無(wú)論是輔助農(nóng)業(yè)、檢查、監(jiān)視,還是搜救,無(wú)人機(jī)都有一個(gè)明確的任務(wù)。在沒有飛行路徑或活動(dòng)的情況下,讓無(wú)人機(jī)采用太陽(yáng)能,保持在空中盤旋似乎是愚蠢的。
太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)還沒有證明他們?cè)谟嗅槍?duì)性的演示之外的實(shí)際應(yīng)用能力。監(jiān)測(cè)極地地區(qū)的冰川將成為一個(gè)主要的應(yīng)用,因?yàn)槲缫固?yáng)為永久飛行提供了理想的條件,還有什么比北極更適合測(cè)試新一代太陽(yáng)能飛機(jī)呢?
斯坦福大學(xué)自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 ASL 開發(fā)了一種開創(chuàng)性的太陽(yáng)能動(dòng)力無(wú)人機(jī),AtlantikSolar,能夠飛行好幾天。來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)的冰川學(xué)家們需要無(wú)人機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)格陵蘭島的冰川,需要更多的耐力來(lái)應(yīng)對(duì)巨大的冰川景觀。北極夏季持續(xù)的白晝條件為太陽(yáng)能飛機(jī)提供了潛在的理想條件,這將極大地延長(zhǎng)測(cè)量無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間。
理論上說(shuō)這樣沒問題,但在實(shí)踐中行得通嗎?雖然設(shè)計(jì)這架名為 AtlantikSolar 的無(wú)人機(jī)的最初目的,是確定它是否能無(wú)限期地停留在飛行中,但項(xiàng)目背后的人最終想知道的是:這種永久飛行能力究竟能給世界帶來(lái)什么?這種能力的具體用例是什么,這項(xiàng)技術(shù)有什么功能應(yīng)用嗎?
為了回答這個(gè)問題,自主系統(tǒng)科學(xué)家和冰川學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)名為「Sun2Ice」的合作項(xiàng)目:在午夜太陽(yáng)下,無(wú)人機(jī)在冰川之上飛行。
在惡劣的環(huán)境中駕駛脆弱的無(wú)人機(jī)
Qaanaaq 位于格陵蘭島西北部,北緯 77°,有 600 多位永久居民,周圍全是冰川,飛機(jī)可以直達(dá),有商店,可以租房子,還有網(wǎng)絡(luò),是測(cè)試這個(gè)項(xiàng)目的理想場(chǎng)所。
在 6 月初到達(dá)后不久,團(tuán)隊(duì)不得不面對(duì)第一個(gè)重大問題:去年發(fā)現(xiàn)的著陸點(diǎn)的沙子被冬天的強(qiáng)風(fēng)吹走了。如果沒有光滑的、無(wú)巖石的著陸地點(diǎn),AtlantikSolar 在觸地時(shí)可能會(huì)斷裂,至少會(huì)損壞面向下的攝像機(jī)。
經(jīng)過近一個(gè)星期的手工工作,在卡亞納克的巖石地形上臨時(shí)搭起了一個(gè)安全的著陸跑道。然而另一個(gè)意想不到的障礙出現(xiàn)了:霧開始以一種持續(xù)的方式覆蓋著 Qaanaaq 的天空,其結(jié)果是在幾天內(nèi)只能現(xiàn)將 AtlantikSolar 擱淺。
第一次在北極進(jìn)行太陽(yáng)能飛行
6 月 20 日早晨,天空終于沒有霧了。中午時(shí)分,AtlantikSolar 已經(jīng)盤旋在空中,計(jì)劃在極地地區(qū)進(jìn)行第一次 24 小時(shí)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行。巧合的是,這次著陸應(yīng)該發(fā)生在 6 月 21 日中午左右,這不僅僅是夏至日,也是格陵蘭的國(guó)慶日,這是用太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)所能期待的最好的結(jié)果。意味著 AtlantikSolar 將在 Qaanaaq 全部的人眼前創(chuàng)造一個(gè)記錄,他們已經(jīng)被這架奇怪的飛機(jī)所吸引。
所有的行星都被最佳地對(duì)準(zhǔn)了一個(gè)獨(dú)特的事件,每小時(shí)過去興奮都在上升,咖啡機(jī)正努力保持團(tuán)隊(duì)的溫暖和清醒,持續(xù) 24 小時(shí)。直到凌晨 1 點(diǎn)左右,大霧再次出現(xiàn),團(tuán)隊(duì)不得不在飛行 13 小時(shí)后中斷任務(wù)。
不過沒關(guān)系,盡管在整個(gè)飛行中有 6 小時(shí)的多云和多風(fēng)的情況,導(dǎo)致超過典型的功耗,但電池記錄顯示它們?nèi)匀槐3衷谄淙萘康?60% 以上,這表明即使在持續(xù)的惡劣條件下,飛行時(shí)間也可能達(dá)到 20 小時(shí),并且在不太惡劣的條件下確保超過 24 小時(shí)。
AtlantikSolar 已經(jīng)準(zhǔn)備好飛向冰川。
在去 Bowdoin 冰川的路上
下一個(gè)非霧天有晴空,以及風(fēng)最小的日子是 7 月 3 日。在起飛后 1 小時(shí) 15 分鐘內(nèi),AtlantikSolar 到達(dá)了冰川,并開始了對(duì)冰塊分離前方的攝影測(cè)量。在衛(wèi)星的追蹤下,一切看起來(lái)都很好,直到?jīng)]有預(yù)料到的山谷風(fēng)開始進(jìn)入峽灣。速度高達(dá) 6 米/秒的垂直陣風(fēng)和持續(xù)的尾風(fēng) 15 米/秒,而它的巡航速度只有大約 10 米/秒,盡管有最強(qiáng)的風(fēng),AtlantikSolar 仍然保持住飛行。
5 小時(shí)飛行 230km 之后,它成功地返回了 Qaanaaq,仍然是幾乎電量全滿的狀態(tài)。這最后一次飛行展示了這個(gè)平臺(tái)的潛力,用來(lái)監(jiān)視冰凍圈,這是一個(gè)需要長(zhǎng)期性能和有效載荷能力相結(jié)合的任務(wù)。
如何轉(zhuǎn)化為實(shí)用場(chǎng)景?
ETH 的數(shù)據(jù)為我們提供了該地區(qū)的豐富信息。極地地區(qū)的冰川監(jiān)測(cè)是一個(gè)重要的應(yīng)用,由于太陽(yáng)的夜間可用性允許永久飛行,而這反過來(lái)又能監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)變化。
這已經(jīng)不再是理論了,因?yàn)?AtlantikSolar 能夠在北極 Bowdoin 冰川上定位到一個(gè)大裂縫,然后監(jiān)測(cè)它直到完全崩潰,從而為科學(xué)家提供數(shù)據(jù)和信息,否則將被忽視或收集。
通過不斷的監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)有了極大的增長(zhǎng)。如果這些無(wú)人機(jī)所需的能量是免費(fèi)從太陽(yáng)收集的,那么似乎沒有任何理由反對(duì)這種新型的永續(xù)飛行的方法。
根據(jù) ETH 的說(shuō)法,研究人員在 Bowdoin 冰川有一個(gè)小小的觀察,一個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)集描述了所有的壓裂階段,改善了海平面上升的數(shù)值模擬,這是一個(gè)復(fù)雜而不完全理解的機(jī)制,它在海平面上升中起著重要作用。
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