El proyecto "Buitre" que desafía los límites del vuelo, la velocidad de vuelo de un buitre.
Los objetivos del diseño son sorprendentes.
"Vulture" es la abreviatura en inglés de "Ultra-high altitude, ultra-endurance, loitering theatre unmanned reconnaissance unit" y tiene como objetivo desarrollar una plataforma no tripulada con una resistencia de 5 años. El mundo exterior suele llamarlo un dron de "resistencia infinita". Estrictamente hablando, se trata de un plan de exploración tecnológica cuyo objetivo principal es estudiar la viabilidad de la "resistencia infinita" de los vehículos aéreos no tripulados y esforzarse por promover el desarrollo y la madurez de tecnologías clave, especialmente la tecnología de confiabilidad de los sistemas aeronáuticos.
Este plan es uno de los planes "Blue Sky" propuestos por DARPA en los últimos años, y también es un complemento de seguimiento del plan "Sensores integrados como estructura de aeronave" ("Estado Islámico"). Cuando la Oficina de Tecnología Táctica de DARPA anunció el plan el 7 de junio de 2007, enfatizó que la larga duración tiene grandes ventajas en las misiones de reconocimiento, inteligencia y vigilancia (ISR) y puede proporcionar capacidades sin precedentes para la ejecución continua y estable de la misión. Sin embargo, DARPA no explicó el motivo para establecer el tiempo de resistencia en cinco años, ni definió específicamente la misión o el tipo de carga útil del dron. Sólo espera llevar los límites de vuelo del dron al límite.
La aparición del proyecto "Cóndor" causó una gran conmoción en el campo del diseño aeronáutico. El primer sentimiento de la gente es como "Don Quijote está desafiando al molino de viento". En términos de capacidades técnicas, el tiempo de resistencia de la mayoría de los drones se mide actualmente en horas, y el proyecto "Cóndor" intenta promover el desarrollo de tecnologías clave para drones de larga duración y crear récords de vuelo que actualmente son inimaginables. Cambiar los conceptos inherentes de la gente sobre los aviones.
Para posibles fines militares, DARPA ha fijado inicialmente los objetivos del programa "Condor" como: capaz de transportar una carga útil de 450 kilogramos, con una potencia nominal de 5 kilovatios y con suficiente velocidad de crucero; de funcionamiento a 20.000 ~ 5 años de vuelo sin escalas a una altitud de 27.000 metros: la confiabilidad alcanza el 99% y una alta tasa de éxito de la misión. Después de demostraciones preliminares, DARPA propuso tres ideas básicas de desarrollo estructural: una es un sistema independiente ultra confiable, equivalente a un satélite, otra es un avión modular, cada componente puede volar de regreso a la base para mantenimiento y reparación; El hombre-máquina puede permanecer en el aire durante mucho tiempo y puede ser reemplazado a tiempo.
Se puede ver que el objetivo del programa "Vulture" es esencialmente desarrollar un dron que funcione como un satélite, pero que no estará limitado por parámetros orbitales y no necesitará depender de bases extranjeras. . En comparación con los satélites que orbitan alrededor de la Tierra, puede volar a casi 20.000 metros sobre el campo de batalla en la estratosfera durante mucho tiempo, lo que ayudará a aumentar significativamente la resolución de los sensores aéreos. Tiene una mayor flexibilidad, especialmente al pasar sobre zonas de conflicto militar.
DARPA divide el proyecto "Cóndor" en tres etapas: la primera es la etapa de definición del concepto, que reduce los riesgos optimizando el concepto; la segunda etapa construirá un dron a escala 1/6 por un período de tres; meses de pruebas de vuelo; en la tercera fase, se fabricará, ensamblará y volará un demostrador a gran escala, y será necesario que transporte la carga útil de diseño para un vuelo de prueba de un año de duración. Actualmente, las empresas están llevando a cabo la primera fase de análisis de uso militar, desarrollando varios conceptos operativos y definiendo en detalle los sistemas de objetivos.
Las tecnologías clave deben resolverse urgentemente.
Con la publicidad del proyecto "Vulture", los numerosos desafíos técnicos que enfrenta el concepto de dron de "resistencia infinita" han ido atrayendo gradualmente la atención. Estos desafíos implican una serie de cuestiones como la recolección de energía ambiental, el almacenamiento de energía de alta densidad, los sistemas de propulsión eficientes, el aumento de la confiabilidad del sistema, el diseño estructural eficiente de las aeronaves y la mitigación del envejecimiento a largo plazo de los materiales y sistemas estratosféricos. Entre ellos, los sistemas energéticos y la confiabilidad se convierten en las principales prioridades.
Lo primero que hay que resolver es la solución del sistema de propulsión, cuyo núcleo es el método de adquisición y almacenamiento de energía. Para aviones de larga autonomía, actualmente existen tres soluciones de ciclo energético. Una es la energía nuclear, pero está expresamente prohibida su consideración. El segundo es el reabastecimiento de combustible en vuelo, que depende en gran medida de tecnología independiente de reabastecimiento de combustible en vuelo. Sin embargo, las pilas de combustible son de mayor interés debido a su mayor eficiencia y confiabilidad en comparación con los generadores de pistón y los generadores de turbina de gas. La tercera opción es la energía solar.
Por el contrario, los drones que utilizan energía solar han mostrado buenas perspectivas de desarrollo. Parece ser una forma relativamente segura, pero su uso todavía está limitado en verano, cuando las horas de sol son largas. En 2007, la NASA anunció conceptos para una serie de drones de gran altitud y larga duración. Sin embargo, ninguno de estos conceptos logra finalmente el objetivo de resistencia de seis meses. Por lo tanto, cómo utilizar la energía solar de manera más efectiva, desarrollar una tecnología eficaz de almacenamiento de energía y resolver el problema de proporcionar suficiente energía durante la noche se han convertido en obstáculos técnicos que los drones de ultralarga duración deben superar.
La confiabilidad del sistema de los drones de "resistencia infinita" se ha convertido en una consideración clave. DARPA afirmó que el objetivo de confiabilidad del programa "Condor" es 200 veces mayor que el del actual dron "Global Observer". Actualmente, a excepción de los satélites, nadie considera la fiabilidad de los aviones durante cinco años consecutivos de vuelo.
Con este fin, DARPA enfatizó que el diseño del proyecto "Vulture" debe realizarse de acuerdo con los estándares de la industria aeroespacial, en lugar de los estándares de la industria de la aviación, para cumplir con los exigentes requisitos de la misión.
En comparación con los satélites, el entorno de trabajo de los drones es obviamente diferente. Para los drones, el ciclo de día y noche es más largo. Entonces, después de sumergirlo en un ambiente bastante frío, pasó a un ambiente extremadamente caliente. En comparación con los satélites que operan en el espacio, los drones reciben menos radiación, pero aún así reciben una radiación ultravioleta más intensa que la del suelo, lo que implica el envejecimiento de diversos materiales.
De manera similar, los drones de "resistencia infinita" enfrentan el riesgo de una distorsión excesiva del diseño de la estructura del ala. Para sobrevivir en la estratosfera durante mucho tiempo, los drones deben diseñarse para utilizar alas de relación de aspecto ultragrande para obtener energía solar. Sin embargo, una característica de este diseño es que producirá una gran deformación elástica bajo la acción de cargas aerodinámicas; especialmente después de despegar del suelo y ascender gradualmente a la estratosfera, a menudo encontrará turbulencias atmosféricas en la troposfera. Esto puede provocar que el ala se tuerza excesivamente e incluso se desintegre en casos graves. Por lo tanto, cómo resolver la contradicción entre la duración de la batería ultralarga y el diseño de relación de aspecto ultragrande se ha convertido en un aspecto importante de la exploración e innovación del plan "Vulture".
El plan "Viento del Oeste" empieza a tomar forma.
La razón por la que DARPA lanzó el programa "Vulture" no fue infundada, sino para promover aún más el desarrollo de vehículos aéreos no tripulados de gran altitud y larga duración. Anteriormente, DARPA ha prestado atención a varios diseños de drones de gran altitud y larga duración, como el dron "Global Observer" propulsado por pilas de combustible de hidrógeno líquido. Sin embargo, debido a la duración limitada de la batería de estas soluciones, DARPA se interesó en el dron de energía solar Zephyr de la compañía británica.
"West Wind" es un dron ligero propulsado por energía solar con una envergadura de 16 metros y un peso de sólo 27 kilogramos. Las células solares que cubren las alas superiores proporcionan energía al avión durante el día, mientras que la energía se almacena en paquetes de baterías para seguir proporcionando suficiente energía durante la noche. Está diseñado para volar de forma continua durante varios meses a una altitud de 15.240 metros. En julio de 2006, un dron "Zifeng" voló durante 18 horas, incluidas 7 horas de noche. En una serie de pruebas de vuelo, Xifeng no sólo confirmó el rendimiento de vuelo esperado, sino que también realizó pruebas de vuelo de carga útil. No solo demostró con éxito la retransmisión de comunicaciones por primera vez y logró una comunicación más allá de la línea de visión en terreno montañoso, sino que también se equipó con diferentes sensores fotoeléctricos/infrarrojos y adquirió con éxito imágenes híbridas fotoeléctricas/infrarrojas.
Después de que DARPA publicara los objetivos de diseño para el programa Condor, Boeing se asoció con Quinetique para proporcionar capacidades probadas para el programa Condor con la ayuda de su dron Zephyr, que ha sido probado durante muchos años con tecnologías, especialmente de enfoque. sobre los requisitos de almacenamiento de energía.
En 2007, Qinetic rediseñó el "Zewind", aumentando su envergadura a 18 m, pesando 30 kg y añadiendo un piloto automático personalizado para acercarlo a un sistema de combate real. La mejora más importante es el uso de nuevas células solares de silicio amorfo desarrolladas por Solar Effect, que sólo equivalen a unas pocas hojas de papel y pueden absorber eficientemente la energía solar durante el día. Al mismo tiempo, se reemplazó un conjunto de baterías de litio-azufre y un nuevo cargador desarrollado por SION power, lo que mejoró significativamente la eficiencia de almacenamiento del sistema eléctrico. El 10 de septiembre, el avión llevaba una carga útil de seguimiento y completó un vuelo continuo de 54 horas a una altitud de 17.780 metros, estableciendo un nuevo récord de vuelo continuo.
Menos de un año después, "Zeifeng" volvió a batir el récord de tiempo de vuelo continuo. El 28 de julio de este año, el avión despegó del Yuma Proving Ground en Arizona, EE.UU., y no regresó a tierra hasta el 31. Voló sin escalas durante 82 horas y 37 minutos, superando con creces el récord de vuelo actual de 30 horas y 24 minutos en poder del "Global Hawk". Según el plan, la compañía optimizará aún más las tecnologías clave de "Xifeng" y se esforzará por alcanzar el objetivo de diseño de volar durante varios meses en dos años.
A diferencia del "West Wind", la envergadura del dron de "resistencia infinita" propuesto por Boeing se ha duplicado, utilizando un diseño de relación de aspecto ultragrande, y las hélices eléctricas también han aumentado en consecuencia. Vale la pena señalar que el diseñador no utilizó el soporte original de cola única + cola vertical + diseño de cola horizontal, sino que adoptó un soporte de cola doble + cola en forma de V invertida, tratando de mejorar la maniobrabilidad controlando el perfil aerodinámico para evitar el paso anterior. Oscilaciones en el dron Helios.
Sin embargo, el diseño de relación de aspecto ultra grande todavía tiene el peligro potencial de una torsión excesiva del ala. Para detectar turbulencias en el tiempo, se instalan sistemas de detección de turbulencias atmosféricas en el ala izquierda, en el ala derecha y en el ala de cola. Una vez que el dron entra en turbulencia, la sonda delantera primero medirá los datos relevantes de la turbulencia y el sistema de control a bordo emitirá inmediatamente instrucciones relevantes para ajustar el estado del vuelo a tiempo para evitar caer en un estado excesivamente distorsionado. Para resolver este problema, Boeing está intentando utilizar materiales compuestos más eficientes y optimizar aún más el diseño estructural existente para finalmente presentar una solución satisfactoria.
Odiseo emerge.
En comparación con el proyecto "West Wind", Aurora Flight Sciences rompió audazmente el concepto de diseño tradicional y propuso el inesperado proyecto "Odysseus", convirtiéndose en un fuerte competidor del proyecto "Vulture". Desde la perspectiva de cómo obtiene energía, Aurora todavía usa energía solar y aún enfrenta varios problemas que tienen los drones que funcionan con energía solar. Pero la novedad del dron "Odysseus" reside en su diseño modular, que bien puede resolver problemas técnicos de distorsión estructural, adquisición de energía, fiabilidad, etc.
Como se puede observar en el plano de diseño, la singularidad del dron Odysseus es que está compuesto por tres aviones modulares idénticos articulados en un todo. El avión modular tiene un ala plana con una envergadura de 50 metros y un peso de 65.438+0,350 kilogramos. Tres hélices están montadas en el borde de ataque y funcionan con células solares. Al mismo tiempo, adopta una cola cruzada, que puede girar alrededor del eje de soporte de la cola, controlar de forma independiente el cambio de actitud del avión modular y cambiar la configuración general del dron en vuelo.
Desde una perspectiva de uso, cada módulo puede despegar desde el suelo en secuencia, volar a un punto de acoplamiento predeterminado a gran altitud y luego integrarse con la ayuda de la tecnología de acoplamiento automático, formando un módulo ultragrande. Drone de relación de aspecto con una envergadura de 150 metros Hombre-máquina. El diseño modular de "Odysseus" ayuda a superar los problemas que enfrentan los diseños de relación de aspecto ultragrande durante el despegue y el ascenso, y mejora significativamente su capacidad para resistir la turbulencia troposférica, evitando así daños estructurales que pueden ser causados por una distorsión excesiva del ala.
El diseño modular de Odysseus también mejora eficazmente la eficiencia de absorción de energía solar. La configuración general de los tres módulos se puede cambiar según las necesidades de vuelo y adquisición de energía. Al volar durante el día, a medida que cambia el ángulo de la luz solar, el dron puede ajustar el ángulo de inclinación de los tres aviones modulares a través de la cola cruzada, transformando el ala de relación de aspecto ultra alta en un ala plegable.
De esta manera, las superficies superiores de las alas de al menos dos módulos del UAV pueden recibir la luz solar al máximo, de modo que la eficiencia de las células solares en la obtención de energía aumenta entre 4 y 5 veces. en comparación con el estado plano de las alas, garantiza mejor que el dron solar pueda volar normalmente durante todo el año. En la noche del 1, Odiseo se puede volver a estirar hasta convertirlo en un ala plana con una gran relación de aspecto, de modo que pueda continuar volando con una resistencia mínima, ahorrando efectivamente la energía eléctrica almacenada en el avión.
En vista de la confiabilidad operativa requerida por el programa "Vulture", Aurora Flight Sciences no se ciñó a las reglas, sino que aprovechó al máximo las ventajas de la estructura modular bajo la premisa de mantener la tasa de integridad. Del dron, los módulos se pueden reemplazar en cualquier momento. En la actualidad, la tecnología cada vez más madura de reabastecimiento automático de combustible en vuelo ha proporcionado viabilidad técnica para el acoplamiento y separación de aeronaves modulares. Si algún avión modular falla durante una misión, se puede separar del dron y devolverlo a la base por separado para su reparación. Incluso si el dron en su conjunto no tiene fallas obvias, Aurora planea separar cada módulo de avión del dron por turno después de 1 o 2 años de vuelo y regresar a la base para el mantenimiento de rutina. Durante este tiempo, continuará su misión después de acoplarse al nuevo módulo.
¿Quién en Lockheed está involucrado hasta ahora en el programa Cóndor? Martin aún no ha revelado su plan de drones, y Ghost Factory, que es responsable de la tarea de diseño, probablemente presente un diseño conceptual inesperado, que es muy digno de atención. No hay duda de que a medida que el programa "Vulture" siga avanzando, DARPA dará un paso sin precedentes en los conceptos de diseño de aviones.
Editor Qin Zhen