計劃正式進入驗證與使用功效階段。然而，令人沒有料到的是，該機在4月1日進行長航時飛行試驗期間，突然墜毀在基地附近。突如其來的飛行事故，令航空環境公司措手不及，直接后果是將會影響JCTD計劃的進展，甚至有可能讓競爭對手后來居上，痛失贏得未來采購項目的機會。

探索長航時技術

早在上世紀70年代末，美國航空環境公司就開始探索太陽能動力，力求實現無人機的長航時飛行。作為美國航空航天局的“環境研究飛機和傳感器技術”（ERAST）計劃的一部分，該公司先后研制出“探路者”（Pathfinder）、“探路者＋”（Pathfinder-Plus）和“太陽神”（Helios）等高空太陽能無人機，其中，“探路者＋”無人機在同溫層內驗證了蜂窩通信中繼和轉播高清電視信號的能力，表明了采用高空無人機實現持續通信的可行性。

然而，航空環境公司在ERAST計劃的后期得出一個結論，在今后數年內，太陽能動力還不足以支持無人機在冬季或在熱帶以外地區持續飛行，也無法滿足熱帶地區之外持續執行通信、偵察等任務。2000年，公司決定在太陽能動力之外，尋求其它有可能滿足長航時飛行要求的途徑。考慮到液氫燃料的比能量是常規燃料的3倍，于是決定為高空長航時無人機的動力裝置選擇液氫燃料。

2004年，航空環境公司開始研制“全球觀察者”無人機，旨在搞出一種無人平臺，既具有超長續航能力，又可在同溫層高度飛行，以求將衛星的各種能力與飛機的靈活性結合起來。為了驗證液氫可以安全、高效地使用，航空環境公司在2005年5月試飛了一架“全球觀察者”縮比原型機（GO-0）。該機的翼展為15.24米，重量約80千克，以氫燃料電池為動力，在相對低的高度進行了技術驗證試驗。

2007年9月，美國國防部和國土安全部等6家政府機構聯合發起了JCTD計劃，由特種作戰司令部負責管理，將1.2億美元的合同授予航空環境公司，用于驗證“全球觀察者”原型機（GO-1）在約20000米高空持續飛行5天以上的能力，將作為一種準衛星平臺，為分散在阿富汗山區的部隊轉發通訊信號。

從設計目標來看，“全球觀察者”無人機希望能將衛星的各種能力與飛機的靈活性集于一身，憑借著高空長航時和靈活配置載荷的獨特設計，以較低的使用成本，承擔起持續監視、通信中繼、邊界安全和遙感測量等任務。

相對于飛機在大氣層內、衛星在空間軌道上執行任務，“全球觀察者”無人機可在同溫層內飛行，利用這一有利位置，可以覆蓋地面直徑達965千米的范圍，提供類似衛星的通信和遠程成像服務。與常規飛機相比，“全球觀察者”無人機的起飛和著陸次數減少到1/8，因此裝備數量減少一半，就能保持全年使用，從而有利于降低成本。同時，與衛星相比，它非常容易配置各種任務載荷和升級技術，使用更加靈活。

從技術創新來看，“全球觀察者”無人機是航空環境公司在高空長航時飛行器領域的又一次嘗試。該公司憑借在液氫燃料關鍵技術方面所取得的突破，放棄了長期探索的太陽能動力，轉而決定采用液氫燃料動力裝置、全電力系統，通過3架原型機來驗證在同溫層內持續飛行一周的能力。

但是，數天而不是數小時的續航能力，必然要求這種平臺在設計上采取與已往完全不同的方法。而這個不同，就是指它特有的總體構型和動力裝置。

加裝氫燃料動力

在同溫層內長時間持續飛行，就意味著具體設計要求是在16～20千米高度范圍內實現最大續航能力，最大飛行速度為42.5千米/小時。為此，“全球觀察者”無人機采用了大展弦比上單翼的常規布局，翼展達到53.34米。機翼分為內、外兩段。其中內段機翼為矩形，平直安裝；外段機翼為梯形，后部設計有副翼，并略有上反。

“全球觀察者”為了滿足低溫儲存液氫燃料的需要，采用了較大的機身尺寸，但是相對于巨大的機翼而言還是顯得很小的。航空環境公司充分利用了在制造輕型太陽能無人機方面積累的經驗，不僅采用復合材料制造機體，還專門研制了復合材料機翼的生產工藝，只需不多的鋪層就能滿足大展弦比機翼的結構強度要求。此外，該機采用模塊化設計，轉場時可以經過拆卸裝在一架C-130運輸機內。“全球觀察者”采用常規滑跑方式起降。在起飛、爬升、下降和著陸時都通過遙控駕駛來實現，而高空巡航時則按照預先設定的GPS航路點實現自主飛行。盡管處于自動駕駛模式，但該機在整個飛行期間依然可以接受遙控操縱。

按照JCTD計劃，航空環境公司將制造3架“全球觀察者”無人機。首架無人機以電池為動力，在2010年8月5日首次升空，持續飛行了4小時，飛行高度接近1220米，實施了包括爬升和轉彎在內的一系列機動。當年9月底，它完成了第一輪飛行試驗。然后，航空環境公司開始為這架無人機改裝全新的動力裝置。

這種全新的動力裝置是一臺經過改裝的內燃發動機，燃燒液氫燃料，并在機頭部位設計有散熱器。發動機驅動一臺發電機，產生電流，驅動4副雙葉螺旋槳，并為任務載荷供電，同時為電池組充電。由于同溫層的氧氣含量大約只有海平面的1/16，這套系統必須保證液氫燃料在發動機內部持續不斷地燃燒，因此需要采取一種獨特的壓縮方法。

在動力系統設計上，不用大型燃料箱儲存液氫是一個顯而易見的挑戰，這對于無人機實現重量輕和長續航至關重要。為此，航空環境公司研制了一種獨特的控制技術，通過采用幾個氫燃料儲存箱，使其結構重量遠遠輕于常規的解決方案。

航空環境公司沒有透露液氫燃料控制、壓縮方式或動力系統的有關細節，但對外表示，公司的高效能量系統（ESS）電動汽車業務部研制了起動裝置/發電機，可以產生大約60千瓦的電力，其中2.8千瓦可以用于任務載荷。

與波音公司的“鬼怪眼”驗證機相比，它采用的是通過燃燒液氫燃料的內燃機直接驅動螺旋槳，而“全球觀察者”則將發電機、發動機和電池組成一個全電力網絡，盡管設計上較為復雜，但在靈活性、可靠性等方面有明顯優勢。而且，這種動力裝置的獨特之處是具有“再生模式”，可將電池組作為備份動力源。如果主發動機停止工作，電池組可以確保控制系統和計算機繼續工作，可保證該機平穩地下降并返回基地。在此過程中，螺旋槳處于風車狀態，電動機又成了發電機。

遭遇原型機墜毀

在以電池為動力完成首飛后，時隔5個月，“全球觀察者”無人機再次從愛德華茲空軍基地升空，爬升到1524米高度，飛行時間持續4小時，成功地完成了以液氫燃料為動力的首次飛行。值得一提的是，有些媒體在報道這次首飛時，更多地集中于渲染該機的軍事用途，卻對液氫燃料內燃機與氫燃料電池不加分辨，混淆了二者在工作機理上的明顯差異。

按照試飛計劃，該機最終將攜帶181千克任務載荷，在同溫層內持續飛行一周時間。接下來，兩架“全球觀察者”無人機將評估使用功效，驗證持續覆蓋范圍的能力，測試美國空軍聯合空中層次網絡（JALN）的戰術通信設備（TCS）。它可以提供持續的基于IP的空中通信，支持“全球觀察者”無人機在約20000米高度承擔通信任務。此外，試飛還將為美國政府評估潛在的軍事和商業用途。

在完成JCTD計劃的測試工作后，“全球觀察者”無人機和地面設備將用于其它評估和任務保障。航空環境公司表示，該無人機可在臨時接到通知后立即起飛，在預定空域持續執行任務。作為一種可負擔得起的持續飛行平臺，憑借其高空長航時能力，可以遠離戰區執行任務，使用成本低，覆蓋區域廣，尤為重要的可減少人員風險。但是，JCTD計劃的資助機構并未對外透露，這種無人機將如何從研制過渡到使用階段，以及怎樣有效地利用剩余的硬件設備。

目前，航空環境公司正在準備啟動“全球觀察者”的小批量生產工作，計劃年產5架飛機。而且，該公司已經描繪出大規模生產的藍圖，計劃著手建立一套超出自身現有能力的設施。與此同時，研制人員已經提出了更大尺寸的“全球觀察者”（GO-2）方案，翼展將達到76.2米，可以攜帶454千克任務載荷，具有更長的續航時間，但總體構型仍然基于目前原型機。

按照計劃，為期4年的JCTD計劃原本應該在今年的3月31日結束，但尚未驗證“全球觀察者”無人機借助于液氫動力裝置持續飛行5天以上的目標，因此不得不加快試驗進度。出乎預料的是，航空環境公司在JCTD計劃的最后階段遭受到突如其來的打擊，導致飛行試驗功虧一簣。

3月31日清晨，美國空軍第412試驗聯隊的人員開始了“全球觀察者”無人機的第19次飛行包線擴展試飛。次日凌晨2時30分左右，該機飛行到羅杰斯干湖西南角上空時，突然失去控制，從高空墜落。航空環境公司宣布，事故發生時，該機已經在空中持續飛行了18小時，并且飛行高度已經大大超過以往。公司還沒有透露此次事故的進一步細節，可以確認的是這次事故沒有對地面人員和財產造成傷害或破壞。

從當時無人機所處飛行高度和時間上看，高空低溫環境有可能是一個主要誘因，如導致空速管結冰堵塞，也有可能是因“全球觀察者”近期試飛頻繁，從而出現機翼結構疲勞或內燃機系統故障，最終引發了墜毀事故。

面臨多方面壓力

“全球觀察者”無人機的意外墜毀將對航空環境公司帶來很大影響。直接后果是將JCTD計劃的完成時間推遲到2012年中期或年底。目前，盡管第二架“全球觀察者”原型機已經基本制造完畢，但是美國特種作戰司令部提供的研制經費已經所剩無幾，因此這項計劃正在面臨資金短缺的局面。在出現墜毀事故后，許多事情難以預料。

從技術上看，此次墜毀事故暴露出“全球觀察者”無人機在某些環節的設計上還存在一定缺陷，需要進一步提高可靠性。由于改進和驗證都需要時間，航空環境公司有可能在日益激烈的高空長航時無人機競爭中陷入被動。目前，波音公司和諾斯羅普·格魯門公司都在致力于發展一些關鍵技術，力求實現無人機在高空持續飛行數天的目標。因此，航空環境公司絲毫不敢懈怠，爭取盡快扭轉當前的不利局面。

目前，波音公司研制的“鬼怪眼”縮比驗證機已經在3月25日運抵德萊頓飛行研究中心，正在進行裝配和調試，預計將在下半年實現首飛。該機采用兩臺經過改裝的福特汽車發動機，也是燃燒液氫燃料，但直接通過傳動系統驅動螺旋槳。這種推進系統一旦驗證了可以持續飛行4天，那么最終研制的型號將有可能在空中持續飛行10天以上。

諾斯羅普·格魯門公司也在通過KQ-X項目，驗證兩架無人機之間實現空中加油的技術可行性，最終目的是在長航時飛行領域取得技術突破。今年1月，該公司利用一架“海神”飛機在同溫層高度與一架“全球鷹”無人機進行會合，評估了“全球鷹”尾部產生的湍流對受油機的潛在影響。目前正準備在明年利用一架“全球鷹”，通過空中加油實現連續7天不著陸飛行，使“全球鷹”高空無人機具備超長續航性能，從而有可能擊敗“全球觀察者”和“鬼怪眼”，贏得美國空軍的青睞。

此次墜毀事故甚至也波及到了資本市場。華爾街分析師對“全球觀察者”無人機的墜毀表示悲觀，認為這有可能損害航空環境公司的近期財政評估，預計這一不幸事故將嚴重打擊投資者的信心，他們不希望這項計劃無果而終。可是截至本文發稿前，“全球觀察者”無人機的事故原因還在調查之中……

責任編輯：思空

推薦訪問： 液氫 觀察者 全球