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不间断监控、通信中继、遥感,无人机领域新热点:高空太阳能飞机

如果要问对于英国较新无人驾驶飞机较重要的数字是什么,毫无疑问,应该是数字35。这架翼展为35米的“持久高空太阳能飞机35(Persistent High Altitude Solar Aircraft 35,Phasa 35)”无人机的整个设计目的是制造一种轻巧效率高 的飞机,白天可以通过太阳,晚上则是电池为其提供动力。更重要的是,它可以摆脱风和天气变化无常的对流层,在更高的平流层中飞行,提供长达一年的持续监视和通信中继能力。设计这样的飞行器的诀窍在于效率高 地使用存储在电池中的能量,因为当前起首进电池可以存储的能量大约是同体积航空燃料的1/50。


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Prismatic公司的持久高空太阳能飞机Phasa 35

该飞机的制造商“棱镜(Prismatic)” 公司已经制造了两架生产标准的原型机。

▶︎  Phasa 35无人机的设计

如上所述,Phasa 35在设计上可在高空飞行一年——受限于电池的使用寿命。像所有可再充电电池一样,安装在飞行器上的那些电池也会因为反复充放电而形成退化。但是这种退化会逐渐发生,因此在飞机不得不返回地面之前至少可以进行400次充放电循环。

设计是这架飞机的一切关键所在。工程设计团队确保这架飞机的重量要足够轻(总重150公斤),效率要足够高(定制电动机的效率超过了90%)。同样,螺旋桨也专门为平流层的飞行环境进行了特别设计,以提供较大的效率。

“长航时太阳能飞机五号(LASA 5)”是“棱镜”公司研发的单电动机小型无人机,可以提供一天左右的续时间

为了长时间持续飞行,可靠性也至关重要,因此在飞机的设计中只有很少的机械结构。没有变速箱,电动机直接驱动螺旋桨,而水平和垂直尾翼是单一的控制面。

Phasa 35对操作员的人工控制要求很低,它可以自动导航到预先设定的GPS坐标,然后在那里停留尽可能长的时间。能够实现和使用全自动控制部分得益于平流层的气象条件。在平流层中,空气非常的温和,几乎没有湍流。因此,也就不需要经常人为地控制飞机飞行,只需将其设置在通往下一个航路点的航线上就可以了。

更小型的Phasa 8可以认为是一架缩小的Phasa 35,用来验证高空长航时技术、应用和使用方式

要想到达平流层,飞机需要有效地利用太阳能和电池技术产生足够的能量来穿越对流层。令人难以相信的是Phasa 35的电动机直流功率只有不到1千瓦,在考虑到飞机的大小与一架波音737的大小近似时,这种“小马拉大车”就更让人不可思议。为此,飞机必须在19812至21336米(65000至70000英尺)的高空非常缓慢地飞行,每小时飞行速度在92到145公里之间。使用能量密度仅为传统航空燃料1/50的电池供电在空气密度仅为海平面10%的高空飞行,是设计团队打造一架在平流层中飞行的飞机所必须攻克的难关。

使用能量密度仅为传统航空燃料1/50的电池供电在空气密度仅为海平面10%的高空飞行,是设计团队的较大挑战

飞机的飞行部分只需要一条短小的跑道即可起飞,而底座则留在地面以~重量。爬升像其他任何飞机一样,不同之处在于它将穿过对流层上升到平流层。鉴于飞机在地面起飞和回收的频率较低,也无需在任务区域附近起飞和回收,Phasa 35可以在赤道附近的位置发射,那里的条件通常更有利于在上升到平流层的过程中避免恶劣天气。这种运行模式避免了为飞机设计能够应付大雨,阵风和雷暴的防护系统。

“棱镜”公司在Phasa 35的设计中包含了直线通信链路和卫星链接,因此它可以从地面站接收诸如GPS位置更新那样的消息。而且,向飞机发送消息无需要大型通信基础设施。

用于控制Phasa 35的地面天线非常小巧

“棱镜”公司的优选 执行官保罗·布鲁克斯(CEO Paul Brooks)在讨论飞机的设计要求时解释说,飞行环境是飞行器设计和配置各方面的首要考虑因素。该飞机将在紫外线强度很高的环境下运行,夜间表面温度可能会低至-80°C并在白天攀升至+80°C,这会导致某些材料变脆,因此必须考虑到这些影响。所幸的是,“棱镜”公司的创始团队之前从事的是人造卫星设计,因此Phasa 35遇到的各种环境条件对于他们而言并不陌生,因为在他们的整个职业生涯中,一直在满足此类苛刻的设计要求。

Phasa 35具有单壳结构,这意味着它具有由碳纤维制成的坚硬外壳。这些由非常薄的材料制成的外表面在较大程度上~了重量,同时还提供了普通飞机所拥有的强度和刚度,使其能够在某些恶劣条件下飞行。机翼是工程团队花费较多时间进行设计和测试的部分,以确保在给定重量下满足强度和刚度要求。机身只是将机尾和机翼连接起来。“棱镜”公司制作了许多全尺寸的测试部件,每一个都进行了强度测试。一个一米长的部件在两端固定的情况下,其中心可以承受660公斤的重量而不会折断。而该部件可以通过一只手轻松地举起。

对于在平流层飞行的飞机来说,长时间剧烈的紫外线照射和巨大的昼夜温差对机体材料是一个考验

集成到飞机中的系统需要进行优化,在海平面上空大约20000米的高度上运行,比在距地面600公里轨道上运行的卫星接近地球30倍。因此,对于像光学系统这样与距离的平方成正比系统来说,在飞机上做某些事情比在卫星上做同样的事情要容易900倍或者好900倍。因此,在卫星(或航天器)上使用1000千克的有效载荷才能做到的事,在Phasa 35上只要1千克多一点的有效载荷就能具有相同的能力。

该无人机的设计要求能在冬至这一天在空中携带高达总重量10%——15公斤的较大载荷,因为这一天对Phasa 35来说是较糟糕的飞行时间,较短的日照时间导致发电量较少,只能提供300瓦的直流功率。夏季的白天,飞机可提供几千瓦的功率给有效载荷,此时可以满足有效载荷的需求也较大,尤其是在通信方面。为了满足市场需要,Phasa 35具有足够的能力在一整年中为有效载荷提供足够的功率。像宽带通信和合成孔径雷达这样的有源载荷,对功率的要求较大。鉴于当前在商业航天领域中使用的通信设备和雷达的尺寸,这对于“棱镜”公司而言并不是一个巨大的挑战。

要确保Phasa 35在目标区域完成一年以上的不间断监视,充足的电力输出是必不可少的。

Phasa 35的结构形式是模块化的,因此可以根据任务需要安装不同的载荷而无需重新配置飞机或更改整个飞机的结构。有效载荷通过非常简单的界面放置在飞机前部的生态系统中。为了应对长达一年的空中飞行以及在平流层环境中运行,有可能要对现有传感器进行重新设计。工程小组正在特定一项计划,使用“棱镜”公司所拥有的设施来测试有效载荷及其生态系统。原型机上的生态系统已经包括了热量管理功能,可以在传感器需要保持低温时制冷,在需要保持温暖时制热。这一功能将得到进一步发展以满足更多客户的需求。

Phasa 35无人机的一些设计细节

▶︎ Phasa 35的优势

与诸如“收割者”和“全球鹰”之类的其他高空长航时无人机相比,Phasa 35为战斗指挥官提供了两个*的优势:

执行任务的持久性:在军事应用场景中,持久性的定义是能始终保持在目标区域上空,让敌人永远无法逃过被监视的命运。Phasa 35可以实现该目标,而无需返回基地加油并由第二架昂贵的“收割者”或“全球鹰”接班。

飞机的全寿命使用成本:任何用户都希望获得持续不断的视频源,但是如果提供视频源的成本不能满足市场需求,那就没有必要了。与全球鹰相比,Phasa 35的优势不只有于其尺寸,重量和采购成本,更加包括它那非常低的全寿命使用成本。特别是当只用一个团队来操作一群飞机组成的星座时,成本上的节省更为可观。

这些优势带来的好处是显而易见的。一颗卫星以每秒7000米的速度在地球上空飞行,在目标区域上空的时间只有几秒钟,之后可能两三天都不会回来。另一方面,普通侦察机则需要一个地面基地,需要时间才能到达感兴趣的区域,并且在达到较大停留时间后需要返回基地加油,这都需要很长的时间。装有电池的太阳能飞机则不需要加油,可以始终保持在目标区域上空。

对目标区域(例如极地)进行持续的观测是卫星无法实现的

在谈及Phasa 35下传的视频质量与当前其他系统相比时,保罗·布鲁克斯说:“Phasa产生的数据必须与传统飞机及其集成系统兼容。但是由于它的持久监视能力,Phasa确实开拓了一个全新的维度。例如,假设Phasa正在收集某个区域的实时高清视频,那么操作员将如何使用该视频?操作员当然不会一直目不转睛地看着视频。这就使得智能提示系统,运动检测和场景变化检测成为必要。BAE系统可以提供这样的功能,以更有效地利用飞机本身的持久续航能力。”

稀星天外认为,在国防和~领域,来自持续监视和通信中继的需求是发展Phasa 35这样的高空长航时无人机的两大推手。在国防和~应用上,Phasa 35可以持续监视国界上发生的事情,并且为作战人员提供快速,低延迟的通信功能。随着传感器技术的日益强大,战场上的数据量正在急剧增加,以至于卫星通信无法满足其所需的传输容量,地面天线又无法传输很远的距离。民用部门在遥感、农业、广阔领土森林火灾和森林砍伐的监测中具有同样的需求,而小型无人机或常规飞机都无法满足它们。

使用Phasa 35进行农业监测

此外,另一个较引人注目的通信应用将是在不存在光纤连接和无线塔台的情况下实现互联网的访问。类似于家庭住宅中使用的宽带系统,现成的技术可以在飞行器下方相当宽广的区域内提供无线宽带通信。对军事和商业用户这都是一个非常有用的功能,因为它可以帮助~通信盲区。机动性是另一大优势。Phasa 35可以轻松从一个区域移动到另一个区域,以满足军事或商业运营商的要求。雷达,光电和红外传感器的集成为敏感的军事用途提供了遥感功能。

多架Phasa 35构成无线通信网络提供互联网连接

▶︎合作和走向量产

BAE系统公司不仅与“棱镜”公司签订合同进行Phasa 35的设计。同时为了能够进一步推动其他航空航天系统的原型化,BAE系统还入股了“棱镜”公司以确保一种更长期、更紧密的关系。BAE系统拥有针对任何潜在市场开发和生产Phasa 35航空器的专有权利。稀星天外认为,这种合作将“棱镜”公司擅长原型设计的创新能力和BAE系统在飞机制造和相关服务上的经验相辅相成。这种相互结合而又不影响彼此工作方式的联盟是成功合作的关键因素。

BAE系统不仅和“棱镜”公司联合开发制造Phasa 35,还直接入股了该公司

对两家公司而言,它们将在未来的飞行器生产和运营方面,尽一切可能使Phasa 35成为市场先进者 。目前,在同一类型的竞争产品中,只有空中客车的“和风(Zephyr)”飞行器已经成功地进行了飞行展示。Phasa 35将是这种类型飞行器的*个量产产品。

空中客车的“和风”飞行器也是一架高空太阳能无人驾驶飞机,它保持着目前无人机续航记录(14天)

BAE系统Phasa 35的业务主管菲尔·瓦蒂(Phil Varty)在合作签字仪式后表示,“棱镜”公司和BAE系统之间的合作基于两个重要方面。

Phasa 35汇集了一系列起首进的成熟技术,使平台具有独特的能力。BEA系统的合作伙伴和客户都对它的功能感兴趣。这是一种可以很快推向市场的产品。

该飞机的技术可以被应用在其他许多BAE系统的项目中。例如,较新的太阳能面板在可以提供约31%发电效率的同时,又薄如蝉翼可以弯曲。这就使它可以被用于其他类型的设备,以提供额外的电力。毕竟在现代化 装备中电能总不嫌多。又比如,飞机是由非常薄的碳纤维制成的,这种碳纤维是在商业航天领域使用的材料。BAE系统正在和“棱镜”公司一起了解该技术,以期将其应用于其他产品,而不仅仅是Phasa 35。

通过之前的LASA 5和Phasa 8,Phasa 35应该说一种技术上成熟的产品,它的很多技术也可以被其他项目所用

Phasa 35飞行测试计划将和其他商用和军用飞机相类似。首飞将测试在白天用太阳能电池板为电池充电,晚上电池放电,以使飞机保持在一定高度的高空飞行。一旦太阳再次升起,则太阳能电池板应再次为电池充电,准备当天的夜间飞行,如此每天周而复始。这一测试可能需要经历一个周期,以确保飞机可以每天为电池充电。这将证明它的空气动力学设计是正确的,足以满足飞机的性能要求。在完成初始的飞行测试后,接下来将评估在航空电子设备生产方面需要做些什么,飞行控制系统的功能有哪些以及作为有效载荷的通信和传感器系统在高空如何运行。首飞计划在2020年2月进行,如果它能达到预期,则该飞行器将在一种标准模式下进行更长任务的运行测试。

Phasa 35的试飞和其他飞机没有太大区别,首先要确认太阳能电池板和电池能够反复充放电,支持飞机昼夜飞行

在回答Phasa 35在英国领空飞行可能性时,瓦蒂向媒体透露了在政府部门认证方面的一些挑战细节:“目前正在与包括民用航空管理局(Civil Aviation Administration,CAA)和*民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)在内的各个机构就无人机如何以及在空域的什么地方飞行进行讨论。作为一项业务,BAE系统参与了很多有关无人机认证的讨论,以及飞机上需要使用哪些传感器来避免碰撞和空中航路冲突。我们计划在没有其他飞机的空中走廊进行爬升,用半天的时间沿着螺旋式的路径上升到高空,然后飞往所需的任务位置。该过程每年可能仅需要进行一次或两次,因此对空中交通管制系统的干扰只有于Phasa 35飞机起飞执行任务,以及返回基地的那两天。”总之,在平流层高度使用飞行器产生了对额外法规的需求,许多进行这方面开发的厂商正在与监管机构就运行概念进行讨论。

作为一架平流层飞行的太阳能飞机,Phasa 35在投入前还面临着许多取证工作,这对厂商和监管部门都是新课题

根据菲尔·瓦蒂的说法,行业先进者 似乎主导了当前的发展方向。目前没有任何平流层飞行器的解决方案,国防需求推动了这一领域的发展。随着时间的推移,商业领域也将产生自己的需求,特别是需要与空中大量飞行器进行5G通信的要求。这是一种引人入胜的全新使用和监管概念。

现有的两架全尺寸原型都是使用8米直径的碳铸模制造的,非常效率高 、方便。每个铸模可以反复使用多次,500次?1000次??目前没人知道极限在哪里。而整架飞机的零件数在1000以内,被整合成12个主要零部件,通过螺栓简单地相互连接在一起。

Phasa 35无人机原型之一

两架原型机的生产基本上都是手动的,但较终BAE系统将使用自动化技术生产12个主要零部件中的一些。总体而言,目前大部分生产工作和时间都用在由美国微联接设备公司(MicroLink Devices Inc.)制造的太阳能电池板上。根据菲尔·瓦蒂的说法,这些电池片非常薄且生产成本很高,因为它们目前几乎都是单独定制生产。为了提高批量生产的产量,自动化太阳能电池板的生产过程至关重要。目前,BAE系统公司正在与MicroLink公司讨论如何实现规模化生产。这需要应用到产品化的过程。因此和飞机制造相比,BAE系统未来工厂概念可能会对建立太阳能电池板的生产线更有用。