单位文秘网 2022-02-17 08:09:11 点击: 次
政府机构联合发起了JCTD计划,由特种作战司令部负责管理,将1.2亿美元的合同授予航空环境公司,用于验证“全球观察者”原型机(GO-1)在约20000米高空持续飞行5天以上的能力,将作为一种准卫星平台,为分散在阿富汗山区的部队转发通讯信号。
从设计目标来看,“全球观察者”无人机希望能将卫星的各种能力与飞机的灵活性集于一身,凭借着高空长航时和灵活配置载荷的独特设计,以较低的使用成本,承担起持续监视、通信中继、边界安全和遥感测量等任务。
相对于飞机在大气层内、卫星在空间轨道上执行任务,“全球观察者”无人机可在同温层内飞行,利用这一有利位置,可以覆盖地面直径达965千米的范围,提供类似卫星的通信和远程成像服务。与常规飞机相比,“全球观察者”无人机的起飞和着陆次数减少到1/8,因此装备数量减少一半,就能保持全年使用,从而有利于降低成本。同时,与卫星相比,它非常容易配置各种任务载荷和升级技术,使用更加灵活。
从技术创新来看,“全球观察者”无人机是航空环境公司在高空长航时飞行器领域的又一次尝试。该公司凭借在液氢燃料关键技术方面所取得的突破,放弃了长期探索的太阳能动力,转而决定采用液氢燃料动力装置、全电力系统,通过3架原型机来验证在同温层内持续飞行一周的能力。
但是,数天而不是数小时的续航能力,必然要求这种平台在设计上采取与已往完全不同的方法。而这个不同,就是指它特有的总体构型和动力装置。
加装氢燃料动力
在同温层内长时间持续飞行,就意味着具体设计要求是在16~20千米高度范围内实现最大续航能力,最大飞行速度为42.5千米/小时。为此,“全球观察者”无人机采用了大展弦比上单翼的常规布局,翼展达到53.34米。机翼分为内、外两段。其中内段机翼为矩形,平直安装;外段机翼为梯形,后部设计有副翼,并略有上反。
“全球观察者”为了满足低温储存液氢燃料的需要,采用了较大的机身尺寸,但是相对于巨大的机翼而言还是显得很小的。航空环境公司充分利用了在制造轻型太阳能无人机方面积累的经验,不仅采用复合材料制造机体,还专门研制了复合材料机翼的生产工艺,只需不多的铺层就能满足大展弦比机翼的结构强度要求。此外,该机采用模块化设计,转场时可以经过拆卸装在一架C-130运输机内。“全球观察者”采用常规滑跑方式起降。在起飞、爬升、下降和着陆时都通过遥控驾驶来实现,而高空巡航时则按照预先设定的GPS航路点实现自主飞行。尽管处于自动驾驶模式,但该机在整个飞行期间依然可以接受遥控操纵。
按照JCTD计划,航空环境公司将制造3架“全球观察者”无人机。首架无人机以电池为动力,在2010年8月5日首次升空,持续飞行了4小时,飞行高度接近1220米,实施了包括爬升和转弯在内的一系列机动。当年9月底,它完成了第一轮飞行试验。然后,航空环境公司开始为这架无人机改装全新的动力装置。
这种全新的动力装置是一台经过改装的内燃发动机,燃烧液氢燃料,并在机头部位设计有散热器。发动机驱动一台发电机,产生电流,驱动4副双叶螺旋桨,并为任务载荷供电,同时为电池组充电。由于同温层的氧气含量大约只有海平面的1/16,这套系统必须保证液氢燃料在发动机内部持续不断地燃烧,因此需要采取一种独特的压缩方法。
在动力系统设计上,不用大型燃料箱储存液氢是一个显而易见的挑战,这对于无人机实现重量轻和长续航至关重要。为此,航空环境公司研制了一种独特的控制技术,通过采用几个氢燃料储存箱,使其结构重量远远轻于常规的解决方案。
航空环境公司没有透露液氢燃料控制、压缩方式或动力系统的有关细节,但对外表示,公司的高效能量系统(ESS)电动汽车业务部研制了起动装置/发电机,可以产生大约60千瓦的电力,其中2.8千瓦可以用于任务载荷。
与波音公司的“鬼怪眼”验证机相比,它采用的是通过燃烧液氢燃料的内燃机直接驱动螺旋桨,而“全球观察者”则将发电机、发动机和电池组成一个全电力网络,尽管设计上较为复杂,但在灵活性、可靠性等方面有明显优势。而且,这种动力装置的独特之处是具有“再生模式”,可将电池组作为备份动力源。如果主发动机停止工作,电池组可以确保控制系统和计算机继续工作,可保证该机平稳地下降并返回基地。在此过程中,螺旋桨处于风车状态,电动机又成了发电机。
遭遇原型机坠毁
在以电池为动力完成首飞后,时隔5个月,“全球观察者”无人机再次从爱德华兹空军基地升空,爬升到1524米高度,飞行时间持续4小时,成功地完成了以液氢燃料为动力的首次飞行。值得一提的是,有些媒体在报道这次首飞时,更多地集中于渲染该机的军事用途,却对液氢燃料内燃机与氢燃料电池不加分辨,混淆了二者在工作机理上的明显差异。
按照试飞计划,该机最终将携带181千克任务载荷,在同温层内持续飞行一周时间。接下来,两架“全球观察者”无人机将评估使用功效,验证持续覆盖范围的能力,测试美国空军联合空中层次网络(JALN)的战术通信设备(TCS)。它可以提供持续的基于IP的空中通信,支持“全球观察者”无人机在约20000米高度承担通信任务。此外,试飞还将为美国政府评估潜在的军事和商业用途。
在完成JCTD计划的测试工作后,“全球观察者”无人机和地面设备将用于其它评估和任务保障。航空环境公司表示,该无人机可在临时接到通知后立即起飞,在预定空域持续执行任务。作为一种可负担得起的持续飞行平台,凭借其高空长航时能力,可以远离战区执行任务,使用成本低,覆盖区域广,尤为重要的可减少人员风险。但是,JCTD计划的资助机构并未对外透露,这种无人机将如何从研制过渡到使用阶段,以及怎样有效地利用剩余的硬件设备。
目前,航空环境公司正在准备启动“全球观察者”的小批量生产工作,计划年产5架飞机。而且,该公司已经描绘出大规模生产的蓝图,计划着手建立一套超出自身现有能力的设施。与此同时,研制人员已经提出了更大尺寸的“全球观察者”(GO-2)方案,翼展将达到76.2米,可以携带454千克任务载荷,具有更长的续航时间,但总体构型仍然基于目前原型机。
按照计划,为期4年的JCTD计划原本应该在今年的3月31日结束,但尚未验证“全球观察者”无人机借助于液氢动力装置持续飞行5天以上的目标,因此不得不加快试验进度。出乎预料的是,航空环境公司在JCTD计划的最后阶段遭受到突如其来的打击,导致飞行试验功亏一篑。
3月31日清晨,美国空军第412试验联队的人员开始了“全球观察者”无人机的第19次飞行包线扩展试飞。次日凌晨2时30分左右,该机飞行到罗杰斯干湖西南角上空时,突然失去控制,从高空坠落。航空环境公司宣布,事故发生时,该机已经在空中持续飞行了18小时,并且飞行高度已经大大超过以往。公司还没有透露此次事故的进一步细节,可以确认的是这次事故没有对地面人员和财产造成伤害或破坏。
从当时无人机所处飞行高度和时间上看,高空低温环境有可能是一个主要诱因,如导致空速管结冰堵塞,也有可能是因“全球观察者”近期试飞频繁,从而出现机翼结构疲劳或内燃机系统故障,最终引发了坠毁事故。
面临多方面压力
“全球观察者”无人机的意外坠毁将对航空环境公司带来很大影响。直接后果是将JCTD计划的完成时间推迟到2012年中期或年底。目前,尽管第二架“全球观察者”原型机已经基本制造完毕,但是美国特种作战司令部提供的研制经费已经所剩无几,因此这项计划正在面临资金短缺的局面。在出现坠毁事故后,许多事情难以预料。
从技术上看,此次坠毁事故暴露出“全球观察者”无人机在某些环节的设计上还存在一定缺陷,需要进一步提高可靠性。由于改进和验证都需要时间,航空环境公司有可能在日益激烈的高空长航时无人机竞争中陷入被动。目前,波音公司和诺斯罗普·格鲁门公司都在致力于发展一些关键技术,力求实现无人机在高空持续飞行数天的目标。因此,航空环境公司丝毫不敢懈怠,争取尽快扭转当前的不利局面。
目前,波音公司研制的“鬼怪眼”缩比验证机已经在3月25日运抵德莱顿飞行研究中心,正在进行装配和调试,预计将在下半年实现首飞。该机采用两台经过改装的福特汽车发动机,也是燃烧液氢燃料,但直接通过传动系统驱动螺旋桨。这种推进系统一旦验证了可以持续飞行4天,那么最终研制的型号将有可能在空中持续飞行10天以上。
诺斯罗普·格鲁门公司也在通过KQ-X项目,验证两架无人机之间实现空中加油的技术可行性,最终目的是在长航时飞行领域取得技术突破。今年1月,该公司利用一架“海神”飞机在同温层高度与一架“全球鹰”无人机进行会合,评估了“全球鹰”尾部产生的湍流对受油机的潜在影响。目前正准备在明年利用一架“全球鹰”,通过空中加油实现连续7天不着陆飞行,使“全球鹰”高空无人机具备超长续航性能,从而有可能击败“全球观察者”和“鬼怪眼”,赢得美国空军的青睐。
此次坠毁事故甚至也波及到了资本市场。华尔街分析师对“全球观察者”无人机的坠毁表示悲观,认为这有可能损害航空环境公司的近期财政评估,预计这一不幸事故将严重打击投资者的信心,他们不希望这项计划无果而终。可是截至本文发稿前,“全球观察者”无人机的事故原因还在调查之中……
责任编辑:思空
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