“西風”太陽能無人機項目在艱難中前行

托尼·奧斯本

“西風”無人機迎來新曙光

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

“西風”平臺及其數千小時的飛行經驗將使空中客車公司在通信和地球觀測服務市場上具有戰略優勢。試圖進入高空偽衛星（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，更不用說到達平流層了。

空中客車公司高空偽衛星連接解決方案業務負責人薩姆爾·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。”薩姆爾·哈拉維表示，在未來10年內，一個由1000架“西風”無人機組成的網絡可能會在全球范圍內運行。全球“西風”機隊最大的市場機會將是向偏遠地區提供4G/5G手機通信服務，從而減少手機服務提供商安裝塔的需求以及相關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，這些地區完全沒有手機運營商的通信服務，因為從人口中獲得的利潤少于安裝手機塔的成本和與手機塔相關的土地租金。薩姆爾·哈拉維說：“我們‘西風的覆蓋成本可能不到一半。因此，通過服務這一領域，移動運營商可以做到這一點，而無須從他們的口袋中獲得補貼。同時，他們也創造了利潤。”一架“西風”無人機可以為目前由80個手機塔服務的地區提供通信連接，如果需要額外的容量，另一架“西風”無人機可以飛到合適的位置。

“西風”無人機應用的其他潛在機會還包括政府的地球觀測任務，配置光電相機的“西風”無人機還可以監測森林火災或觀察城市交通流量。

但是，薩姆爾·哈拉維也表示，這些類型的運營需要對無人機平臺進行認證，同時也需要一個生態系統來支持已經在進行的運營工作。

此前，“西風”無人機已經為政府客戶執行了幾次飛行任務，這些任務都與美國陸軍和英國國防部等機構執行的演示飛行有關。

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

盡管有這些宏偉的計劃，“西風”無人機的運行仍將受到天氣條件的影響，特別是在上升和下降過程中。它們按照嚴格公差制造的精致機身，專為平流層更溫和的條件而設計，因此難以應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”無人機，其原因歸咎于天氣。這是自2019年以來的第三次出現因天氣而導致的損失。當時，這架無人機正為美國陸軍進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場時，在17373.6m的高空遭遇了惡劣天氣。由于飛行達到了前所未有的高度，飛機遇到的湍流太大，導致無人機失蹤。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失蹤了兩架“西風”無人機。

在飛行演示期間，天氣導致了用于兩個電機中的一個出現故障，然后關閉。“西風”無人機只能靠一個電機飛行，該機從未設計過這種配置。如果沒有第二臺發動機，“西風”無人機就無法爬升到適當的高度以避開天氣，而且飛機還受到空域飛行的限制。后來，空中客車公司已經解決了電機故障問題。

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

平流層飛行仍面臨挑戰

2022年6月15日，“西風”無人機開始為美國陸軍定位、導航和定時/空間跨職能團隊進行飛行驗證。但是據美國陸軍新聞稿8月23日報道，“西風”無人機飛行演示于當地時間8月18日晚上9點停止，當時這架太陽能無人機在亞利桑那州尤馬試驗場上空飛行時“遇到了導致其意外終止的事件”，最終墜毀。當時，“西風”正在進行實驗性許可認證飛行，并在受限空域進行操作。空中客車公司決定不離開該空域，而是留在那里，并實際推動飛機的飛行。這架“西風”無人機用一臺發動機飛行了1h。此前，在澳大利亞北部進行的飛行試驗中，由于低空的湍流天氣條件，兩架“西風”無人機墜毀。

盡管損失了一架“西風”無人機，但是美國陸軍認為，此次飛行應該是成功的。因為其他同溫層太陽能飛機研發項目都很難進入大氣層，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“高空偽衛星”最長航時的飛行，同時也是第一次跨越水域和國際邊界的飛行，還飛越墨西哥灣進入伯利茲，然后返回美國。同時，美國陸軍聲稱，這已經是使用衛星通信控制的最長連續飛行，也是距離發射點最遠的飛行演示，同時攜帶商用現貨有效載荷。其次，此次飛行還驗證了來自亞拉巴馬州亨茨維爾、尤馬和英國范堡羅三個不同地點的彈性衛星指揮和控制能力以及“西風”無人機的儲能能力、飛行續航能力、定位和靈活定位能力。再次，此次飛行持續了64天，獲取了1500h的飛行數據。最后，此次飛行打破了60年來飛行時間的最長紀錄。此前，最長飛行時間的紀錄是由羅伯特·蒂姆和約翰·庫克駕駛他們的“莊園賽斯納”172（Hacienda Cessna 172）飛機在1958年12月4日至1959年2月7日期間創造。當時，這一紀錄還是在移動卡車加油的幫助下獲得的。空中客車公司表示，這64天的飛行使得“西風”無人機的總飛行時間達到128天，其中126天在平流層，總飛行時間約達到了4000h。

據了解，這是“西風”無人機的第三次墜毀。空中客車公司認為，“西風”脆弱的機身設計是最大可能造成事故的原因，因為根據最初設計要求，飛機是在平靜的天氣中升降至平流層。同時，空中客車公司對在澳大利亞北部的兩架“西風”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研究1500h的飛行數據后才能調查清楚。但是這一教訓要求空中客車公司投資改善天氣和風力預測。由于需要分析數據和調查事故，美國陸軍7月宣布的飛越太平洋的計劃在內的其他飛行已推遲至明年。

太陽能無人機前景仍然被看好

“西風”無人機是一種質量為75kg的太陽能飛行器，翼展25m。該平臺設計用于在21336m左右的高度連續運行數周，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，提供持續監視或充當通信中繼能力。此外，還可以作為飛行手機塔臺的工作，通過4G和5G連接遠程人群。其他任務選擇包括地球監測和監視。此次飛行事故證實了在如此脆弱的平臺上實現平流層飛行所涉及的復雜性。同時也表明，在開發平流層飛行器方面，飛行經驗是不可替代的。

盡管目前“西風”無人機仍然存在各種問題，空中客車公司似乎也毫不氣餒，稱飛行驗證是“實現最終飛行耐力目標過程的一部分”。空中客車公司目前正在探索一種更大的“西風”無人機改進型，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系統，將該機改變成一個混合平臺，從而擴大了在陽光更為有限的極端緯度地區作業的選擇。其研發團隊目前正在分析此次任務提供的1500h平流層飛行數據，以發現導致事故的真正原因所在。

即使考慮到發射和回收的復雜性，美國和英國軍方仍對平流層飛行用于情報、監視和偵察（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概念，設想了具有幾層的機載和天基ISR和通信中繼平臺，旨在為美國陸軍提供新型遠程精確導彈系統，提供目標定位能力支持。

據《航空周刊》2021年12月17日報道，英國國防部啟動了對“高空偽衛星”項目的招標，以提供持續的通信和情報能力。此次招標項目名為“以太”（Aether），價值為1.33億美元，要求工業界展示具有情報、監視和偵察的平流層無障礙空中系統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，額外任務可能持續7年。合同文件表明，英國國防部希望能夠“快速機動到世界上任何感興趣的區域”。平臺采集的信息“必須接近實時”，并“利用一系列現有資源進行利用”，要求該系統將“一次執行數月任務”，再補給或維護工作量最小。英國國防部已經贊助了“高空偽衛星”空中系統的試驗，最著名的是空中客車公司的“西風”平臺。該平臺最近在亞利桑那州尤馬試驗場完成了36天的高空飛行。在英國國防部的部分試驗中，“西風”無人機將一架光電相機帶到了高空。但是，“西風”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航能力。“以太”項目的其他工作還包括平臺和有效載荷的開發，以及“完全可靠的航空系統”的集成和認證。投標者被要求在2023年1月17日前遞交標書。

日本電信公司對利用高空飛行平臺開展互聯網應用興趣濃厚。據《航空周刊》2022年1月18日報道，空中客車公司已開始與日本通信提供商合作，研究在“高空偽衛星”（如“西風”無人機）上部署無線通信網絡的可行性。日本主要電信提供商日本電報電話公司（NTT）、蜂窩運營商NTT Docomo和衛星廣播公司SKY Perfect JSAT已與空中客車公司簽署了諒解備忘錄。空中客車公司的一份新聞稿稱，全球推動5G，最終在陸地和海上推廣6G服務，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”的技術解決方案，將補充現有和未來的衛星。空中客車公司表示：“使用非地面網絡（NTN）技術提供天基無線電接入網絡服務，統稱為空間無線電接入網絡（RAN），預計將支持覆蓋范圍超廣、抗災能力增強以及5G和6G增強的全球移動通信。”這些備忘錄的研究領域包括“高空偽衛星”系統使用的各種頻帶的性能、衛星和地面站之間連接“高空偽衛星”的技術考慮，以及在單個合作系統下結合NTN技術、衛星和“高空偽衛星”之間的網絡測試。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”飛行試驗中進行了一次概念驗證測試，證明了“高空偽衛星”能夠在140km范圍內使用2GHz頻譜和450MHz窄帶提供無線連接。

日本軟銀（SoftBank）公司非常看好“高空偽衛星”領域發展，并為其籌集可持續資金。據《航空周刊》2021年11月24日報道，日本軟銀將發行首份可持續發展債券，為其“高空偽衛星”業務籌集資金，該業務計劃將太陽能平流層無人機作為互聯網連接的機載基站。可持續性債券專門為幫助解決環境和社會問題的項目籌集資金，預計將為其“高空偽衛星”業務籌集約2.6億美元的資金。該債券將于2022年3月日本財年結束前發行。

軟銀公司和航空環境公司的合資公司HAPSMobile正在開發“陽光滑翔者”太陽能無人機，為現有移動設備提供 LTE和5G通信。軟銀公司計劃在2027年推出全面的商業服務。

軟銀公司表示，通過提供從平流層到山區、偏遠島嶼和其他無法接入傳統電信網絡的地區穩定的互聯網連接，努力營造一個所有人都能平等獲取信息的環境。“高空偽衛星”也將在自然災害后的網絡恢復中發揮作用。