НАСА Следопыт

Следопыт ; Следопыт Плюс
	Pathfinder в полете над Гавайями
Роль	Дистанционно управляемый БПЛА
Производитель	АэроВиронмент
Основной пользователь	NASA ERAST Program
Количество построенных	1
Развитый в	НАСА Центурион ; НАСА Гелиос

NASA Pathfinder и NASA Pathfinder Plus были первыми двумя самолетами, разработанными как часть эволюционной серии солнечных батареях и топливных элементах работающих на беспилотных летательных аппаратов, . Компания AeroVironment, Inc. разработала транспортные средства в рамках программы НАСА по исследованию окружающей среды в области самолетов и сенсорных технологий (ERAST). Они были построены для разработки технологий, которые позволили бы долгосрочным высотным самолетам служить в качестве атмосферных спутников , выполнять задачи по исследованию атмосферы, а также служить платформами связи. ^{[ 1 ]} Они получили дальнейшее развитие в самолетах NASA Centurion и NASA Helios .

Следопыт

AeroVironment начала разработку полномасштабных самолетов на солнечной энергии с помощью транспортных средств Gossamer Penguin и Solar Challenger в конце 1970-х и начале 1980-х годов, после новаторской работы Роберта Баучера , который построил первые летающие модели на солнечной энергии в 1974 году. В рамках программы ERAST компания AeroVironment построила четыре поколения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) длительного действия под руководством Рэя Моргана, первого из которых был Pathfinder.

Разработка

В 1983 году AeroVironment получила финансирование от неустановленного правительственного агентства США для тайного исследования концепции БПЛА, получившей название «High Altitude Solar» или HALSOL. Прототип HALSOL впервые поднялся в воздух в июне 1983 года. Девять полетов HALSOL состоялись в Грум-Лейк в Неваде. Полеты проводились с использованием радиоуправления и питания от аккумуляторов, поскольку самолет не был оснащен солнечными батареями. Аэродинамика HALSOL была подтверждена, но исследование привело к выводу, что ни фотоэлектрический элемент, ни технология хранения энергии не были достаточно развиты, чтобы сделать эту идею практичной на данный момент, и поэтому HALSOL был отправлен на хранение. ^{[ 2 ]}

В 1993 году, после десяти лет хранения, самолет был возвращен в полетный режим для выполнения короткого задания Организацией по защите от баллистических ракет (BMDO). С добавлением небольших солнечных батарей осенью 1993 года и в начале 1994 года в рамках программы BMDO в НАСА Драйден было выполнено пять проверочных полетов на малой высоте с использованием комбинации солнечной и аккумуляторной энергии. ^{[ 3 ]}

В 1994 году самолет был передан в программу НАСА ERAST по разработке технологии самолетов на научной платформе. Его переименовали в «Следопыт», потому что он был «буквально первооткрывателем будущего парка самолетов на солнечных батареях, которые могли оставаться в воздухе неделями или месяцами, выполняя научные миссии по отбору проб и визуализации». ^{[ 3 ]} Была запланирована серия полетов, чтобы продемонстрировать, что чрезвычайно легкая и хрупкая конструкция самолета с очень большим удлинением (соотношением размаха крыла к хорде крыла) может успешно взлетать и приземляться с аэродрома, а также подниматься на чрезвычайно высокие высоты. высоты (от 50 000 футов (15 000 м) до 80 000 футов (24 000 м)) и приводятся в движение силой Солнца. Кроме того, проект ERAST также хотел определить возможность использования такого БПЛА для перевозки инструментов, используемых в различных научных исследованиях. ^{[ 4 ]}

21 октября 1995 года хрупкость самолета была наглядно продемонстрирована, когда он был серьезно поврежден в результате аварии в ангаре, но впоследствии был восстановлен. ^{[ 4 ]}

Описание самолета

Pathfinder был оснащен восемью электродвигателями (позже их число сократилось до шести), которые сначала питались от аккумуляторов. Размах крыла составлял 98,4 фута (30,0 м). Две подкрыльевые капсулы содержат шасси, аккумуляторы, приборную систему с тройным резервированием и компьютеры управления полетом с двойным резервированием. К тому времени, когда самолет был принят в проект ERAST в конце 1993 года, к нему добавлялись солнечные элементы, в конечном итоге закрывающие всю верхнюю поверхность крыла. ^{[ 1 ]} Солнечные батареи обеспечивают питание электродвигателей самолета, авионики, средств связи и других электронных систем. У Pathfinder также была система резервных батарей, которая могла обеспечивать питание от двух до пяти часов, что позволяло летать ограниченной продолжительности после наступления темноты. ^{[ 3 ]}

Pathfinder летает со скоростью всего от 15 миль в час (24 км/ч) до 25 миль в час (40 км/ч). Управление по тангажу осуществляется с помощью крошечных рулей высоты на задней кромке крыла. Управление поворотом и рысканьем осуществляется за счет замедления или ускорения двигателей на внешних секциях крыла. ^{[ 3 ]}

Летные испытания и рекорды

Основная научная деятельность миссий Pathfinder включала определение состояния питательных веществ в лесах, возобновление роста лесов после ущерба, причиненного ураганом Иники в 1992 году, концентрацию отложений/водорослей в прибрежных водах и оценку состояния коралловых рифов. Научная деятельность координируется Исследовательским центром Эймса НАСА и включает исследователей Гавайского университета и Калифорнийского университета . В полете Pathfinder были испытаны два научных прибора, разработанных ERAST: цифровой сканирующий интерферометр с высоким спектральным разрешением (DASI) и бортовая система визуализации в реальном времени с высоким пространственным разрешением (ARTIS), оба разработанные в Эймсе. Эти полеты проводились на высоте от 22 000 футов (6700 м) до 49 000 футов (15 000 м) в 1997 году. ^{[ 3 ]}

11 сентября 1995 года Pathfinder установил неофициальный рекорд высоты для самолетов на солнечных батареях - 50 000 футов (15 000 м) во время 12-часового полета из НАСА Драйден . ^{[ 1 ]}^{[ 4 ]} Этот и последующие рекорды, заявленные НАСА для Pathfinder, остаются неофициальными, поскольку они не были подтверждены FAI , международно признанным органом, санкционирующим мировые авиационные рекорды. Национальная аэронавтическая ассоциация вручила команде ERAST, работающей в НАСА, награду за один из «10 самых памятных рекордных полетов» 1995 года. ^{[ 3 ]}

После дальнейших модификаций самолет был переведен на США ВМС Тихоокеанский ракетный полигон (PMRF) на гавайском острове Кауаи . Во время одного из семи полетов весной и летом 1997 года Pathfinder поднял рекорд высоты для самолетов на солнечных батареях, а также для винтовых самолетов, до 71 530 футов (21 800 м) 7 июля 1997 года. Во время этих полетов Pathfinder имел два легких прибора для визуализации, чтобы узнать больше о наземных и прибрежных экосистемах острова, демонстрируя потенциал таких самолетов в качестве платформ для научных исследований. ^{[ 1 ]}

Следопыт-Плюс

В 1998 году Pathfinder был модифицирован в конфигурацию Pathfinder-Plus с более длинным крылом. В нем использовались четыре из пяти секций оригинального крыла Pathfinder, но они были заменены новой центральной секцией длиной 44 фута (13 м), которая включала в себя высотный профиль, разработанный для последующего Centurion/Helios. Новая секция была вдвое длиннее исходной и увеличила общий размах крыла корабля с 98,4 футов (30,0 м) до 121 фута (37 м). Новую центральную часть увенчали более эффективные кремниевые солнечные элементы, разработанные корпорацией SunPower Corporation из Саннивейла, Калифорния , которые могли преобразовывать почти 19 процентов получаемой солнечной энергии в полезную электрическую энергию для питания двигателей корабля, авионики и систем связи. Это по сравнению с эффективностью около 14 процентов у старых солнечных батарей, которые покрывают большую часть поверхности средних и внешних панелей крыла оригинального Pathfinder. Максимальная потенциальная мощность была увеличена с примерно 7500 Вт у Pathfinder до примерно 12 500 Вт у Pathfinder-Plus. Количество электродвигателей было увеличено до восьми, причем в качестве моторов использовались более мощные агрегаты, предназначенные для самолетов последующих поколений. ^{[ 3 ]}

В ходе опытно-конструкторских полетов Pathfinder-Plus, проведенных в PMRF летом 1998 года, были проверены силовые, аэродинамические и системные технологии его преемника Centurion. 6 августа 1998 года Pathfinder-Plus, пилотируемый Дереком Лисоски, доказал свою конструкцию, подняв национальный рекорд высоты до 80 201 фута (24 445 м) для самолетов с солнечными и винтовыми двигателями. ^{[ 1 ]}^{[ 5 ]}

Испытания спутников в атмосфере

В июле 2002 года Pathfinder-Plus нес коммерческое ретрансляционное оборудование, разработанное Skytower, Inc., дочерней компанией AeroVironment , для испытания использования самолета в качестве платформы вещания. Skytower в партнерстве с НАСА и Министерством телекоммуникаций Японии протестировала концепцию « атмосферного спутника », успешно используя самолет для передачи как сигнала HDTV , так и IMT-2000 сигнала беспроводной связи с высоты 65 000 футов (20 000 м). , что дает самолету эквивалент передатчика высотой 12 миль (19 км). Из-за большого угла обзора самолета передача использовала только один ватт мощности, или 1/10 000 мощности, необходимой наземной вышке для передачи того же сигнала. ^{[ 6 ]} По словам Стюарта Хиндла, вице-президента по стратегии и развитию бизнеса SkyTower, «платформы SkyTower по сути представляют собой геостационарные спутники без временной задержки». Кроме того, Хиндл сказал, что такие платформы, летающие в стратосфере, в отличие от реальных спутников, могут достичь гораздо более высокого уровня использования частот. «Одна платформа SkyTower может обеспечить более чем в 1000 раз большую пропускную способность локального фиксированного широкополосного доступа, чем геостационарный спутник, использующий ту же полосу частот, в пересчете на байты в секунду на квадратную милю». ^{[ 7 ]}

Рэй Морган, президент AeroVironment, описал эту концепцию так: «То, что мы пытаемся сделать, — это создать то, что мы называем «атмосферным спутником», который работает и выполняет многие функции, которые спутник мог бы выполнять в космосе, но это очень близко, в атмосфере" ^{[ 8 ]}

Технические характеристики

Технические характеристики ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}
	Следопыт	Следопыт-Плюс	Центурион	Гелиос HP01	Гелиос HP03
Длина фут(м)	12 (3.6)	12 (3.6)	12 (3.6)	12 (3.6)	16.5 (5.0)
Хорда фут(м)	8 (2.4)
Размах крыльев, фут(м)	98.4 (29.5)	121 (36.3)	206 (61.8)	247 (75.3)
Соотношение сторон	12 к 1	15 к 1	26 к 1	30,9 к 1
Коэффициент планирования	18 к 1	21 к 1	?	?	?
Скорость полета узлов (км/ч)			15–18 (27–33)	16.5–23.5 (30.6–43.5)	?
Максимальная высота, футы (м)	71,530 (21,802)	80,201 (24,445)	н/д	96,863 (29,523)	65,000 (19,812)
Пустой вес, фунт (кг)	?	?	?	1,322 (600)	?
Макс. вес фунт (кг)	560 (252)	700 (315)	±1,900 (±862)	2,048 (929)	2,320 (1,052)
Полезная нагрузка фунт (кг)	100 (45)	150 (67,5)	100–600 (45–270)	726 (329)	?
Двигатели	электрические, по 2 л.с. (1,5 кВт) каждый
Количество двигателей	6	8	14	14	10
Мощность солнечной энергии (кВт)	7.5	12.5	31	35	18.5
Дополнительная мощность	батарейки	батарейки	батарейки	литиевые батареи	Литиевые батареи, топливные элементы

См. также

Электрический самолет
История беспилотных летательных аппаратов
Регенеративный топливный элемент
НАСА Центурион (первый полет 10 ноября 1998 г.)
НАСА/AeroVironment Прототип Helios (первый полет 8 сентября 1999 г.)
QinetiQ/ Airbus Zephyr (первый полет в 2008 г.)
Facebook Aquila (первый полет 28 июня 2016 г.)
SoftBank/AeroVironment HAPSMobile (первый полет 11 сентября 2019 г.)
BAE Systems PHASA-35 (первый полет 17 февраля 2020 г.)

Ссылки

Эта статья содержит материал, который изначально взят из веб-статьи Грега Гебеля «Беспилотные летательные аппараты» , которая находится в открытом доступе. Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .

«Фотоэлектрическая утонченность: лучшие солнечные элементы - с проводами, где не светит солнце», статья Дэниела Чо на тридцать третьей странице сентябрьского номера журнала Scientific American за 2003 год.

Внешние ссылки

[heliosfact-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Информационный бюллетень НАСА Армстронг: прототип Гелиоса» . НАСА . 13 августа 2015 г. Архивировано из оригинала 19 апреля 2023 г.

[goebel12-2] Гебель, Грег, «Предыстория БПЛА Endurance», Беспилотные летательные аппараты , глава 12. Существует в свободном доступе. Архивировано 11 февраля 2009 г. в Wayback Machine.

[pathfinderfactold2-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Информационный бюллетень NASA Pathfinder, заархивировано на archive.org.

[pathfinderfactold-4] Jump up to: ^а ^б ^с Информационный бюллетень NASA Pathfinder, заархивировано на archive.org.

[5] База данных записей NAA. Архивировано 12 февраля 2012 г. в Wayback Machine.

[skytower1-6] «SkyTower успешно тестирует первые в мире коммерческие телекоммуникационные приложения на высоте более 65 000 футов (20 000 м) в стратосфере», Ewire , 22 июля 2002 г., по состоянию на 11 сентября 2008 г. Архивировано 20 ноября 2006 г., archive.today .

[spacecom1-7] Дэвид, Леонард, «Стратосферная платформа служит спутником» Space.com, 24 июля 2002 г., по состоянию на 11 сентября 2008 г. Архивировано 15 мая 2008 г., на Wayback Machine.

[cnn1-8] Кнапп, Дон. «Атмосферные спутники могут сократить стоимость связи», CNN, 11 августа 1998 г., по состоянию на 13 сентября 2008 г.

[mishapreport-9] Расследование аварии прототипа самолета Helios - Том 1, TE Noll et al., Январь 2004 г.

[centurionfactold2-10] Информационный бюллетень NASA Centurion, заархивированный на archive.org.

[11] NASA.gov

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]