美国Sceye公司的平流层飞艇进展

2022-03-15 13:14:48

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     Sceye成立于2014年。2019年1月,全球公共卫生公司和LifeStraw的前首席执行官维斯特加德从这两家公司离职,加入Sceye专门负责HAPS业务拓展。
      Sceye公司目前致力于开发可在65000英尺(19812米)高空长时间停留约65天的平流层飞艇 - HAPS (High Altitude Platform Stations),可用于监测作物状况、气候变化和人员运输。该飞艇还可以改善无人机、飞机、卫星之间的通信链接,并扩展宽带。
      三年来,Sceye在新墨西哥州拥有了一席之地,在罗斯韦尔和莫里亚蒂两个机场进行了大部分创新技术的研发。该公司现在已决定将其生产基地也设在新墨西哥州。
       Sceye公司开发了最先进的超轻高强囊体材料,与其它飞艇使用的材料相比,通过采用耐候层的先进层压技术实现了重量的极大减轻,气密性提高1500倍,同时具有抗紫外线和臭氧功能。
      储能系统采用了先进的锂硫电池,能量密度超过400瓦时/千克,比最好的电动汽车提高2倍以上的能量密度。太阳能电池采用了减重85%的铜铟镓硒电池和减重50%的砷化镓电池。飞艇白天由太阳能供电,晚上由锂硫电池供电。

图2  美国sceye公司飞艇出库情况
     据Sceye公司官网报道,该公司的平流层飞艇2021年开展了两次高空飞行试验。
2021年5月19日星期三上午11点20分在罗斯韦尔发放升空,并于当天下午1点30分安全着陆。为了确定其系统的数据连接范围,该公司进行了测试。标准LTE技术允许的范围为100公里;Sceye的系统在LTE OpenRAN架构的基础上增加了40公里,创造了新的纪录。Sceye的组合技术为“真正的公平接入”开辟了一条新的道路,它可以为27000平方英里区域内的所有固定和移动用户提供高速宽带。
      2021年10月30日,Sceye公司的无人平流层平台于上午8:55从新墨西哥州发放,并于下午1:05安全着陆。这次推出的是Sceye测试计划的一部分,该计划旨在将高速互联网服务扩展到未服务和服务不足的人群中以达到跨越数字鸿沟的目的。Sceye正在为其客户进行这些演示,其中包括世界上最大的私营电信运营商之一,新墨西哥州经济发展部(EDD)和一个专注于在纳瓦霍部落提供100%宽带连接的电信运营商联盟。

     Sceye首席执行官兼创始人维斯特加德说:“我们已经达到了另一个里程碑,证明宽带互联网连接是可能的。随着今天连接的实现,我们有信心可以利用我们的高度和远程扩展能力使宽带服务覆盖到服务不足的地区。”演示证明系统和基础设施已就绪,并已证明HAPS能够成功连接到地面设备。这是首个采用3D波束形成技术的有源阵列天线,它可以直接从平流层连接到地面上的智能手机。在飞行过程中,该公司进行了一轮测试,以改善其系统的数据连接范围。标准的LTE技术允许射程为100公里。Sceye的系统已经超过了这一标准,成功连接到了140公里外的直升机上。由于独特的低压低温环境,从平流层成功地重复远程测试是非常重要的。
    虽然没有提具体的飞行高度,但从视频中的地球曲率看,应该是达到了接近20km的高度。
     Sceye还与美国环境保护署(EPA)、EDD和新墨西哥州环境部合作,对新墨西哥州的空气质量进行了为期五年的监测研究。Sceye公司的HAPS将以1-2米的分辨率跟踪甲烷排放,使它们能够确定污染水平,并确定排放者的精确位置。
     sceye公司的HAPS平流层飞艇采用了大量先进技术,并在国际上、甚至在中囯专利局都申请了诸多专利,其中主要是在平流层飞艇的囊体材料、储能电池和总体结构设计等方面。

   其中有一条专利受到业内人士关注——平流层飞艇总体设计方面独创的束带式艇体结构。(专利名称:《围绕艇体固定有束带结构的飞艇构造和方法》中国专利号:CN 109890698 A  申请公布日:2019.06.14)
     该专利主要的发明特点是:采用一种用碳纤维制成的束带组成兜状围绕充气的飞艇囊体挂带太阳能电池以及飞艇动力系统支架等飞艇外挂组件。当飞艇气囊放气收缩时可以将气囊与兜状束带以及挂带的太阳能电池和其他外挂组件脱离。而装载束带时只需将束带套上气囊并将气囊充满气体即可。通俗的比方就如战术马甲一样可以进行方便的穿卸。这种方法便于飞艇的组装集成。同时束带还可以部分增强飞艇囊体的强度。飞艇上的电缆也可以嵌入进束带集成走线并在束带上预留插接座。
图3 束带组成的兜状物件
图3中,12为太阳能电池、8为束带、10为动力支架。
      围绕艇体的束带结构用来搭载太阳能电池、储能电池、螺旋桨发动机和电子设备吊舱等,以免上述负载直接连接到囊体上,在飞行扰动下造成艇体局部应力过大,产生囊体破损,导致氦气泄漏的风险。因此,束带结构没有延伸穿过艇体材料,而只是邻接艇体的外侧。
     束带结构包括可弯曲环带,其围绕艇体并围绕纵轴延伸成环。该环带设置距离前端一定距离处,例如相当于艇体的总长度的25%到50%之间,此长度沿纵轴测量。
     根据其专利权要求所述的飞艇,其特征在于,所述束带结构(3)的可弯曲材料为包括纱线的纺织材料,其中电导体设置为所述纺织材料的一部分,电导体为与纱线交织或针织或刺绣在纺织材料中的导线;织物包括接触位置,在接触位置存在导线和电池或太阳能电池或发动机之间的电连接,其中在所述位置,导线局部地延伸出织物之外;所述导体(13)被印制或层压在所述束带结构的可弯曲材料上。
      由于在sceye公司的放飞试验飞艇照片以及录像上目前尚未看到有束带组成的兜状物件,所以该发明有可能是sceye飞艇系统总体设计时的方案之一;但从系统总体顶层设计的角度,艇体结构设计的好坏,直接影响飞艇在平流层长时驻空飞行的性能和应对4个平衡(温压平衡、浮重平衡、推阻平衡、能源平衡)的能力。


   图5 安装在束带上的动力支架
图6 嵌入束带的电缆线            
       对该专利分析可以得出,该束带的结构虽然设计独特,巧妙新颖实用性强,但其弊端也较明显,即要求软式飞艇将一直处于较大的飞艇内外正压差之下,在零压差或负压差下束带不但不起作用反而会起到反作用,软束带支撑不起来附在上面的设备,束带内部的电源线也将会被撕裂。关于飞艇的构造存在多种方案。进入21世纪的大型飞艇发展基本形成了2条明确的技术路线。一是球式一次性非保形单囊体飞艇;二是往返式成形多囊体飞艇。由于平流层飞艇是浮空器十飞行器的组合,分别遵循空气静力学原理和空气动力学原理;因此前者可以看作以浮空器作为抓手,后者可以看作以飞行器作为抓手,带动平流层飞艇发展的不同技术路线。sceye飞艇采用的束带式艇体结构设计较好地解决了飞艇载荷合理布局问题,同时又便于工装集成,不失为一个好的创意构思方案。
 
参考文献:      
        文史高科:美国Sceye公司的平流层飞艇取得进展,并在中国申请多项专利

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