长航时无人飞艇的变浮力推进技术

2019-03-14

无人机 2019年12期

高地与群岛大学(UHI)研制的“凤凰”号无人飞艇在今年3月21日进行了首次室内飞行，其采用了变浮力推进技术的可逆燃料电池技术。该技术既可以为飞艇提供电力又可以电解制氢。

一个英国研发团队试飞了他们研发的采用变浮力推进技术的无人飞艇，工程师表示，该技术将带来一种创新的低成本高空伪卫星(HAPS)平台解决方案。

“凤凰”号无人飞艇由英国的多家高校和小企业历时3年联合研发，旨在研究可变浮力推进技术在航空领域的应用潜力。

截至目前，此类推进技术只在水下无人潜航器(AUV)领域有应用，能够为执行海洋勘测任务的潜航器提供非常长的续航力。

“凤凰”号采用单艇体设计，长度15m，翼展10.5m，水滴型艇体气囊容积120m3，充填氦气产生浮力。艇体气囊内还有一个容积6m3的小气囊，通过往小气囊内充填压缩空气，飞艇将变得比空气重并下沉，机翼将下沉运动转换为向前飞行。当小气囊放气时，飞艇又变得比空气轻并上升，机翼再次将上升运动转化为向前飞行。

“一旦升空，‘凤凰’号几乎是完全自持的，理论上具有无限的续航力。”领导“凤凰”号项目研发工作的高地与群岛大学工程系教授安德鲁·雷伊说。

工程师们表示，最关键的是，它比其它类型的高空伪卫星平台的成本低得多，例如空客和Prismatic公司开发的太阳能单翼无人机。

安德鲁·雷伊说：“还有其它几种飞行器可作为高空伪卫星平台使用，但它们更复杂，造价也更高。和其它更昂贵的飞行器相比，‘凤凰’号的造价非常低，几乎可一次性使用，这意味着用户可以用它执行一些以前不曾考虑过的任务，这些任务用其它昂贵的飞行器去执行是不合适的。”

“凤凰”号气囊的主要材质是Vectran纤维织物，充气以后气囊具有一定强度。机翼的翼梁和翼肋使用碳纤维夹层板材，配以轻质蒙皮。

安装在机翼和尾翼上的太阳能电池产生的电力存入锂电池组，锂电池组为艇载的泵和空压机等设备供电，让“凤凰”号像海豚一样在空中飞行。“凤凰”号的电气系统由南安普敦大学的一个团队设计，在夜间和不利气象条件以及紧急情况下均可提供充足的电力。总部位于英国布里斯托尔的斯特林动力(Stirling Dynamics)公司为“凤凰”号设计了飞控系统，该公司在无人机飞控领域经验丰富。这个飞控系统控制艇载的泵和空压机，同时监控电池组的数据。

“凤凰”号在英格兰朴茨茅斯的一个封闭式船用存放设施内进行了初步飞行试验。首飞在今年3月21日进行，但直到4月23日才公开了首飞的细节。飞艇在120米的距离上进行了往返飞行，每次飞行中变浮力推进系统进行了约5次充放气循环。

研发团队曾想到室外进行飞行测试，但无法获得英国民航局的认证。在当前配置下，“凤凰”号能在约900m高度内正常飞行。但即使是仅900m的高度，也已经可以作为受灾地区等环境下使用的高空应急通讯塔。研发团队主要还是着眼于高空伪卫星(HAPS)平台用途，安德鲁·雷伊表示，要应对高空的气流环境，需要将飞艇做的更大得多才能具有足够的稳定性和惯性。

安德鲁·雷伊表示，虽然氢气被认为是危险的飞艇气体，但也有望用作氦气替代品，部分原因是因为氢气比资源受限的氦气便宜得多且能提供更大的浮力。此外，研发团队也在研究使用纽卡斯尔大学开发的可逆燃料电池的可能性，这样一来，气囊内的部分氢气可用作燃料电池燃料，燃料电池也可以用富余电力产生氢气存入气囊。