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“高空長航時無人機”到底有多高 有多長?

时间:2018-08-31     【转载】   来自:中國航空新聞網   阅读

核心提示: 太陽能無人機的技術難點很多,除了常規高空長航時無人機會遇到的問題外,還需要解決超輕結構設計,能源管理,飛行策略,大柔性體飛行控制率設計等等。


作為一個自認為不是普通,但又不文藝的喵,對于“高空長航時無人機”這個名詞首先出現的是X-37B飛機,其各項指標都滿足字面上的意思。

比如,其軌道高度雖然是高度保密的,但是有分析人士認為其軌道高度為410千米,飛得夠高的吧。2010年的首秀就飛出了224天的紀錄,隨后的試驗不斷的刷新在軌飛行紀錄,最近的一次紀錄是在軌飛行718天,航時很長了吧。它還真是一架無人航天飛機。由于沒有載人,不需要配置人員的給養,如果不進行頻繁的變軌,只進行軌道維持的話,以目前的技術水平無人化的航天飛機飛個十來年是沒有問題的。


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好吧,我們還是回歸正常的軌道上來。

通常意義上的高空長航時無人機主要指的是在大氣層內飛行的飛機,其飛行高度在18千米以上,持續飛行時長24小時以上。

雖然現在無人機的種類和型號非常多,但是真正達到這個指標的無人機還是屈指可數的,說明研制這樣一款飛機的難度是非常的高,也就意味著它的研發、制造、使用、維護的成本就非常的高。比如,我們非常熟悉的“全球鷹”,根據公開文獻《“全球鷹”無人機系統項目費用和效能分析研究》,其研發成本在36億美元,單機采購價格在1.2億美元,每小時費用在4000美元。既然飛機這么貴,有么有可以替代的產品,比如飄個氣球,放個飛艇,或者是干脆扔個衛星上去。


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“全球鷹”高空長航時無人機

無論是氣球還是飛艇,都是浮空器,要做到搭載與飛機差不多量級的有效載荷重量,那么就意味著其排開空氣的質量減去自身的重量要大于或等于有效載荷的質量。隨著海拔高度的增大,大氣密度將減小,比如18千米的大氣密度相當于海平面大氣密度的1/10,相當于海拔高度5千米的1/6,在有效載荷不變的情況下就需要氣球或者飛艇本身的體積變大,由此帶來的結構重量的增加,載荷系數的減小,然后不得不再次放大。于是就進入了面多加水,水多加面的循環,最后算下來,其研發、制造、使用、維護成本一點都不會比相同飛行高度、相同有效載荷重量的飛機少。再加上其天生的慢速性能,并不能完全取代高空長航時無人機。以美國為例,美軍投資了70億美元用于資助15個飛艇項目,其中高空飛艇項目才4個,經費僅僅5.2億美元,其中3個失敗,1個保留(來源:《美軍臨近空間飛艇項目建設情況及啟示》)說明高空飛艇的技術還不是很成熟,還不能應用于作戰環境,以至于向來財大氣粗的美軍也不敢在上面胡亂的花錢。

至于衛星,當前熱火朝天的民用航天在微納衛星制造技術、低成本發射技術上不斷進步,之前對地觀測衛星高成本的問題有望得到改善。同時,隨著衛星星座的部署,將來可以實現對同一地點的快速重訪。此時就不是扔一顆衛星上天,而是扔一群衛星上天。

根據長光衛星技術公司的估計,在2030年實現138顆衛星的部署,能夠實現對同一地區10分鐘的重訪。但是,也不便宜。按照一顆衛星平均100千克計算,低軌發射成本為1千克5000美元,不計算衛星本身的成本,單純是發射成本就達到了6.9億美元。由于是低軌衛星,在大氣阻力的影響下,需要不斷的消耗自身攜帶的燃料進行軌道保持,在重量受限的情況下,其使用壽命在1-2年左右。

重點:換句話說,需要在最多2年的時間里進行星座補充,這個對于動輒使用20-30年,飛行壽命5000-10000小時的飛機來說,是不可想象的。


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綜上所述,好像我每次寫類似的文章首先都在考慮錢的事情。好吧,畢竟,前人說的好,大炮一響,黃金萬兩,在當前這樣的高科技戰爭時代,打仗就是砸錢的游戲。

當然了,我們也不能老是掉錢眼里,盯著錢看,高空長航時無人機還有其重要的特點:

1、首先無人機不需要飛行員坐在飛機上,于是飛機上也不需要為飛行員提供保障裝備,可以把寶貴的重量用于作戰任務需要。比如,多加點油,飛得久一些;多載些設備,看得清一些。


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飛行員走起

2、站得高,自然就看得遠。


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站得高,看得遠

3、飛得高,觀測系統的覆蓋就廣。


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在無人機大家族中,高空長航時無人機也才寥寥幾個型號,難度自然很大。主要難度包括了發動機、氣動設計、數據鏈路、能源供給等幾個方面。

一說到發動機,大家就想到的大概就是推力的問題,話說牛~的推力都能帶著板磚飛。但是,對于長航時飛機來說,發動機的可靠性卻是非常重要的指標,不能說計算下來能飛48小時的飛機,結果發動機平均無故障時間才20個小時,這不是掉鏈子么。自行車掉個鏈子還能停下來修理一下,這個飛在天上的飛機要掉個鏈子……其次才是推力問題。

對于通過燃燒做功產生推力的,比如活塞式發動機、噴氣式發動機,都需要空氣。隨著高度的增加,空氣密度的減小,發動機的做功能力下降,造成了推力的損失。不過,好在比如電動機就不大受空氣密度的影響,但是電機驅動做功的螺旋槳效率還是跟空氣密度密切相關。

此外,無論何種發動機在做功過程中不僅產生了推力,還會產生多余的熱量,空氣密度的降低帶來了對流換熱效率的降低,于是熱交換器的復雜程度和外形尺寸也隨之增加。當前能夠設計、生產高空長航時使用的各型發動機還是比較少,因此就造成了無人機型號不多的局面。

騎上就飛

飛機的阻力包括了升致阻力和零升阻力,簡單的說,一個是跟升力有關的阻力,一個是升力無關的阻力。產生升力需要的升力系數跟密度是成反比,升致阻力系數又跟升力系數的平方成正比,當海拔增大時,密度減小,飛機飛行需要的升力系數增大,升致阻力系數增大更加明顯。

此外,對于高空長航時無人機來說,其飛行速度并不快,因此與升力無關的阻力主要還是摩擦阻力構成。摩擦阻力與雷諾數密切相關,而雷諾數又是跟密度成正比。隨著高度的增加,密度的減小,摩擦阻力系數就會非線性的增大。如果不能夠很好的降低飛機的阻力,即時這個飛機能夠飛得夠高,但是也飛得不長久。解決辦法就是不斷的優化機翼剖面的設計和機翼外形的設計。


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世界那么大,我想去看看。洲際民航飛行也就是10幾個小時,對于長達24小時以上飛行時間無人機,總不能就在家門口繞圈圈,必然會去很遠的地方去看看風景,那么通訊就成了關鍵。不僅需要有足夠的通訊距離,足夠的通訊帶寬,還需要足夠短的時間延遲。


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沒有最慢只有更慢

“全球鷹”無人機作為比較成熟的高空長航時無人機,要裝油的,為了飛得遠,這個油還得裝得多。這個就類似你出去旅游還把幾天吃喝的東西都背上,看著都累,如果能輕裝上陣就好多了,比如走在路上隨時補給不是很好么?大概在很久以前有這么個吃貨萌發了設計太陽能無人機的想法。

太陽能無人機通過將太陽輻射轉換為電能,在白天的時候,一部分電能用于驅動電機做功,一部分電能在蓄電池里存起來,用于晚上沒有電的時候驅動電機做功。

太陽可以簡單的想象成一個固定瓦數的燈泡,由于地球運行軌道是個橢圓形,因此,在大氣層外圍的太陽輻射數值隨著月份的不同而不同。對于北半球的我們來說,是冬天的時候大氣層外圍的太陽輻射最大,這個貌似很反直覺。隨著太陽光線進入大氣層,大氣層中的氣體分子、塵埃、水蒸氣等就開始不斷的消耗太陽的直接輻射能量,太陽光穿過大氣層的距離越長,消耗的能量越多。早晚的時候,太陽光穿過大氣層的路徑長,中午的時候,太陽光穿過大氣層的路徑短。因此,同一地點,中午的太陽輻射值大于早晚。所以,太陽能無人機飛得高不僅僅是為看得遠,看得廣,更多的是能夠更好的吸收太陽的直接輻射能量。

太陽能無人機的技術難點很多,除了常規高空長航時無人機會遇到的問題外,還需要解決超輕結構設計,能源管理,飛行策略,大柔性體飛行控制率設計等等。


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