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無人機(jī)整機(jī)
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無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具小型固定翼無人機(jī)通常是由電池驅(qū)動的，航時(shí)僅為一兩個小時(shí)。開發(fā)者正努力尋找使用混合動力系統(tǒng)使無人機(jī)航時(shí)延長的方案，通過其他能源形式和電池為無人機(jī)提供動力。
一、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室資助的相關(guān)研究
2017年8月，洛克希德?馬丁贏得了美國空軍330萬美元的小型無人機(jī)的能源創(chuàng)新合同。雖然沒有發(fā)布合同細(xì)節(jié)，但該公司將在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的小型無人可持續(xù)能源飛機(jī)（SURGE-V）項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)上開展工作。
SURGE-V的意圖是開發(fā)使用燃料電池的可持續(xù)飛行4小時(shí)的單人便攜無人機(jī)。這項(xiàng)工作推動了技術(shù)的進(jìn)步，要求燃料電池和飛機(jī)能夠兼容。小型飛機(jī)的能源創(chuàng)新項(xiàng)目的目標(biāo)能力沒有宣布，但應(yīng)該比之前的目標(biāo)高得多。
洛馬已經(jīng)將部分研究成果融入產(chǎn)品中。該公司無人機(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理史蒂夫?福特森稱最新版的沙漠鷹小型無人機(jī)使用多種能源。包括電池或燃料電池，可將太陽能電池安在機(jī)翼上，無人機(jī)采用模塊化架構(gòu)，應(yīng)用了混合動力管理系統(tǒng)來使飛機(jī)可使用多種電壓的能源。
如果無人機(jī)的主要需求是載荷功能性（例如更大的攝像頭），那么可減少能源組件，利用節(jié)省的空間和載重來增加載荷，但理想情況是可無限留空的小型無人機(jī)。福特森說最終目標(biāo)是使小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)使用機(jī)載可充電能源實(shí)現(xiàn)持續(xù)留空從而不必總是因?yàn)槟芰坎蛔愣德?，但是距離這個目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還有一段距離。
二、海軍研究實(shí)驗(yàn)室開展的相關(guān)研究
空軍研究實(shí)驗(yàn)室與洛馬合作的同時(shí)，海軍研究實(shí)驗(yàn)室也在與多個供應(yīng)商合作開發(fā)使用多能源無人機(jī)的項(xiàng)目。
海軍研究實(shí)驗(yàn)室的一位航宇工程師丹?愛德華茲說，其太陽能滑翔無人機(jī)項(xiàng)目正與多個光伏技術(shù)供應(yīng)商合作來研究性能和能源整合。已經(jīng)將不同光伏陣列的電能整合至同一個機(jī)翼平面。一個版本的無人機(jī)使用SolAero技術(shù)公司的倒置變形多節(jié)（IMM）光伏電池。該公司稱此種光伏電池重量輕，效率高，機(jī)械彈性比目前主流的硅晶體光伏電池好。電池覆蓋在曲面機(jī)翼上與驗(yàn)證機(jī)的機(jī)翼碳纖維材料結(jié)合起來。
海軍研究實(shí)驗(yàn)室也正在測試SunPower和AltaDevices公司的太陽能電池。在對后者進(jìn)行測試的過程中，發(fā)現(xiàn)在陽光充足情況下使用光伏電池巡航可以完全不用電池內(nèi)的電能。但這只適用于飛行的部分階段。太陽能不能完全取代電池，但是愛德華茲相信海軍研究實(shí)驗(yàn)室的努力擴(kuò)展了太陽能電池的使用范圍。在項(xiàng)目初始階段，商用飛機(jī)不適用于現(xiàn)在正在開展的研究，研究興趣主要集中在學(xué)術(shù)和工業(yè)級無人機(jī)上。但是海軍研究實(shí)驗(yàn)室的努力拓寬了應(yīng)用范圍。愛德華茲稱，最終，多種太陽能技術(shù)就被采用，因?yàn)轱w行高度不同的無人機(jī)對太陽能輻射能力的需求是不一樣的。
太陽能滑翔無人機(jī)項(xiàng)目同樣使用軟件來提升利用自然升流的效率。這得益于海軍研究實(shí)驗(yàn)室的ALOFT（自動熱流定位）項(xiàng)目，該項(xiàng)目使pv-SBXC滑翔機(jī)能夠自動定位大氣中的熱流從而提高滑翔時(shí)間，可完全不適用動力留空數(shù)小時(shí)。
海軍研究實(shí)驗(yàn)室正在對PV-SBXC滑翔無人機(jī)機(jī)翼上安裝的不同制造商的光伏電池進(jìn)行測試。
愛德華茲稱，其飛行記錄是在起飛達(dá)到100米高度后滑行了5.2小時(shí)。如果沒有使用自主滑翔的能力，飛行可能3分鐘就結(jié)束了。海軍研究實(shí)驗(yàn)室希望與工業(yè)界合作利用自主滑翔的算法，同時(shí)也正在將該技術(shù)整合至太陽能無人機(jī)中，但是在開始階段可能整合工作有一定難度，因?yàn)樽灾骰杷惴ㄊ癸w機(jī)頻繁傾斜，降低吸收太陽能的效率。愛德華茲說，當(dāng)飛機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，其機(jī)翼上的太陽能陣列對太陽能的吸收角度變差，或可能被遮蔽了，降低了能量獲取。但是，我們的研究表明，自主滑翔能力可提供的能力高于太陽能吸收不利帶來的損失。
同時(shí)，當(dāng)無人機(jī)通過自主滑翔獲得了足夠的飛行高度后，可通過自由滑翔吸收大量太陽能，直至無人機(jī)下降至墜毀高度。太陽能和自主滑翔的組合優(yōu)于使用單一技術(shù)。愛德華茲稱使用太陽能-自主滑翔組合的無人機(jī)真的可以從早飛到晚，海軍實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)數(shù)次驗(yàn)證過了。
目前，該研究項(xiàng)目在開放海域上進(jìn)行。在開放海域，信天翁、軍艦鳥等可滑翔數(shù)月。目前已經(jīng)在大西洋上進(jìn)行了試飛，明年可在太平洋和大西洋上進(jìn)行長航時(shí)試飛。
除了太陽能和自主滑翔能力，海軍研究實(shí)驗(yàn)室也在推進(jìn)燃料電池的研究。新的混合動力老虎小型無人機(jī)是之前的離子老虎的后繼機(jī)型，離子老虎的航時(shí)記錄是48小時(shí)，使用高能量燃料電池和輕量化的儲氫裝置?；旌蟿恿匣o人機(jī)將結(jié)合燃料電池和日間太陽能動力儲存，以及自主滑翔算法使航時(shí)達(dá)到3.5天。
混合動力老虎無人機(jī)將在原35磅重的離子老虎無人機(jī)上增加太陽能和滑翔能力，原老虎無人機(jī)使用氫燃料電池可飛行48小時(shí)。
三、未來前景
上述項(xiàng)目表明了技術(shù)的組合將比單一技術(shù)更加有效地延長小型無人機(jī)的航時(shí)。有利于傳統(tǒng)的無人機(jī)使命，例如通信中繼、大范圍勘察、海洋監(jiān)視等。數(shù)架使用混合動力技術(shù)的無人機(jī)將以遠(yuǎn)低于之前的成本實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋。這些技術(shù)也可使巡飛彈的任務(wù)時(shí)間和任務(wù)范圍增加。這些技術(shù)也可在未來數(shù)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的永久飛行。
資源占用相對較低以及技術(shù)的快速商業(yè)化不止可使其他國家，也可使非政府機(jī)構(gòu)使用上這些技術(shù)。伊斯蘭國曾經(jīng)在敘利亞和伊拉克使用了大量消費(fèi)級無人機(jī)，相當(dāng)精確地投下了40毫米手榴彈。令人吃驚的是近期發(fā)現(xiàn)恐怖組織正向其固定翼和旋翼無人機(jī)上適配太陽能電池。雖然他們難以達(dá)成這些領(lǐng)域的最高技術(shù)水平，但這也表明他們對混合動力潛力的認(rèn)可以及在他們的技術(shù)條件允許下必將升級他們的無人機(jī)。提名國防部助理部長的歐文?韋斯特警告稱未來五年內(nèi)恐怖組織將獲得能夠橫跨大西洋打擊美國本土的太陽能無人機(jī)。
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