目前，我們一直在不懈地尋找鋰離子電池的替代動力解決方案，鋰電池只能使大多數(shù)多旋翼飛機飛行20至25分鐘。在此過程中，我們研究了從氫燃料電池到混合動力發(fā)動機的革命性替代方案。不過，今天，我們想談?wù)勔环N概念，它是無人駕駛飛機（UAV）領(lǐng)域中的新事物，但對于動力飛行科學(xué)而言卻不是新事物：飛艇。
總部位于南加州的Mothership Aeronautics設(shè)計并商業(yè)推出了一系列比空氣輕（LTA或飛艇）的飛行器，這些飛行器由電動機驅(qū)動，使用電池和太陽能電池板的組合在空氣中長時間停留。盡管將太陽能電池板，鋰電池和電動機組合使用的任何飛行器都無法突破熱力學(xué)的第一定律（不能產(chǎn)生或破壞能量），但可以設(shè)計系統(tǒng)，使產(chǎn)生的太陽能達到或超過飛行器的巡航能耗。這種情況稱為無限巡航。
將太陽能集成到飛機上時要考慮的關(guān)鍵因素是維持巡航速度和高度所需的功率與機身上可用的平面面積之比。這就是為什么要突出強調(diào)Mothership Aeronautics在2016年11月的首次驗證飛行。該公司在硅谷陰天多風(fēng)的早晨，展示了偵察兵原型太陽能飛艇的無限巡航。
偵察員長6.5m，由400W太陽能電池板供電，由127個電池組成。從9:00 am開始，它在風(fēng)中進行了90分鐘的機動，沒有降低電池電壓。這種表現(xiàn)與預(yù)期相符。
Mothership Aeronautics的首席執(zhí)行官Jonathan Nutzati說：“在仔細研究了替代方案之后，我們決定采用飛艇的設(shè)計。對于旋翼飛機，例如直升機和多旋翼飛機，太陽能集成是不切實際且具有挑戰(zhàn)性的。另一方面，太陽能電池板的大而平坦的表面會產(chǎn)生空氣阻力，從而干擾飛行并實際上降低了效率；另一方面，作為旋翼飛行器，僅在保持高空飛行，保持速度和保持位置時，就需要始終如一的動力消耗無論飛行條件如何。”
從歷史上看，已經(jīng)成功地將太陽能集成到固定翼中，但是這些太陽能飛機即使最小可行尺寸，也具有長而脆弱的機翼和很少的有效載荷。著名的是Helios Prototype，這是Aerovironment與NASA的合作，在陣陣中解體，于2003年墜入太平洋。
在機翼上獲得足夠的太陽能以為無限巡航中的推進系統(tǒng)提供動力，就需要大型機翼。但是，大機翼會產(chǎn)生很大的阻力，因此需要更多的動力才能飛行。這個問題不斷加劇，迫使設(shè)計付出昂貴的代價，其中包括相對較慢的巡航速度和昂貴的柔性太陽能電池板。Mothership Aeronautics團隊已經(jīng)考慮并解決了所有這些挑戰(zhàn)。
Nutzati告訴《商業(yè)無人機》，“首先，由于飛艇利用提升氣體在其包殼中產(chǎn)生的浮力來被動升空，因此保持空降所需的功率小于其他機身類型。低功率要求意味著無限巡航與其他具有類似尺寸的飛機相比，在可比較的條件下，可以用更小的太陽能電池板面積來實現(xiàn)。其次，尺寸適于容納提升氣體的氣體包殼提供了足夠的體積以在其中或上面安裝太陽能電池板，而不會損害飛行器的空氣動力學(xué)質(zhì)量。這使得飛艇型飛行器是特別適合于機身類型，以實現(xiàn)有效的低成本太陽能集成。”
此外，太陽能為航空情報技術(shù)提供了一個有趣的機會。Solar減小了遠程情報任務(wù)的最小可行尺寸，同時為小型低成本情報飛行器增加了最大范圍和續(xù)航能力。
“我們出售的每艘小型飛艇都有一個最大速度，該速度與其電動機和電池功率有關(guān)。”納茲蒂繼續(xù)說道，“每架飛艇的最大可達到空速與飛艇在運行中所能承受的最大風(fēng)速有關(guān)。例如，取決于飛行員的技術(shù)和信心，一艘4m長，500W的飛艇可以忍受大約16 mph的風(fēng)速飛行，而一艘8m長1000W的飛艇可以忍受20-25 mph的風(fēng)速飛行。
關(guān)于操作細節(jié)，飛艇可以在很寬的溫度范圍內(nèi)操作。但是，飛行中較大的溫度變化會影響囊體壓力，需要進行高度調(diào)節(jié)。較大的飛艇可以配備壓力調(diào)節(jié)囊體，以抵消飛行中溫度梯度的影響。
Nutzati說：“操作高度很重要。在更高的高度，氦氣的浮力會降低，因此需要更大的外殼才能獲得相同的升力。我們在囊體上增加長度，與客戶在預(yù)定起飛點的MSL（平均海平面）高度成正比。”喬納森說：“雖然飛艇甚至可以抵御大雨，但水滴在囊體上的堆積會增加重量，使性能略有下降。大多數(shù)相機和自動駕駛儀硬件都不防水，因此我們不建議與它們一起在雨中飛翔。”
無人飛艇的存儲和運輸相對簡單，大多數(shù)eBlimps可以裝在1-2個航空公司的托運手提箱中。囊體可以方便地小卷起來，但是在長時間存放后，必須將其干燥，否則可能會老化。
在本文中，飛行時間一直是最重要的問題，因此我們重點介紹了有效TiTA（空中時間）的詳細信息。
Nutzati表示：“我們的標(biāo)準(zhǔn)LiPo電動助力飛艇具有60-90分鐘的飛行時間，但是有效載荷可以切換成額外的電池，在較大的型號上可以達到4個小時。太陽能型號可以在太陽升起時飛行，視季節(jié)而定，巡航時間為8到12個小時。”
對于浮空飛行器，安全性問題也大不相同。如果發(fā)動機發(fā)生故障，飛艇會緩慢下降到地面。在失控或飛走的情況下，可以觸發(fā)緊急氦氣釋放閥以使飛艇下降并恢復(fù)。如果與車輛，建筑物或人發(fā)生碰撞，則傷害和損壞的可能性很小，而且這種事情發(fā)生的概率本身就很小。
飛艇上的損壞通常以小切口或撕裂的形式出現(xiàn)，可以用最少的設(shè)備（例如修補套件）快速修復(fù)。與四旋翼飛機和固定翼的高動能相比，這使飛艇成為在敏感資產(chǎn)周圍或在人或動物之上運行的理想平臺。即使直接向飛艇開槍也不會造成災(zāi)難性的墜落。彈孔只會產(chǎn)生可修補的泄漏，迫使其迅速著陸。
在FAA的法規(guī)中，您可以找到BVLOS（超視距飛行）的豁免權(quán)，但一般情況下根據(jù)其大小，可以在視線范圍內(nèi)以1-5公里的距離飛行飛艇。綜觀各種商業(yè)應(yīng)用，我們得出結(jié)論，一些理想的用例包括空中管道檢查，廣告和宣傳，日間監(jiān)視，礦物勘探和線性基礎(chǔ)設(shè)施檢查。
毫無疑問，在這些有效的飛行飛行時間內(nèi)，無人飛行器將有大量需求，這些無人飛行器無需執(zhí)行耗時的加油或更換電池即可執(zhí)行任務(wù)。
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