長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人飛艇的變浮力推進(jìn)技術(shù)

高地與群島大學(xué)(UHI)研制的“鳳凰”號(hào)無(wú)人飛艇在今年3月21日進(jìn)行了首次室內(nèi)飛行，其采用了變浮力推進(jìn)技術(shù)的可逆燃料電池技術(shù)。該技術(shù)既可以為飛艇提供電力又可以電解制氫。

一個(gè)英國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)試飛了他們研發(fā)的采用變浮力推進(jìn)技術(shù)的無(wú)人飛艇，工程師表示，該技術(shù)將帶來(lái)一種創(chuàng)新的低成本高空偽衛(wèi)星(HAPS)平臺(tái)解決方案。

“鳳凰”號(hào)無(wú)人飛艇由英國(guó)的多家高校和小企業(yè)歷時(shí)3年聯(lián)合研發(fā)，旨在研究可變浮力推進(jìn)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

截至目前，此類(lèi)推進(jìn)技術(shù)只在水下無(wú)人潛航器(AUV)領(lǐng)域有應(yīng)用，能夠?yàn)閳?zhí)行海洋勘測(cè)任務(wù)的潛航器提供非常長(zhǎng)的續(xù)航力。

“鳳凰”號(hào)采用單艇體設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度15m，翼展10.5m，水滴型艇體氣囊容積120m3，充填氦氣產(chǎn)生浮力。艇體氣囊內(nèi)還有一個(gè)容積6m3的小氣囊，通過(guò)往小氣囊內(nèi)充填壓縮空氣，飛艇將變得比空氣重并下沉，機(jī)翼將下沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為向前飛行。當(dāng)小氣囊放氣時(shí)，飛艇又變得比空氣輕并上升，機(jī)翼再次將上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為向前飛行。

“一旦升空，‘鳳凰’號(hào)幾乎是完全自持的，理論上具有無(wú)限的續(xù)航力?！鳖I(lǐng)導(dǎo)“鳳凰”號(hào)項(xiàng)目研發(fā)工作的高地與群島大學(xué)工程系教授安德魯·雷伊說(shuō)。

工程師們表示，最關(guān)鍵的是，它比其它類(lèi)型的高空偽衛(wèi)星平臺(tái)的成本低得多，例如空客和Prismatic公司開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能單翼無(wú)人機(jī)。

安德魯·雷伊說(shuō)：“還有其它幾種飛行器可作為高空偽衛(wèi)星平臺(tái)使用，但它們更復(fù)雜，造價(jià)也更高。和其它更昂貴的飛行器相比，‘鳳凰’號(hào)的造價(jià)非常低，幾乎可一次性使用，這意味著用戶可以用它執(zhí)行一些以前不曾考慮過(guò)的任務(wù)，這些任務(wù)用其它昂貴的飛行器去執(zhí)行是不合適的。”

“鳳凰”號(hào)氣囊的主要材質(zhì)是Vectran纖維織物，充氣以后氣囊具有一定強(qiáng)度。機(jī)翼的翼梁和翼肋使用碳纖維夾層板材，配以輕質(zhì)蒙皮。

安裝在機(jī)翼和尾翼上的太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力存入鋰電池組，鋰電池組為艇載的泵和空壓機(jī)等設(shè)備供電，讓“鳳凰”號(hào)像海豚一樣在空中飛行?！傍P凰”號(hào)的電氣系統(tǒng)由南安普敦大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，在夜間和不利氣象條件以及緊急情況下均可提供充足的電力?？偛课挥谟?guó)布里斯托爾的斯特林動(dòng)力(Stirling Dynamics)公司為“鳳凰”號(hào)設(shè)計(jì)了飛控系統(tǒng)，該公司在無(wú)人機(jī)飛控領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富。這個(gè)飛控系統(tǒng)控制艇載的泵和空壓機(jī)，同時(shí)監(jiān)控電池組的數(shù)據(jù)。

“鳳凰”號(hào)在英格蘭樸茨茅斯的一個(gè)封閉式船用存放設(shè)施內(nèi)進(jìn)行了初步飛行試驗(yàn)。首飛在今年3月21日進(jìn)行，但直到4月23日才公開(kāi)了首飛的細(xì)節(jié)。飛艇在120米的距離上進(jìn)行了往返飛行，每次飛行中變浮力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了約5次充放氣循環(huán)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)曾想到室外進(jìn)行飛行測(cè)試，但無(wú)法獲得英國(guó)民航局的認(rèn)證。在當(dāng)前配置下，“鳳凰”號(hào)能在約900m高度內(nèi)正常飛行。但即使是僅900m的高度，也已經(jīng)可以作為受災(zāi)地區(qū)等環(huán)境下使用的高空應(yīng)急通訊塔。研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要還是著眼于高空偽衛(wèi)星(HAPS)平臺(tái)用途，安德魯·雷伊表示，要應(yīng)對(duì)高空的氣流環(huán)境，需要將飛艇做的更大得多才能具有足夠的穩(wěn)定性和慣性。

安德魯·雷伊表示，雖然氫氣被認(rèn)為是危險(xiǎn)的飛艇氣體，但也有望用作氦氣替代品，部分原因是因?yàn)闅錃獗荣Y源受限的氦氣便宜得多且能提供更大的浮力。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在研究使用紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)開(kāi)發(fā)的可逆燃料電池的可能性，這樣一來(lái)，氣囊內(nèi)的部分氫氣可用作燃料電池燃料，燃料電池也可以用富余電力產(chǎn)生氫氣存入氣囊。

“鳳凰”號(hào)項(xiàng)目的研發(fā)經(jīng)費(fèi)來(lái)自創(chuàng)新英國(guó)(Innovate UK)。其它參與該項(xiàng)目的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)還包括：研發(fā)碳纖維機(jī)翼和尾翼、以及飛艇吊艙的布里斯托大學(xué)；進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的謝菲爾德大學(xué)。包括復(fù)合材料創(chuàng)新中心和制造與工藝創(chuàng)新中心在內(nèi)的幾個(gè)制造業(yè)孵化器機(jī)構(gòu)也參與了“鳳凰”號(hào)項(xiàng)目。

安德魯·雷伊表示，“鳳凰”號(hào)及其采用的技術(shù)的前景很大程度上取決于市場(chǎng)是否感興趣和“特定任務(wù)”的需求。但研發(fā)團(tuán)隊(duì)希望“鳳凰”號(hào)項(xiàng)目能引起機(jī)構(gòu)和業(yè)界巨頭的興趣，比如英國(guó)國(guó)防部，他們正在研究使用空客的“西風(fēng)”(Zephyr)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)作為高空偽衛(wèi)星(HAPS)平臺(tái)的課題。

(李韻編譯自《航空周刊&空間技術(shù)》，2019-4-26)