長航時無人飛艇的變浮力推進技術

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

一個英國研發團隊試飛了他們研發的采用變浮力推進技術的無人飛艇，工程師表示，該技術將帶來一種創新的低成本高空偽衛星(HAPS)平臺解決方案。

“鳳凰”號無人飛艇由英國的多家高校和小企業歷時3年聯合研發，旨在研究可變浮力推進技術在航空領域的應用潛力。

截至目前，此類推進技術只在水下無人潛航器(AUV)領域有應用，能夠為執行海洋勘測任務的潛航器提供非常長的續航力。

“鳳凰”號采用單艇體設計，長度15m，翼展10.5m，水滴型艇體氣囊容積120m3，充填氦氣產生浮力。艇體氣囊內還有一個容積6m3的小氣囊，通過往小氣囊內充填壓縮空氣，飛艇將變得比空氣重并下沉，機翼將下沉運動轉換為向前飛行。當小氣囊放氣時，飛艇又變得比空氣輕并上升，機翼再次將上升運動轉化為向前飛行。

“一旦升空，‘鳳凰’號幾乎是完全自持的，理論上具有無限的續航力。”領導“鳳凰”號項目研發工作的高地與群島大學工程系教授安德魯·雷伊說。

工程師們表示，最關鍵的是，它比其它類型的高空偽衛星平臺的成本低得多，例如空客和Prismatic公司開發的太陽能單翼無人機。

安德魯·雷伊說：“還有其它幾種飛行器可作為高空偽衛星平臺使用，但它們更復雜，造價也更高。和其它更昂貴的飛行器相比，‘鳳凰’號的造價非常低，幾乎可一次性使用，這意味著用戶可以用它執行一些以前不曾考慮過的任務，這些任務用其它昂貴的飛行器去執行是不合適的。”

“鳳凰”號氣囊的主要材質是Vectran纖維織物，充氣以后氣囊具有一定強度。機翼的翼梁和翼肋使用碳纖維夾層板材，配以輕質蒙皮。

安裝在機翼和尾翼上的太陽能電池產生的電力存入鋰電池組，鋰電池組為艇載的泵和空壓機等設備供電，讓“鳳凰”號像海豚一樣在空中飛行。“鳳凰”號的電氣系統由南安普敦大學的一個團隊設計，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。總部位于英國布里斯托爾的斯特林動力(Stirling Dynamics)公司為“鳳凰”號設計了飛控系統，該公司在無人機飛控領域經驗豐富。這個飛控系統控制艇載的泵和空壓機，同時監控電池組的數據。

“鳳凰”號在英格蘭樸茨茅斯的一個封閉式船用存放設施內進行了初步飛行試驗。首飛在今年3月21日進行，但直到4月23日才公開了首飛的細節。飛艇在120米的距離上進行了往返飛行，每次飛行中變浮力推進系統進行了約5次充放氣循環。

研發團隊曾想到室外進行飛行測試，但無法獲得英國民航局的認證。在當前配置下，“鳳凰”號能在約900m高度內正常飛行。但即使是僅900m的高度，也已經可以作為受災地區等環境下使用的高空應急通訊塔。研發團隊主要還是著眼于高空偽衛星(HAPS)平臺用途，安德魯·雷伊表示，要應對高空的氣流環境，需要將飛艇做的更大得多才能具有足夠的穩定性和慣性。

安德魯·雷伊表示，雖然氫氣被認為是危險的飛艇氣體，但也有望用作氦氣替代品，部分原因是因為氫氣比資源受限的氦氣便宜得多且能提供更大的浮力。此外，研發團隊也在研究使用紐卡斯爾大學開發的可逆燃料電池的可能性，這樣一來，氣囊內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生氫氣存入氣囊。

“鳳凰”號項目的研發經費來自創新英國(Innovate UK)。其它參與該項目的學術機構還包括：研發碳纖維機翼和尾翼、以及飛艇吊艙的布里斯托大學；進行風洞試驗的謝菲爾德大學。包括復合材料創新中心和制造與工藝創新中心在內的幾個制造業孵化器機構也參與了“鳳凰”號項目。

安德魯·雷伊表示，“鳳凰”號及其采用的技術的前景很大程度上取決于市場是否感興趣和“特定任務”的需求。但研發團隊希望“鳳凰”號項目能引起機構和業界巨頭的興趣，比如英國國防部，他們正在研究使用空客的“西風”(Zephyr)太陽能無人機作為高空偽衛星(HAPS)平臺的課題。

(李韻編譯自《航空周刊&空間技術》，2019-4-26)