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伪卫星——颠覆传统的空间无人机


在地面监控的指引下,Zephyr 8隐匿于高速的急流风和天气系统之上在特定的区域缓慢地潜行着。耐强风的特性使Zephyr 8甚至能够以超过100英里/小时的速度向后飞行。

国防部曾经为高新电子科技的发展提供便利,但是之后受安全否决权的限制不得不做出相应调整,诸如先进的航电系统和导航系统等高新电子科技被应用在民用航空领域。在20世纪90年代全球定位系统仅仅被应用在军事方面,但是现在几乎在任何地点人人都可以实时获取GPS定位的精确数据,汽车和船只可以为到达地点设置精确的导航。

目前反而是军队需要在很多方面追赶上高新电子科技的发展,因为前线部队还在采用安全战术无线电,而这项技术相比多年之前并没有多大区别,但是在闲暇时间战士们却可以通过个人的iPad和iPhone进入全球的社交媒体。好莱坞或者其他地区的电影工作室已经开始制作逼真的电脑生成图像,这些图像已经出现在最新的电影和网游中,这些技术已超越飞行模拟领域的应用,正在向ISR(情报、监视、侦查)特殊任务飞机的训练和载泊方面寻求新的发展空间。

目前,无论是民用还是军用的所有这些装置都在很大程度上依赖由看不见的太空卫星所提供的巨大的不断增长的全球网络,是太空卫星使这些宽带和节点共存并提供无缝的互联互通。

由此相伴产生的两大问题是成本和可持续性,第三个问题就是如何报废。发射卫星是相当昂贵的举动,因此新一代相对小型和简单的发射器正在被研发,用来发射结构简单、成本低廉和使用寿命有限的空间飞行器(被称为“小卫星(smallsats)”或“立方体卫星(cubesats)”)。这些飞行器一旦进入近地轨道将不能被升级或维修。

由于需求与性能随时都在发生改变,卫星也需要不断报废并定期更换。卫星在轨运行时间可达到15年,超过该时间期限卫星零件的精密度和小型化就会发生显著变化。因此随着地球周围近太空充斥着成千上万的人工平台,如何让通过太空提供的服务以更经济实惠的方式持续发展就成为了当务之急。这就是“伪卫星”(pseudo satellite)展现其价值所在的大好时机。

想象一下一个拥有完全自给自足电力系统的巨型飞机平台,能够在某个时间在空间站停留长达数月,并且凌驾于飞得最高的载人或无人的侦察机之上。这样的飞机平台就是一双空中的眼睛或者一个通信节点,能够完成之前只有小卫星才能做到的任务。

当需要更新服务或者升级任何原件或感应器时,该飞机平台就能返回地球而另外一个这样的平台立刻会代替它的位置,因此时刻保证了持续的运行能力。与执行同样任务的小卫星相比,所需成本却是其很小一部分。

目前,这样的飞行器已经出现,它将对未来产生巨大的影响,那就是无需昂贵的空间发射设施和火箭就能将私人空间飞行器发射到指定位置来提供持久的通信链接。

经过数年的不懈努力,坐落在英国范堡罗的科技研发公司QinetiQ正在开发一种靠太阳能发电的无人飞行器物理样机——Zephyr,由于该无人飞行器能够提供有效的负载因而将可能得到广泛的实际应用。该概念机已经被证实在空中的续航能力可以从几周延长到几个月,该研发过程打破了世界纪录。

该项目已经被空中客车防务及航天公司购买,并且获得首个来自英国国防部的两架空间飞行器的生产订单。新一代Zephyr 8的飞行高度将达到65000英尺或者更高,能够在陆地或海洋上空进行侦查,巡逻期间不需要任何维修就能在同一地区托管通信链路达数周或数月。虽然之前据MOD报道称特种部队将加大在全球侦查和通信任务上的投资,但该无人飞行器的具体应用还未被揭晓。

在地面监控的指引下,Zephyr 8隐匿于高速的急流风和天气系统之上在特定的区域缓慢地潜行着。耐强风的特性使Zephyr 8甚至能够以超过100英里/小时的速度向后飞行。目前通常能够在这样的高度下飞行的飞行器只有协和超音速运输机、SR-71和U-2间谍飞机。

根据之前Zephyr 7的技术经验积累——Zephyr 7曾在2010年打破持久性世界纪录(连续14天作业,持续工作将近340小时),新一代Zephyr 8在白天利用太阳能为电池充电并在晚上依靠所储存的能量保持在同样的高度。除此之外没有其他任何无人飞行器能够实现在飞行中不需要补充燃料并且续航时间超过80小时。

Zephyr 8的翼展达到25米,比Zephyr 7携带的电池多50%以上,但是质量却较之减少30%。储存的能量被传送给搭载更多负荷的飞行器,这种飞行器通常被设计成能够在太空中持续停留一个多月。虽然最初是为了满足军方的需求,但是Zephyr也能够应用到人道主义任务、精确的农业监控以及环境和安全监控领域。Zephyr还可以为通信信号微弱或没有信号的边远地区提供网络覆盖。

目前,随着环保性能越来越成为研制新款飞行器的主要考虑因素之一,Zephyr利用太阳能飞行并且充电、安装尺寸较小的电动机、二氧化碳零排放以及不消耗燃料的特点都为其大大加分。用Zephyr替代一架传统的无人飞行器每年能够节省2000吨燃料。

虽然能够执行艰巨的任务,但是Zephyr的重量却相当轻——只有30kg。如此有效的飞行能够让Zephyr即使在动力被关掉的情况下仍然能够持续30小时抵达地面或与地面的距离在12米以内。

虽然Zephyr的结构能够承载5倍于自身的重量,但其所采用的材料却是超薄纤维,厚度相当于人类的一根头发。整体的设计细节(包括在元器件方面与一家“一级方程式”供应商的合作)是个如此敏感的话题,以至螺旋桨叶尖的设计都受到严格保密。相当于预计载荷2.5倍的重量被施加到每根翼肋上来测试飞行器的结构强度。这样的载荷让机体结构受到最大程度的弯曲,使上翘的翼尖偏转到机身下面,以此来展示结构的重量虽然很轻却具有超强的鲁棒性。

“伪卫星”的提出是一次振奋人心的超越单纯无人飞行器的变革。这些“伪卫星”可以具有相对自主能力,不仅可以按照预先选定的航线飞行,也可以根据地面的指令重新调遣。“伪卫星”在极限高度飞行无需使其增加重量的感应及抗干扰设备,而且也不需要自我防御措施。

同时应用传统载人飞行器和无人空中平台,二者可靠性和实用性的大小将通过时间来验证。无人空中平台总是能够搭载更重的负荷甚至是武器,但把所有控制和支持设施考虑在内,大型或中型无人空中平台与载人飞行器的运营成本相当。

现在卫星提供的基本监测和通信能力只限定在空间站能够覆盖的范围内,一旦空间站偏离位置,就需要其他空间站来提供持续的覆盖,但这样做的成本是非常昂贵的。

如果Zephyr这类“伪卫星”仅仅被简单地看做是另一种无人飞行器,其能力将受到很大限制。同样,如果被视为只是一个卫星的替代品,那可能看起来还不如不做更换。

但是如果有人能换个角度发掘Zephyr的潜力,比如将它视为具有突破性的空间平台或是颠覆性的新技术,Zephyr将会非常感激。因为相比其他任何空中平台,Zephyr能够以更低的所有权和运营成本来提供具有巨大商业价值且负担得起的空中投资以及安全的军事通信能力。从这个角度看,Zephyr可能真的会带来游戏规则的颠覆。

文章来源:Aerospace Manufacturing     由方红玉编译,整理

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