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美國Sceye公司的平流層飛艇進展

2022-03-15 13:14:48

來源:

     
     Sceye成立于2014年。2019年1月,全球公共衛生公司和LifeStraw的前首席執行官維斯特加德從這兩家公司離職,加入Sceye專門負責HAPS業務拓展。
      Sceye公司目前致力于開發可在65000英尺(19812米)高空長時間停留約65天的平流層飛艇 - HAPS (High Altitude Platform Stations),可用于監測作物狀況、氣候變化和人員運輸。該飛艇還可以改善無人機、飛機、衛星之間的通信鏈接,并擴展寬帶。
      三年來,Sceye在新墨西哥州擁有了一席之地,在羅斯韋爾和莫里亞蒂兩個機場進行了大部分創新技術的研發。該公司現在已決定將其生產基地也設在新墨西哥州。
       Sceye公司開發了最先進的超輕高強囊體材料,與其它飛艇使用的材料相比,通過采用耐候層的先進層壓技術實現了重量的極大減輕,氣密性提高1500倍,同時具有抗紫外線和臭氧功能。
      儲能系統采用了先進的鋰硫電池,能量密度超過400瓦時/千克,比最好的電動汽車提高2倍以上的能量密度。太陽能電池采用了減重85%的銅銦鎵硒電池和減重50%的砷化鎵電池。飛艇白天由太陽能供電,晚上由鋰硫電池供電。

圖2  美國sceye公司飛艇出庫情況
     據Sceye公司官網報道,該公司的平流層飛艇2021年開展了兩次高空飛行試驗。
2021年5月19日星期三上午11點20分在羅斯韋爾發放升空,并于當天下午1點30分安全著陸。為了確定其系統的數據連接范圍,該公司進行了測試。標準LTE技術允許的范圍為100公里;Sceye的系統在LTE OpenRAN架構的基礎上增加了40公里,創造了新的紀錄。Sceye的組合技術為“真正的公平接入”開辟了一條新的道路,它可以為27000平方英里區域內的所有固定和移動用戶提供高速寬帶。
      2021年10月30日,Sceye公司的無人平流層平臺于上午8:55從新墨西哥州發放,并于下午1:05安全著陸。這次推出的是Sceye測試計劃的一部分,該計劃旨在將高速互聯網服務擴展到未服務和服務不足的人群中以達到跨越數字鴻溝的目的。Sceye正在為其客戶進行這些演示,其中包括世界上最大的私營電信運營商之一,新墨西哥州經濟發展部(EDD)和一個專注于在納瓦霍部落提供100%寬帶連接的電信運營商聯盟。

     Sceye首席執行官兼創始人維斯特加德說:“我們已經達到了另一個里程碑,證明寬帶互聯網連接是可能的。隨著今天連接的實現,我們有信心可以利用我們的高度和遠程擴展能力使寬帶服務覆蓋到服務不足的地區。”演示證明系統和基礎設施已就緒,并已證明HAPS能夠成功連接到地面設備。這是首個采用3D波束形成技術的有源陣列天線,它可以直接從平流層連接到地面上的智能手機。在飛行過程中,該公司進行了一輪測試,以改善其系統的數據連接范圍。標準的LTE技術允許射程為100公里。Sceye的系統已經超過了這一標準,成功連接到了140公里外的直升機上。由于獨特的低壓低溫環境,從平流層成功地重復遠程測試是非常重要的。
    雖然沒有提具體的飛行高度,但從視頻中的地球曲率看,應該是達到了接近20km的高度。
     Sceye還與美國環境保護署(EPA)、EDD和新墨西哥州環境部合作,對新墨西哥州的空氣質量進行了為期五年的監測研究。Sceye公司的HAPS將以1-2米的分辨率跟蹤甲烷排放,使它們能夠確定污染水平,并確定排放者的精確位置。
     sceye公司的HAPS平流層飛艇采用了大量先進技術,并在國際上、甚至在中囯專利局都申請了諸多專利,其中主要是在平流層飛艇的囊體材料、儲能電池和總體結構設計等方面。

   其中有一條專利受到業內人士關注——平流層飛艇總體設計方面獨創的束帶式艇體結構。(專利名稱:《圍繞艇體固定有束帶結構的飛艇構造和方法》中國專利號:CN 109890698 A  申請公布日:2019.06.14)
     該專利主要的發明特點是:采用一種用碳纖維制成的束帶組成兜狀圍繞充氣的飛艇囊體掛帶太陽能電池以及飛艇動力系統支架等飛艇外掛組件。當飛艇氣囊放氣收縮時可以將氣囊與兜狀束帶以及掛帶的太陽能電池和其他外掛組件脫離。而裝載束帶時只需將束帶套上氣囊并將氣囊充滿氣體即可。通俗的比方就如戰術馬甲一樣可以進行方便的穿卸。這種方法便于飛艇的組裝集成。同時束帶還可以部分增強飛艇囊體的強度。飛艇上的電纜也可以嵌入進束帶集成走線并在束帶上預留插接座。
圖3 束帶組成的兜狀物件
圖3中,12為太陽能電池、8為束帶、10為動力支架。
      圍繞艇體的束帶結構用來搭載太陽能電池、儲能電池、螺旋槳發動機和電子設備吊艙等,以免上述負載直接連接到囊體上,在飛行擾動下造成艇體局部應力過大,產生囊體破損,導致氦氣泄漏的風險。因此,束帶結構沒有延伸穿過艇體材料,而只是鄰接艇體的外側。
     束帶結構包括可彎曲環帶,其圍繞艇體并圍繞縱軸延伸成環。該環帶設置距離前端一定距離處,例如相當于艇體的總長度的25%到50%之間,此長度沿縱軸測量。
     根據其專利權要求所述的飛艇,其特征在于,所述束帶結構(3)的可彎曲材料為包括紗線的紡織材料,其中電導體設置為所述紡織材料的一部分,電導體為與紗線交織或針織或刺繡在紡織材料中的導線;織物包括接觸位置,在接觸位置存在導線和電池或太陽能電池或發動機之間的電連接,其中在所述位置,導線局部地延伸出織物之外;所述導體(13)被印制或層壓在所述束帶結構的可彎曲材料上。
      由于在sceye公司的放飛試驗飛艇照片以及錄像上目前尚未看到有束帶組成的兜狀物件,所以該發明有可能是sceye飛艇系統總體設計時的方案之一;但從系統總體頂層設計的角度,艇體結構設計的好壞,直接影響飛艇在平流層長時駐空飛行的性能和應對4個平衡(溫壓平衡、浮重平衡、推阻平衡、能源平衡)的能力。


   圖5 安裝在束帶上的動力支架
圖6 嵌入束帶的電纜線            
       對該專利分析可以得出,該束帶的結構雖然設計獨特,巧妙新穎實用性強,但其弊端也較明顯,即要求軟式飛艇將一直處于較大的飛艇內外正壓差之下,在零壓差或負壓差下束帶不但不起作用反而會起到反作用,軟束帶支撐不起來附在上面的設備,束帶內部的電源線也將會被撕裂。關于飛艇的構造存在多種方案。進入21世紀的大型飛艇發展基本形成了2條明確的技術路線。一是球式一次性非保形單囊體飛艇;二是往返式成形多囊體飛艇。由于平流層飛艇是浮空器十飛行器的組合,分別遵循空氣靜力學原理和空氣動力學原理;因此前者可以看作以浮空器作為抓手,后者可以看作以飛行器作為抓手,帶動平流層飛艇發展的不同技術路線。sceye飛艇采用的束帶式艇體結構設計較好地解決了飛艇載荷合理布局問題,同時又便于工裝集成,不失為一個好的創意構思方案。
 
參考文獻:      
        文史高科:美國Sceye公司的平流層飛艇取得進展,并在中國申請多項專利

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