Прототип AeroVironment Helios

Прототип Гелиоса
	Прототип Гелиоса в полете
Роль	Беспилотный летательный аппарат
Производитель	АэроВиронмент
Первый полет	8 сентября 1999 г.
Статус	Разрушен в 2003 году.
Основной пользователь	NASA ERAST Program
Количество построенных	1
Разработано на основе	NASA Pathfinder, Pathfinder Plus и NASA Centurion

Прототип Helios был четвертым и последним самолетом, разработанным 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 ]} Он был разработан на базе самолетов NASA Pathfinder и NASA Centurion .

Прототип Гелиоса

NASA Centurion был модифицирован в конфигурацию прототипа Helios путем добавления шестой секции крыла длиной 41 фут (12 м) и пятой стойки шасси и систем, став четвертой конфигурацией в серии самолетов-демонстраторов летающего крыла на солнечной энергии, разработанных AeroVironment под руководством проект ЭРАСТ. В более крупном крыле прототипа Гелиоса было размещено больше солнечных батарей, чтобы обеспечить достаточную мощность для последующих исследовательских полетов на солнечной энергии. ^{[ 1 ]} Первый полет самолета состоялся 8 сентября 1999 года. ^{[ 2 ]}

Программа ERAST преследовала две цели при разработке прототипа Helios: 1) устойчивый полет на высоте около 100 000 футов (30 000 м) и 2) продолжительность не менее 24 часов, включая не менее 14 из этих часов на высоте более 50 000 футов (15 000 м). С этой целью прототип Гелиоса можно было настроить двумя разными способами. Первый, получивший обозначение HP01, был ориентирован на достижение высотных целей и питал самолет от батарей и солнечных батарей. Вторая конфигурация, HP03, оптимизировала самолет по продолжительности полета и использовала комбинацию солнечных элементов, аккумуляторных батарей и модифицированной коммерческой системы водородно-воздушных топливных элементов для питания в ночное время. В этой конфигурации количество моторов сократилось с 14 до десяти. ^{[ 3 ]}

Используя традиционный поэтапный или ступенчатый подход к летным испытаниям, прототип Helios впервые совершил серию испытательных полетов с батарейным питанием в конце 1999 года для проверки характеристик более длинного крыла и управляемости самолета. Приборы, которые использовались для последующих высотных и продолжительных полетов на солнечной энергии, также были проверены и откалиброваны во время первых полетов на малой высоте в НАСА Драйден . ^{[ 1 ]}

Описание самолета

Прототип Helios представляет собой сверхлегкий самолет с летающим крылом с размахом крыльев 247 футов (75 м), что больше, чем размах крыльев военного транспорта C-5 ВВС США (222 фута (68 м) или Boeing 747 (195 или 195 м). 224 фута (59 или 68 м), в зависимости от модели), два крупнейших действующих самолета, построенных в Соединенных Штатах. Гелиос с электрическим приводом был построен в основном из композитных материалов, таких как углеродное волокно. , графитовая эпоксидная смола, кевлар , пенопласт и тонкая прозрачная пластиковая обшивка. Основной трубчатый лонжерон крыла был изготовлен из углеродного волокна. Лонжерон, который был толще сверху и снизу, чтобы поглощать постоянные изгибающие движения, возникающие во время полета. также обернут номексом и кевларом для дополнительной прочности. Нервюры крыла также были изготовлены из эпоксидной смолы, а для передней кромки крыла использовался формованный пенополистирол. и прочная прозрачная пластиковая пленка покрывала все крыло. ^{[ 1 ]}

Прототип Helios имел ту же хорду крыла длиной 8 футов (2,4 м) (расстояние от передней до задней кромки), что и его предшественники Pathfinder и Centurion. Размах крыла в 247 футов (75 м) давал прототипу Helios соотношение сторон почти 31 к 1. Толщина крыла была одинаковой от кончика до кончика, 11,5 дюймов (29 см) или 12 процентов хорды, и у него не было конус или развертка . Наружные панели имели встроенный двугранник под углом 10 градусов для придания самолету большей поперечной устойчивости. Небольшой поворот вверх кончиков задней кромки помог предотвратить законцовок крыла срыв при медленных приземлениях и разворотах. Площадь крыла составила 1976 кв. футов (183,6 м ). ²), что давало аппарату максимальную нагрузку на крыло всего 0,81 фунта/кв. футов при полете с полной массой 1600 фунтов. ^{[ 1 ]}

Цельноплановый самолет был собран из шести секций, каждая длиной около 41 фута (12 м). К каждому стыку панели была прикреплена подкрыльевая подвеска, в которой размещались шасси, аккумуляторная система питания, компьютеры управления полетом и приборы обработки данных. Пять отсеков аэродинамической формы были изготовлены в основном из тех же материалов, что и само крыло, за исключением прозрачной обшивки крыла. Два колеса на каждой капсуле составляли фиксированное шасси: прочные колеса для горного велосипеда сзади и меньшие колеса для самоката спереди. ^{[ 1 ]}

Единственными поверхностями управления полетом, использовавшимися на прототипе Гелиоса, были 72 высоты задних руля , которые обеспечивали управление тангажем. Они охватывали все крыло и приводились в действие крошечными серводвигателями, связанными с компьютером управления полетом самолета. Чтобы развернуть самолет в полете, было применено управление рысканием с использованием дифференциальной мощности двигателей — увеличение скорости двигателей на одной внешней панели крыла и замедление двигателей на другой внешней панели. Основным испытанием во время первой серии полетов была оценка дифференциальной мощности двигателя как средства управления по тангажу. Во время обычного полета внешние панели крыла Гелиоса были выгнуты вверх и придавали самолету форму неглубокого полумесяца, если смотреть спереди или сзади. В этой конфигурации двигатели на внешних панелях крыла располагались выше, чем двигатели на центральных панелях. Ускорение двигателей внешней панели привело к тому, что самолет упал и начал снижение. И наоборот, подача дополнительной мощности на двигатели в центральных панелях заставила Гелиос наклониться и начать набор высоты. ^{[ 1 ]}

С 2000 по 2001 год HP01 получил ряд обновлений, включая новую авионику, высотные системы экологического контроля и солнечную батарею SunPower, состоящую из более чем 62 000 солнечных элементов, установленных на верхней поверхности крыла. ^{[ 3 ]} Эти элементы имели конструкцию с задним контактом, в которой провода располагались на нижней стороне ячеек, чтобы не препятствовать воздействию на ячейки солнечного излучения .

Рекорды

13 августа 2001 г. ^{[ 1 ]} Прототип Гелиоса, дистанционно пилотируемый Грегом Кендаллом, достиг высоты 96 863 футов (29 524 м), что является мировым рекордом по продолжительному горизонтальному полету крылатого самолета. ^{[ 4 ]} Достигнутая высота была более чем на 11 000 футов (3400 м) — или более чем на 2 мили (3,2 км) — выше предыдущего рекорда высоты для продолжительного полета крылатого самолета. Кроме того, самолет провел более 40 минут на высоте 96 000 футов (29 000 м). ^{[ 1 ]}

Крушение

26 июня 2003 года прототип Гелиоса разбился и упал в Тихий океан примерно в десяти милях (16 км) к западу от гавайского острова Кауаи во время полета для проверки дистанционно пилотируемых систем в рамках подготовки к испытаниям на выносливость, запланированным на следующий месяц. ^{[ 5 ]}

Утром в день катастрофы прогнозы погоды показали, что условия находятся в пределах допустимого диапазона, хотя во время предполетной проверки годности/неудачности синоптик дал ей «очень незначительную оценку ДА». Одной из основных проблем была пара зон сдвига ветра у побережья острова. После задержки взлета из-за того, что ветер не изменился, как прогнозировалось, Гелиос провел больше времени, чем ожидалось, пролетая через зону низкой турбулентности на подветренной стороне Кауаи, поскольку он набирал высоту медленнее, чем обычно, поскольку ему пришлось бороться с тенями облаков и, как следствие, с сокращением солнечной энергии.

Когда самолет набрал высоту 2800 футов (850 м) за 30 минут полета, согласно последующему отчету о расследовании происшествия, «самолет столкнулся с турбулентностью и принял неожиданную, постоянную конфигурацию с высоким двугранным углом. , самолет стал нестабильным в режиме сильного отклонения по тангажу, при котором отклонения воздушной скорости от номинальной скорости полета увеличивались примерно вдвое за каждый цикл колебаний . Это усугубилось, когда пилот отключил контур удержания воздушной скорости вместо того, чтобы выполнить правильную аварийную процедуру и увеличить коэффициент усиления контура удержания воздушной скорости. Впоследствии расчетная воздушная скорость самолета была превышена, и возникшее в результате высокое динамическое давление вызвало повреждение вторичной конструкции передней кромки крыла на внешних панелях крыла. вышел из строя, солнечные элементы и обшивка на верхней поверхности крыла оторвались. Самолет врезался в океан в пределах испытательного полигона Тихоокеанского ракетного полигона и был разрушен. Большая часть конструкции транспортного средства была восстановлена, за исключением блока водородно-воздушных топливных элементов и двух из десяти двигателей, которые затонули в океане». ^{[ 3 ]}

В отчете о расследовании указана основная причина аварии, состоящая из двух частей:

«Отсутствие адекватных методов анализа привело к неточной оценке рисков последствий изменений конфигурации, что привело к неправильному решению использовать конфигурацию самолета, очень чувствительную к возмущениям».
«Изменения конфигурации самолета, вызванные программными и технологическими ограничениями, превратили самолет из погрузчика в самолет с высокой точечной нагрузкой на ту же конструкцию, что значительно снизило надежность конструкции и запас безопасности». ^{[ 3 ]}

Технические характеристики

Технические характеристики ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}
	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, футы (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	?	18.5
Дополнительная мощность	батарейки	батарейки	батарейки	литиевые батареи	Литиевые батареи, топливные элементы

См. также

На кадрах видно, как Гелиос находится в воздухе.

История беспилотных летательных аппаратов
Электрический самолет
Регенеративный топливный элемент
НАСА Pathfinder (первый полет состоялся в июне 1983 г.)
НАСА Центурион (первый полет 10 ноября 1998 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, первоначально взятый 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 .

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Информационный бюллетень НАСА Армстронг: Прототип Гелиоса
^ Информационный бюллетень о прототипе Гелиоса - старое издание; заархивировано на archive.org
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Расследование аварии прототипа самолета Helios - Том 1, TE Noll et al., Январь 2004 г.
^ «Мировые рекорды авиации и космонавтики» . Международная авиационная федерация. Архивировано из оригинала 16 октября 2013 года . Проверено 14 октября 2013 г.
^ «Прототип солнечного самолета Helios, потерянный во время полета» , ScienceDaily , 1 июля 2003 г., по состоянию на 8 сентября 2003 г.
^ Информационный бюллетень NASA Pathfinder, заархивировано на archive.org.
^ Информационный бюллетень NASA Centurion, заархивированный на archive.org.

«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 ^г ^час ^я ^дж Информационный бюллетень НАСА Армстронг: Прототип Гелиоса

[heliosfactold-2] Информационный бюллетень о прототипе Гелиоса - старое издание; заархивировано на archive.org

[mishapreport-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Расследование аварии прототипа самолета Helios - Том 1, TE Noll et al., Январь 2004 г.

[4] «Мировые рекорды авиации и космонавтики» . Международная авиационная федерация. Архивировано из оригинала 16 октября 2013 года . Проверено 14 октября 2013 г.

[5] «Прототип солнечного самолета Helios, потерянный во время полета» , ScienceDaily , 1 июля 2003 г., по состоянию на 8 сентября 2003 г.

[pathfinderfactold2-6] Информационный бюллетень NASA Pathfinder, заархивировано на archive.org.

[centurionfactold2-7] Информационный бюллетень NASA Centurion, заархивированный на archive.org.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]