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混合动力将延长无人机的航时
2017-12-06
【据美国航空周刊与空间技术网站2017年11月30日报道】小型固定翼无人机通常是由电池驱动的,航时仅为一两个小时。开发者正努力寻找使用混合动力系统使无人机航时延长的方案,通过其他能源形式和电池为无人机提供动力。
八月,洛克希德•马丁赢得了美国空军330万美元的小型无人机的能源创新合同。细节没有发布,但该公司将在美国空军研究实验室(AFRL)的小型无人可持续能源飞机(SURGE-V)项目的研究基础上开展工作。
SURGE-V的意图是开发使用燃料电池的可持续飞行4小时的单人便携无人机。这项工作推动了技术的进步,要求燃料电池和飞机能够兼容。小型飞机的能源创新项目的目标能力没有宣布,但应该比之前的目标高得多。
洛克希德已经将部分研究成果融入产品中。该公司无人机系统业务开发经理史蒂夫•福特森称最新版的沙漠鹰小型无人机使用多种能源。包括电池或燃料电池,可将太阳能电池安在机翼上,无人机采用模块化架构,应用了混合动力管理系统来使飞机可使用多种电压的能源。
如果无人机的主要需求是载荷功能性-例如更大的摄像头-可减少能源的组件,利用节省的空间和载重来增加载荷。但理想情况是可无限留空的小型无人机。
福特森说最终目标是使小型战术无人机使用机载可充电能源实现持续留空从而不必总是因为能量不足而降落,但是距离这个目标的实现还有一段距离。
空军研究实验室与洛克希德合作的同时,海军研究实验也在与多个供应商合作开发使用多能源无人机的项目。
海军研究实验室的一位航宇工程师丹•爱德华兹说,其太阳能滑翔无人机项目正与多个光伏技术供应商合作来研究性能和能源整合。已经将不同光伏阵列的电能整合至同一个机翼平面。
一个版本的无人机使用SolAero技术公司的倒置变形多节(IMM)光伏电池。该公司称此种光伏电池重量轻,效率高,机械弹性比目前主流的硅晶体光伏电池好。电池覆盖在曲面机翼上与验证机的机翼碳纤维材料结合起来。
海军研究实验室也正在测试SunPower和Alta Devices公司的太阳能电池。在对后者进行测试的过程中,发现在阳光充足情况下使用光伏电池巡航可以完全不用电池内的电能。但这只适用于飞行的部分阶段。太阳能不能完全取代电池,但是爱德华兹相信海军研究实验室的努力扩展了太阳能电池的使用范围。在项目初始阶段,商用飞机不适用于现在正在开展的研究,研究兴趣主要集中在学术和工业级无人机上。但是海军研究实验室的努力拓宽了应用范围。
爱德华兹称,最终,多种太阳能技术就被采用,因为飞行高度高和低的无人机对太阳能辐射能力的需求是不一样的。
太阳能滑翔无人机项目同样使用软件来提升利用自然升流的效率。这得益于海军研究实验室的ALOFT(自动热流定位)项目,该项目使SBXC滑翔机能够自动定位大气中的热流从而提高滑翔时间,可完全不适用动力留空数小时。
爱德华兹称,其飞行记录是在起飞达到100米高度后滑行了5.2小时。如果没有使用自主滑翔的能力,飞行可能3分钟就结束了。海军研究实验室希望与工业界合作利用自主滑翔的算法,同时也正在将该技术整合至太阳能无人机中,但是在开始阶段可能整合工作有一定难度,因为自主滑翔算法使飞机频繁倾斜,降低吸收太阳能的效率。
爱德华兹说,当飞机转向时,其机翼上的太阳能阵列对太阳能的吸收角度变差,或可能被遮蔽了,降低了能量获取。但是,我们的研究表明,自主滑翔能力可提供的能力高于太阳能吸收不利带来的损失。
同时,当无人机通过自主滑翔获得了足够的飞行高度后,可通过自由滑翔吸收大量太阳能,直至无人机下降至坠毁高度。太阳能和自主滑翔的组合由于使用单一技术。
爱德华兹称使用太阳能-自主滑翔组合的无人机真的可以从早飞到晚,海军实验室已经数次验证过了。
目前,该研究项目在开放海域上进行。在开放海域,信天翁、军舰鸟等可滑翔数月。目前已经在大西洋上进行了试飞,明年可在太平洋和大西洋上进行长航时试飞。
除了太阳能和自主滑翔能力,海军研究实验室也在推进燃料电池的研究。新的混合动力老虎小型无人机是之前的离子老虎的后继机型,离子老虎的航时记录是48小时,使用高能量燃料电池和轻量化的储氢装置。混合动力老虎无人机将结合燃料电池和日间太阳能动力储存,以及自主滑翔算法使航时达到3.5天。
这些项目表明了技术的组合将比单一技术更加有效地延长小型无人机的航时。有利于传统的无人机使命,例如通信中继、大范围勘察、海洋监视等。数架使用混合动力技术的无人机将以远低于之前选择的成本实现广域覆盖。这些技术也可使巡飞弹的任务时间和任务范围增加。
这些技术也可在未来数年内实现飞机的永久飞行。
资源占用相对较低以及技术的快速商业化不止可使其他国家,也可使非政府机构使用上这些技术。伊斯兰国曾经在叙利亚和伊拉克使用了大量消费级无人机,相当精确地投下了40毫米手榴弹。令人吃惊的是近期发现恐怖组织正向其固定翼和旋翼无人机上适配太阳能电池。虽然他们难以达成这些领域的最高技术水平,但这也表明他们对混合动力潜力的认可以及在他们的技术条件允许下必将升级他们的无人机。
提名国防部助理部长的欧文•韦斯特警告称未来五年内恐怖组织将获得能够横跨大西洋打击美国本土的太阳能无人机。(中国航空工业发展研究中心 蔡琰)

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