層采用PBO纖維。囊體材料要求具有良好的氣密性能、足夠的強(qiáng)度和盡可能輕的質(zhì)量。高空飛艇對(duì)囊體的材料要求還要適當(dāng)提高。因此，囊體一般采用符合材料。對(duì)應(yīng)以上要求，囊體材料由承力層和氣密層構(gòu)成。承力層幾乎承受囊體的全部強(qiáng)力，由纖維織物構(gòu)成。作為基質(zhì)的纖維織物結(jié)構(gòu)形式一般為低支數(shù)低密度平紋布 潘菊芳，王志明，王秋林，等. 飛艇囊體基礎(chǔ)材料及附屬材料的開發(fā)J. 紡織科學(xué)研究，1992，(4):6-8.。氣密層提供阻氣性能，形式一般為在纖維基布上粘合薄膜材料?！坝鞌场蹦殷w材料采用國(guó)產(chǎn)Kevlar纖維平紋布為基質(zhì)承力層，日產(chǎn)EVAL膜為氣密層，采用熱熔層壓工藝制備出單面覆膜和雙面覆膜的氣囊囊體材料試樣。這樣制備的囊體材料符合飛艇用囊體材料要求，其面密度式中，力學(xué)性能和氣密性能較好，各項(xiàng)參數(shù)均超越國(guó)外第四代囊體材料指標(biāo)23。（四）氣囊收放技術(shù)“御天敵”空天堡壘采用可收放的氣囊設(shè)計(jì)方式。氣囊內(nèi)側(cè)壁上使用充氣加強(qiáng)筋，充滿氣后，加強(qiáng)筋剛度變的很大大，保持氣囊的外形和體積，從而提供足夠的升力；放完氣后，加強(qiáng)筋剛度變得很小，從而便于氣囊的回收。在機(jī)翼內(nèi)部?jī)?chǔ)存有液氦，在打開氣囊時(shí)，液氦放出變成氣態(tài)；在氣囊收起時(shí)，通過(guò)壓縮技術(shù)將氦氣液化。這樣的設(shè)計(jì)，使得“御天敵”空天堡壘在留空過(guò)程中氣囊可收可放。（五）先進(jìn)控制技術(shù)御天敵空天堡壘的控制主要包括飛行模式控制，能量分配控制，溫度控制，氣囊收放控制和浮心控制。先進(jìn)控制技術(shù)是“御天敵”實(shí)現(xiàn)快速升空，定點(diǎn)留空和有效運(yùn)行的保障，故高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)和先進(jìn)傳感器技術(shù)對(duì)于“御天敵”很關(guān)鍵。分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已對(duì)其它控制系統(tǒng)進(jìn)行了描述，下面重點(diǎn)描述浮心控制技術(shù)浮心控制技術(shù)在“御天敵”的前后兩端安排配重，這里用水袋，兩段水袋通過(guò)水管連接起來(lái)，中間有一個(gè)水泵來(lái)控制進(jìn)水量。根據(jù)“御天敵”空天堡壘俯仰角的指令，調(diào)節(jié)兩個(gè)水袋中的水量，從而達(dá)到控制“御天敵”空天堡壘的俯仰角。另外為了防止液體凍結(jié)，要加入防凍劑。在管道中加裝閥門，以防止液體從水泵間隙開關(guān)回流。圖4-3 “御天敵”浮心控制技術(shù)五、可用性分析（一）MPT技術(shù)可用性和現(xiàn)實(shí)可用性分析微波輸能技術(shù)組成的三部分中，微波功率源和微波的發(fā)射、傳播現(xiàn)在發(fā)展的比較成熟，整流天線技術(shù)是如今WPT系統(tǒng)中還要進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)。1. 微波發(fā)射源1上世紀(jì)50年代，隨著大功率微波管的出現(xiàn)及其技術(shù)的迅速提高，某些大功率微波源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在S和C波段，磁控管的DC-RF的轉(zhuǎn)換率為86%，相位控制磁控管效率為65%75%。不同功率源的關(guān)鍵差異在于轉(zhuǎn)換器的RF功率輸出不同，輸出不同又導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力和電壓的不同。目前來(lái)講，在大功率微波源中，磁控管的性能比較可靠，價(jià)格低廉。2. 微波發(fā)射天線1在微波輸能系統(tǒng)中，微波發(fā)射天線具有高聚焦能力和使微波能量定向傳輸?shù)哪芰Α０l(fā)射天線中的拋物面天線如見已成熟，國(guó)內(nèi)某研究所S波段和C頻段天線口徑為70米，增益分別為62dB（2.45GHz）69dB（5.8GHz），波束寬度分別為0.11和0.048。而具有對(duì)移動(dòng)目標(biāo)具有隨動(dòng)功能的相控陣天線雖然由于T/R組件的成本較高，但已經(jīng)普遍用于許多領(lǐng)域，在不久相信會(huì)有效用于MPT系統(tǒng)。除了相控天線外，回溯天線陣也具有定向功能，目前在MPT系統(tǒng)中受到重視。3. 整流天線1在MPT系統(tǒng)中整流天線由接收天線和整流電路組成。其中，整流二極管性能是決定整流效率的關(guān)鍵因素。上世紀(jì)70年代，Si肖特基二極管代替點(diǎn)接觸半導(dǎo)體二極管以后，將RF-DC轉(zhuǎn)換率提高到80%左右。為了得到高轉(zhuǎn)換效率，必須選擇電容小的二極管。目前有多種工作于微波頻段的肖特基二極管可供選用，比較出名的如Raytheon、HP、M/A COM等二極管。接收天線是整流天線的另一重要部件，圓極化天線無(wú)需極化對(duì)準(zhǔn)，可以接收任意線極化波和旋向相同的圓極化波1。而在最近幾年中，人們開始對(duì)圓極化整流天線的研究。圓極化整流天線有較大的位置自由度，可以減小由于發(fā)射與接收天線角度失配而產(chǎn)生的能量損耗。2000年，Chang Kai教授等人對(duì)圓極化整流天線進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)的一個(gè)整流天線由切角的貼片天線和微帶電路構(gòu)成，其工作頻率在5.8GHz，RF-DC轉(zhuǎn)化率可以達(dá)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.。目前國(guó)外整流技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，而我國(guó)在微波輸能研究領(lǐng)域還處于萌芽階段，1988年，電子科技大學(xué)的文舸一教授提出了用時(shí)域散射參數(shù)法對(duì)整流天線進(jìn)行分析優(yōu)化，所設(shè)計(jì)的整流天線的轉(zhuǎn)化效率為60%.李中云，文舸一. Ka波段整流天線的時(shí)域分析，微波學(xué)報(bào)，1998,14（02）：134-140。2004年國(guó)內(nèi)報(bào)道了一種線極化矩形微帶貼片接收整流天線，工作在2.45GHz，其仿真的轉(zhuǎn)化效率為70%.鄧紅雷，孔力.一種實(shí)用線極化矩形微帶貼片接收整流天線的仿真設(shè)計(jì)J.微波學(xué)報(bào)，2004,20（4）：68-71. 。而“御天敵”平臺(tái)則采用了國(guó)內(nèi)最新研制的一種圓極化微帶貼片整流天線，RF-DC轉(zhuǎn)化效率為80.1%3。從微波輸能技術(shù)的發(fā)展史來(lái)看，WPT在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)發(fā)展越來(lái)越快，也被人們?cè)絹?lái)越重視。19771980年期間，美國(guó)能源部和國(guó)家宇航局共同組織研究，投入2000萬(wàn)美金對(duì)SPS(Solar Power System)計(jì)劃進(jìn)行了概念論證，肯定了其可行性。而SPS中能量傳輸正是使用了WPT技術(shù)。1992年12月加拿大學(xué)者伊斯特報(bào)道了SHARP高空永久平臺(tái)的一些研究進(jìn)展，其所造模型早在1987年9月就完成了低空試飛.林為干，等.微波輸電，現(xiàn)代化建設(shè)的生力軍J.科技導(dǎo)報(bào)，1994,15（3）：31-34. 。1993年10月，國(guó)際無(wú)線電聯(lián)盟大會(huì)期間，日本NEC公司展出了微波功能的無(wú)人海岸巡航機(jī)的樣機(jī)，地面發(fā)射功率為10千瓦，飛機(jī)接收到1千瓦；飛機(jī)自重15公斤，可負(fù)重50公斤13。1999年春到2000年秋天，NASA主持了SSP開發(fā)研究和技術(shù)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目，深入的定義了新系統(tǒng)的概念，更好的定義了SSP所包含的技術(shù)挑戰(zhàn)，發(fā)起了廣闊范圍的和有選擇性的無(wú)線輸電研究，來(lái)驗(yàn)證SSP的可行性和技術(shù)路線圖。美國(guó)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電的戰(zhàn)略研究和用于空間太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)藍(lán)圖。2008-2012年間，對(duì)1MW能及的SSP平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。2012-2025年間，將制造和展示，用于中等規(guī)模的內(nèi)層空間SSP平臺(tái)的10MW能量等級(jí)系統(tǒng)。2025年-2035年這個(gè)時(shí)期，將驗(yàn)證用于大規(guī)模空間發(fā)電的1-2GW的能量的SSP平臺(tái)，將為地面市場(chǎng)展示基本負(fù)荷能量發(fā)射。最終，在2050年后，很大規(guī)模的，大于10GW能級(jí)的空間SSP平臺(tái)將成為可能4。從以上能夠看出，在未來(lái)20-30年間，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，大功率的微波輸能完全有可能，且可行。我國(guó)在WPT技術(shù)方面現(xiàn)已起步，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)高校和研究所已經(jīng)著手研究，如上海大學(xué)在這方面已經(jīng)做出了很多突破。相信在之后的20-30年間，我國(guó)的WPT技術(shù)會(huì)走向成熟。所以通過(guò)WPT技術(shù)向“御天敵”平臺(tái)輸送能量，是完全可以做到和實(shí)現(xiàn)的。（二）高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)可行性美國(guó)自上世紀(jì)80年代初就開始進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能的系統(tǒng)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的可行性研究。研究表明，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能取代蓄電池作為航天器的儲(chǔ)能裝置，而且還可以對(duì)航天器的姿態(tài)進(jìn)行有效控制 李俄收，王選，吳文民. 超高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用研究J.微特電機(jī)，2010 （6）。目前，包括美國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)等在內(nèi)的多國(guó)20-22正在大力發(fā)展高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)樣機(jī)的研制工作。代表行研究工作如下：美國(guó)波音公司和阿貢實(shí)驗(yàn)室合作研制的等級(jí)的飛輪已進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加工設(shè)計(jì)了的飛輪轉(zhuǎn)子；日本ISTEC也已經(jīng)在對(duì)等級(jí)飛輪系統(tǒng)中的SMB進(jìn)行組裝實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加工設(shè)計(jì)等級(jí)的飛輪轉(zhuǎn)子；德國(guó)ATZ公司則從2005年開始對(duì)等級(jí)的飛輪進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)對(duì)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究已經(jīng)起步。其中中科院電工所研制了一臺(tái)混合SMB樣機(jī) 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.。西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所從20世紀(jì)90年代初期開始，就一直致力于高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，2000年研制成功了世界首輛載人的高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車 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. ，這為SMB的設(shè)計(jì)和研制提供必需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這些已有的高溫超導(dǎo)磁懸浮理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)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.，已在制作一臺(tái)全高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承形式的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理演示樣機(jī)。盡管目前還沒(méi)有飛輪系統(tǒng)應(yīng)用于臨近空間飛艇的報(bào)道，但從上面可以看到，目前不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展很快，在未來(lái)的20-30年完全可以實(shí)現(xiàn)在“御天敵”空天堡壘上應(yīng)用。（三） 高功率微波武器可行性分析8高功率微波技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，而高功率微波武器的研制開始于20世紀(jì)70年代，目前，開展高功率微波武器研究的國(guó)家不少，但主要集中于美國(guó)和俄羅斯。美國(guó)早在1985年得“戰(zhàn)略防御計(jì)劃”中就把高功率微波武器作為其空間武器的主攻項(xiàng)目列入計(jì)劃中；美國(guó)陸軍于1989年4月公布“陸軍技術(shù)基礎(chǔ)總計(jì)劃”，確定了用于有效摧毀坦克的高功率微波武器；美國(guó)空軍于1986年開始執(zhí)行研制輸出功率為幾百兆瓦至幾千兆瓦的高功率微波武器；在1992年美國(guó)空軍公布的電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展計(jì)劃中，提出今后電子戰(zhàn)裝備的發(fā)展重點(diǎn)為高功率微波干擾機(jī)、高有效輻射功率的雷達(dá)和通訊干擾機(jī)；美國(guó)海軍水面武器中心也制定了研制高功率微波武器的計(jì)劃，主要用于對(duì)付反艦導(dǎo)彈。目前，美國(guó)的高功率微波武器處于領(lǐng)先地位，單個(gè)脈沖的發(fā)射能量已經(jīng)達(dá)到1000J，其峰值功率已達(dá)到100GW。根據(jù)美國(guó)的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備和技術(shù)水平，足可以研制出10TW功率的脈沖。高功率微波武器樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)且在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中投入使用。目前發(fā)展研究高功率微波源，提高發(fā)射功率與能量轉(zhuǎn)換效率是發(fā)展高能微波武器的核心部分，而且高功率微波武器正朝著縮小體積、減輕重量的小型化方向發(fā)展。再經(jīng)過(guò)20-30年的發(fā)展，高功率微波武器的輻射功率將超過(guò)100GW。那時(shí)，將其應(yīng)用于“御天敵”空天堡壘是完全可行的。六 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)（一）用于長(zhǎng)期留空的能源系統(tǒng)解決方案我們從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、能源供給技術(shù)和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)上解決了“御天敵”空天堡壘長(zhǎng)時(shí)間留空的問(wèn)題。1. 能源系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)“御天敵”空天堡壘能源系統(tǒng)采用“多對(duì)多”的方式，即一個(gè)發(fā)射站同時(shí)向多個(gè)飛行器輸能，而一個(gè)飛行器可以接收到多個(gè)發(fā)射站的供能。這里的設(shè)計(jì)是一個(gè)發(fā)射站最少可以向3個(gè)飛行器功能，而一個(gè)飛行器則可以接收到至少2個(gè)發(fā)射器的供能。示意圖如下：圖6-1 微波輸能系統(tǒng)采用這種設(shè)計(jì)的目的是為了提高系統(tǒng)的生存率和穩(wěn)定性，避免在一臺(tái)發(fā)射站損壞或者在戰(zhàn)爭(zhēng)狀態(tài)下被摧毀的情況下而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，同時(shí)當(dāng)某一飛行器被廢棄或者被摧毀時(shí)，發(fā)射塔也可以繼續(xù)向其他飛行器供能，提高整個(gè)系統(tǒng)能量的利用率。2. 能源供給技術(shù)能源供給采用MPT技術(shù)，能源由地面供給，經(jīng)MPT技術(shù)傳輸給“御天敵”空天堡壘，MPT技術(shù)具有能量傳輸速度快，