“西風(fēng)”太陽能無人機(jī)項(xiàng)目在艱難中前行

托尼·奧斯本

“西風(fēng)”無人機(jī)迎來新曙光

空中客車公司計(jì)劃在2024年底前開始利用其高空飛行的“西風(fēng)”（Zephyr）太陽能無人機(jī)提供商業(yè)服務(wù)。該計(jì)劃反映出空中客車公司對該平臺的能力越來越有信心，盡管在夏季時(shí)因天氣狀況而失去了第三架飛機(jī)。但是，這次“西風(fēng)”平流層無人機(jī)飛行了64天，是飛行時(shí)間最長的一次。

“西風(fēng)”平臺及其數(shù)千小時(shí)的飛行經(jīng)驗(yàn)將使空中客車公司在通信和地球觀測服務(wù)市場上具有戰(zhàn)略優(yōu)勢。試圖進(jìn)入高空偽衛(wèi)星（HAPS）市場的競爭對手并不缺乏，但到目前為止，很少同等的飛行器升空，更不用說到達(dá)平流層了。

空中客車公司高空偽衛(wèi)星連接解決方案業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人薩姆爾·哈拉維（Samer Halawi）在12月12日于馬德里舉行的公司簡報(bào)會上對記者表示：“我們相信，我們將每天都在拯救人們的生命，改善人們的生活?！彼_姆爾·哈拉維表示，在未來10年內(nèi)，一個(gè)由1000架“西風(fēng)”無人機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)可能會在全球范圍內(nèi)運(yùn)行。全球“西風(fēng)”機(jī)隊(duì)最大的市場機(jī)會將是向偏遠(yuǎn)地區(qū)提供4G/5G手機(jī)通信服務(wù)，從而減少手機(jī)服務(wù)提供商安裝塔的需求以及相關(guān)的建筑和土地租賃成本。

薩姆爾·哈拉維列舉了墨西哥的一些地區(qū)，這些地區(qū)完全沒有手機(jī)運(yùn)營商的通信服務(wù)，因?yàn)閺娜丝谥蝎@得的利潤少于安裝手機(jī)塔的成本和與手機(jī)塔相關(guān)的土地租金。薩姆爾·哈拉維說：“我們‘西風(fēng)的覆蓋成本可能不到一半。因此，通過服務(wù)這一領(lǐng)域，移動運(yùn)營商可以做到這一點(diǎn)，而無須從他們的口袋中獲得補(bǔ)貼。同時(shí)，他們也創(chuàng)造了利潤?！币患堋拔黠L(fēng)”無人機(jī)可以為目前由80個(gè)手機(jī)塔服務(wù)的地區(qū)提供通信連接，如果需要額外的容量，另一架“西風(fēng)”無人機(jī)可以飛到合適的位置。

“西風(fēng)”無人機(jī)應(yīng)用的其他潛在機(jī)會還包括政府的地球觀測任務(wù)，配置光電相機(jī)的“西風(fēng)”無人機(jī)還可以監(jiān)測森林火災(zāi)或觀察城市交通流量。

但是，薩姆爾·哈拉維也表示，這些類型的運(yùn)營需要對無人機(jī)平臺進(jìn)行認(rèn)證，同時(shí)也需要一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來支持已經(jīng)在進(jìn)行的運(yùn)營工作。

此前，“西風(fēng)”無人機(jī)已經(jīng)為政府客戶執(zhí)行了幾次飛行任務(wù)，這些任務(wù)都與美國陸軍和英國國防部等機(jī)構(gòu)執(zhí)行的演示飛行有關(guān)。

與首飛時(shí)只持續(xù)了幾分鐘相比，“西風(fēng)”無人機(jī)在飛行性能上有了很大的飛越。薩姆爾·哈拉維表示，“西風(fēng)”無人機(jī)可以在空中停留200～300天。此外，該公司正在探索氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)是否能讓該平臺在更極端的緯度上空運(yùn)行，在那里太陽光照度要么太低，要么根本沒有，無法為機(jī)載的太陽能電池充電。該公司還計(jì)劃研發(fā)具有更大有效載荷能力的更大的“西風(fēng)”改型也在考慮之中。

盡管有這些宏偉的計(jì)劃，“西風(fēng)”無人機(jī)的運(yùn)行仍將受到天氣條件的影響，特別是在上升和下降過程中。它們按照嚴(yán)格公差制造的精致機(jī)身，專為平流層更溫和的條件而設(shè)計(jì)，因此難以應(yīng)對低空的湍流和其他天氣條件。

2022年8月，空中客車公司在美國上空失去一架“西風(fēng)”無人機(jī)，其原因歸咎于天氣。這是自2019年以來的第三次出現(xiàn)因天氣而導(dǎo)致的損失。當(dāng)時(shí)，這架無人機(jī)正為美國陸軍進(jìn)行演示飛行的最后階段，在8月18日返回亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場時(shí)，在17373.6m的高空遭遇了惡劣天氣。由于飛行達(dá)到了前所未有的高度，飛機(jī)遇到的湍流太大，導(dǎo)致無人機(jī)失蹤。此前，由于上升到平流層期間的天氣條件影響，空中客車公司在澳大利亞北部上空曾經(jīng)失蹤了兩架“西風(fēng)”無人機(jī)。

在飛行演示期間，天氣導(dǎo)致了用于兩個(gè)電機(jī)中的一個(gè)出現(xiàn)故障，然后關(guān)閉。“西風(fēng)”無人機(jī)只能靠一個(gè)電機(jī)飛行，該機(jī)從未設(shè)計(jì)過這種配置。如果沒有第二臺發(fā)動機(jī)，“西風(fēng)”無人機(jī)就無法爬升到適當(dāng)?shù)母叨纫员荛_天氣，而且飛機(jī)還受到空域飛行的限制。后來，空中客車公司已經(jīng)解決了電機(jī)故障問題。

這次飛行不僅是“西風(fēng)”無人機(jī)平臺迄今為止飛行時(shí)間最長的一次，也是第一次跨越水域和國際邊界，飛越墨西哥灣進(jìn)入伯利茲，然后按計(jì)劃返回美國。

平流層飛行仍面臨挑戰(zhàn)

2022年6月15日，“西風(fēng)”無人機(jī)開始為美國陸軍定位、導(dǎo)航和定時(shí)/空間跨職能團(tuán)隊(duì)進(jìn)行飛行驗(yàn)證。但是據(jù)美國陸軍新聞稿8月23日報(bào)道，“西風(fēng)”無人機(jī)飛行演示于當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月18日晚上9點(diǎn)停止，當(dāng)時(shí)這架太陽能無人機(jī)在亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場上空飛行時(shí)“遇到了導(dǎo)致其意外終止的事件”，最終墜毀。當(dāng)時(shí)，“西風(fēng)”正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性許可認(rèn)證飛行，并在受限空域進(jìn)行操作。空中客車公司決定不離開該空域，而是留在那里，并實(shí)際推動飛機(jī)的飛行。這架“西風(fēng)”無人機(jī)用一臺發(fā)動機(jī)飛行了1h。此前，在澳大利亞北部進(jìn)行的飛行試驗(yàn)中，由于低空的湍流天氣條件，兩架“西風(fēng)”無人機(jī)墜毀。

盡管損失了一架“西風(fēng)”無人機(jī)，但是美國陸軍認(rèn)為，此次飛行應(yīng)該是成功的。因?yàn)槠渌瑴貙犹柲茱w機(jī)研發(fā)項(xiàng)目都很難進(jìn)入大氣層，更不用說同溫層了。此次飛行取得了一定的成果：首先，這不僅是“高空偽衛(wèi)星”最長航時(shí)的飛行，同時(shí)也是第一次跨越水域和國際邊界的飛行，還飛越墨西哥灣進(jìn)入伯利茲，然后返回美國。同時(shí)，美國陸軍聲稱，這已經(jīng)是使用衛(wèi)星通信控制的最長連續(xù)飛行，也是距離發(fā)射點(diǎn)最遠(yuǎn)的飛行演示，同時(shí)攜帶商用現(xiàn)貨有效載荷。其次，此次飛行還驗(yàn)證了來自亞拉巴馬州亨茨維爾、尤馬和英國范堡羅三個(gè)不同地點(diǎn)的彈性衛(wèi)星指揮和控制能力以及“西風(fēng)”無人機(jī)的儲能能力、飛行續(xù)航能力、定位和靈活定位能力。再次，此次飛行持續(xù)了64天，獲取了1500h的飛行數(shù)據(jù)。最后，此次飛行打破了60年來飛行時(shí)間的最長紀(jì)錄。此前，最長飛行時(shí)間的紀(jì)錄是由羅伯特·蒂姆和約翰·庫克駕駛他們的“莊園賽斯納”172（Hacienda Cessna 172）飛機(jī)在1958年12月4日至1959年2月7日期間創(chuàng)造。當(dāng)時(shí)，這一紀(jì)錄還是在移動卡車加油的幫助下獲得的?？罩锌蛙嚬颈硎?，這64天的飛行使得“西風(fēng)”無人機(jī)的總飛行時(shí)間達(dá)到128天，其中126天在平流層，總飛行時(shí)間約達(dá)到了4000h。

據(jù)了解，這是“西風(fēng)”無人機(jī)的第三次墜毀。空中客車公司認(rèn)為，“西風(fēng)”脆弱的機(jī)身設(shè)計(jì)是最大可能造成事故的原因，因?yàn)楦鶕?jù)最初設(shè)計(jì)要求，飛機(jī)是在平靜的天氣中升降至平流層。同時(shí)，空中客車公司對在澳大利亞北部的兩架“西風(fēng)”在上升到平流層的過程中因天氣狀況而墜毀仍然記憶猶新。

最終的原因需要工程師們在仔細(xì)研究1500h的飛行數(shù)據(jù)后才能調(diào)查清楚。但是這一教訓(xùn)要求空中客車公司投資改善天氣和風(fēng)力預(yù)測。由于需要分析數(shù)據(jù)和調(diào)查事故，美國陸軍7月宣布的飛越太平洋的計(jì)劃在內(nèi)的其他飛行已推遲至明年。

太陽能無人機(jī)前景仍然被看好

“西風(fēng)”無人機(jī)是一種質(zhì)量為75kg的太陽能飛行器，翼展25m。該平臺設(shè)計(jì)用于在21336m左右的高度連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，搭載5kg Opaz光電有效載荷，能夠收集靜止圖像、視頻和紅外圖像，提供持續(xù)監(jiān)視或充當(dāng)通信中繼能力。此外，還可以作為飛行手機(jī)塔臺的工作，通過4G和5G連接遠(yuǎn)程人群。其他任務(wù)選擇包括地球監(jiān)測和監(jiān)視。此次飛行事故證實(shí)了在如此脆弱的平臺上實(shí)現(xiàn)平流層飛行所涉及的復(fù)雜性。同時(shí)也表明，在開發(fā)平流層飛行器方面，飛行經(jīng)驗(yàn)是不可替代的。

盡管目前“西風(fēng)”無人機(jī)仍然存在各種問題，空中客車公司似乎也毫不氣餒，稱飛行驗(yàn)證是“實(shí)現(xiàn)最終飛行耐力目標(biāo)過程的一部分”?？罩锌蛙嚬灸壳罢谔剿饕环N更大的“西風(fēng)”無人機(jī)改進(jìn)型，其有效載荷能力將增加一倍。此外，該公司正在探索基于氫燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)，將該機(jī)改變成一個(gè)混合平臺，從而擴(kuò)大了在陽光更為有限的極端緯度地區(qū)作業(yè)的選擇。其研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前正在分析此次任務(wù)提供的1500h平流層飛行數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致事故的真正原因所在。

即使考慮到發(fā)射和回收的復(fù)雜性，美國和英國軍方仍對平流層飛行用于情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）收集，以及通信中繼的潛力深感興趣。美國陸軍提出了多域傳感系統(tǒng)概念，設(shè)想了具有幾層的機(jī)載和天基ISR和通信中繼平臺，旨在為美國陸軍提供新型遠(yuǎn)程精確導(dǎo)彈系統(tǒng)，提供目標(biāo)定位能力支持。

據(jù)《航空周刊》2021年12月17日報(bào)道，英國國防部啟動了對“高空偽衛(wèi)星”項(xiàng)目的招標(biāo)，以提供持續(xù)的通信和情報(bào)能力。此次招標(biāo)項(xiàng)目名為“以太”（Aether），價(jià)值為1.33億美元，要求工業(yè)界展示具有情報(bào)、監(jiān)視和偵察的平流層無障礙空中系統(tǒng)能力的超持久廣域通信。第一階段框架合同期限為2022年5月至2023年底，額外任務(wù)可能持續(xù)7年。合同文件表明，英國國防部希望能夠“快速機(jī)動到世界上任何感興趣的區(qū)域”。平臺采集的信息“必須接近實(shí)時(shí)”，并“利用一系列現(xiàn)有資源進(jìn)行利用”，要求該系統(tǒng)將“一次執(zhí)行數(shù)月任務(wù)”，再補(bǔ)給或維護(hù)工作量最小。英國國防部已經(jīng)贊助了“高空偽衛(wèi)星”空中系統(tǒng)的試驗(yàn)，最著名的是空中客車公司的“西風(fēng)”平臺。該平臺最近在亞利桑那州尤馬試驗(yàn)場完成了36天的高空飛行。在英國國防部的部分試驗(yàn)中，“西風(fēng)”無人機(jī)將一架光電相機(jī)帶到了高空。但是，“西風(fēng)”面臨BAE Systems公司旗下的三楞有限公司研制的Phasa-35平臺的競爭。該平臺可能具有全年續(xù)航能力?！耙蕴表?xiàng)目的其他工作還包括平臺和有效載荷的開發(fā)，以及“完全可靠的航空系統(tǒng)”的集成和認(rèn)證。投標(biāo)者被要求在2023年1月17日前遞交標(biāo)書。

日本電信公司對利用高空飛行平臺開展互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用興趣濃厚。據(jù)《航空周刊》2022年1月18日報(bào)道，空中客車公司已開始與日本通信提供商合作，研究在“高空偽衛(wèi)星”（如“西風(fēng)”無人機(jī)）上部署無線通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。日本主要電信提供商日本電報(bào)電話公司（NTT）、蜂窩運(yùn)營商N(yùn)TT Docomo和衛(wèi)星廣播公司SKY Perfect JSAT已與空中客車公司簽署了諒解備忘錄?？罩锌蛙嚬镜囊环菪侣劯宸Q，全球推動5G，最終在陸地和海上推廣6G服務(wù)，推動了近空間平臺對無線連接的需求。HAPS已被確定為“相對簡單”的技術(shù)解決方案，將補(bǔ)充現(xiàn)有和未來的衛(wèi)星?？罩锌蛙嚬颈硎荆骸笆褂梅堑孛婢W(wǎng)絡(luò)（NTN）技術(shù)提供天基無線電接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，統(tǒng)稱為空間無線電接入網(wǎng)絡(luò)（RAN），預(yù)計(jì)將支持覆蓋范圍超廣、抗災(zāi)能力增強(qiáng)以及5G和6G增強(qiáng)的全球移動通信。”這些備忘錄的研究領(lǐng)域包括“高空偽衛(wèi)星”系統(tǒng)使用的各種頻帶的性能、衛(wèi)星和地面站之間連接“高空偽衛(wèi)星”的技術(shù)考慮，以及在單個(gè)合作系統(tǒng)下結(jié)合NTN技術(shù)、衛(wèi)星和“高空偽衛(wèi)星”之間的網(wǎng)絡(luò)測試。2021年11月，空中客車公司和多科莫公司在一次為期18天的“西風(fēng)”飛行試驗(yàn)中進(jìn)行了一次概念驗(yàn)證測試，證明了“高空偽衛(wèi)星”能夠在140km范圍內(nèi)使用2GHz頻譜和450MHz窄帶提供無線連接。

日本軟銀（SoftBank）公司非?？春谩案呖諅涡l(wèi)星”領(lǐng)域發(fā)展，并為其籌集可持續(xù)資金。據(jù)《航空周刊》2021年11月24日報(bào)道，日本軟銀將發(fā)行首份可持續(xù)發(fā)展債券，為其“高空偽衛(wèi)星”業(yè)務(wù)籌集資金，該業(yè)務(wù)計(jì)劃將太陽能平流層無人機(jī)作為互聯(lián)網(wǎng)連接的機(jī)載基站?？沙掷m(xù)性債券專門為幫助解決環(huán)境和社會問題的項(xiàng)目籌集資金，預(yù)計(jì)將為其“高空偽衛(wèi)星”業(yè)務(wù)籌集約2.6億美元的資金。該債券將于2022年3月日本財(cái)年結(jié)束前發(fā)行。

軟銀公司和航空環(huán)境公司的合資公司HAPSMobile正在開發(fā)“陽光滑翔者”太陽能無人機(jī)，為現(xiàn)有移動設(shè)備提供 LTE和5G通信。軟銀公司計(jì)劃在2027年推出全面的商業(yè)服務(wù)。

軟銀公司表示，通過提供從平流層到山區(qū)、偏遠(yuǎn)島嶼和其他無法接入傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)連接，努力營造一個(gè)所有人都能平等獲取信息的環(huán)境?！案呖諅涡l(wèi)星”也將在自然災(zāi)害后的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)中發(fā)揮作用。