能持續飛行一年的PHASA-35太陽能高空無人機

托尼·奧斯伯恩

BAE系統公司與英國棱鏡公司合作研制了一款名為PHASA-35的新型太陽能高空長航時無人機，理論上能在18000m高空持續飛行一年，只需攜帶一個小的任務載荷便能作為一顆偽衛星執行持續監視和通信中繼等多種任務。該機計劃于2019年進行飛行試驗。

英國對于“太陽能高空偽衛星”（HAPS）無人機的研制始于奎奈蒂克（Qinetiq）公司2010年研制的‘西風”（Zephyr）高空太陽能無人機。“西風”無人機機體采用超輕的碳纖維材料制造，機翼翼展長達18m，而機身結構僅重30kg，能攜帶2kg的任務載荷，飛行高度可達18000m。無人機兩個機翼表面上貼附著非結晶質硅材料太陽能電池板，其厚度不到1mm，鋰電池能在白天最大程度地儲存太陽能，以用于夜間連續飛行。2013年底，空中客車公司收購了‘西風”無人機項目，并取得了持續飛行14天的紀錄。

2014年“西風”無人機又被美國“臉書”（Facebook）公司收購，并在此基礎上發展為“天鷹座”（Aquila）高空太陽能無人機，準備用于高空的無線網絡空中基站，向包括全球偏遠地區在內的數十億人提供互聯網連接。“天鷹座”的機翼翼展接近波音737，但重量僅有453kg，飛行速度可達1 20km/h，飛行高度為18000m，理論上一次可以飛行3個月時間，用于充當網絡基站時，覆蓋半徑為96km。但是“天鷹座”無人機在2016年6月的第一次試飛降落時，因為遭遇強風而偏離航道，最終導致機翼折損而墜毀;而2017年6月的第二次試飛雖然基本成功，但是在著陸過程中還是被損壞，導致螺旋槳無法正常運行。

由于試飛并不順利，“臉書”公司在今年6月26日正式宣布，停止“天鷹座”無人機的發展計劃并關閉在英國布里奇沃特的工廠，同時表示今后將不再制造像“天鷹座”這樣的HAPS無人機，但是將繼續會與其他研制類似高空無人機的公司合作。

現在英國的BAE系統公司和英國“棱鏡”（Prismatic）公司又合作研制了一款稱為PHASA-35的高空太陽能飛機，其中位于英格蘭范堡羅的“棱鏡”公司擁有一批原奈奎蒂克公司參與過研制“西風”無人機的工程人員。

PHASA是持久高空太陽能飛機的縮寫，PHASA-35的機翼翼展達35m，重量僅為150kg，能攜帶15kg的任務載荷，機翼和水平尾翼的表面都覆蓋著太陽能電池板，為兩臺螺旋槳電動機和機載系統提供電力。白天其利用鋰電池儲存太陽能電力，用于夜間持續飛行。PHASA-35計劃將于2019年第三季度飛行，屆時該機在平流層高度飛行，只需攜帶一個小的任務載荷就能作為一顆“偽衛星”，執行包括持續監視和通信中繼等任務。

“棱鏡”公司的總經理普里希曼說，PHASA-35使用的鋰離子電池是現有的商業產品，而不是更先進的試驗性電池，現有的商品電池技術上比較成熟，而且電池容量和電池壽命足夠滿足無人機在飛行時間長達一年的能量要求。而新的電池技術雖然比現有的鋰離子系統更先進，但使用壽命可能比較短，此外鋰離子電池技術的一致性和可靠性更好，也意味著使用鋰離子的飛行器都可以省去許多復雜的電力控制和監控系統。

PHASA-3持續一年的飛行能力代表著該機不需要在指定的使用區域附近起飛，而是可以從天氣較好、適于無人機起飛的任何地點起飛，然后自行飛至指定的使用區域。雖然這種轉場飛行可能會需要三天甚至更久的時間，但相對于一年的持續工作時間，轉場飛行的這幾天并無太大影響。此外，盡管無人機的覆蓋范圍遠比不上近地軌道衛星，但無人機可以繞著指定地點持續盤旋飛行，而且起飛升空所需的成本也比發射衛星低得多。

現在“棱鏡”公司已經開始在英國范堡羅工廠制造兩架PHASA-35原型機，此前研制團隊已經進行了一系列工作以降低風險，包括在2017年完成了一架稱為PHASE-8的1/4縮比無人機的首飛，能夠模擬全尺寸無人機性能。PHASA-8的機翼翼展約8.7m，除飛行高度稍低外，其余性能與PHASA-35基本相當。

BAE系統公司也表示，PHASA-35這類產品的市場需求將會非常令人驚訝，PHASA-35的目標客戶最初只針對政府和國防軍事用途，但現在看來其商業應用的潛力也會很大。例如為持續監視和通信中繼等需求，包括對偏遠地區的監 視和重要地區的通信提供全年的低成本持續性解決方案等。

雖然PHASA-35只能攜帶15kg任務載荷，但是其工作高度是在離地18～27km高度的空域，相比于在600km的軌道上工作的近地衛星要更接近地面，這也意味著如果以近地衛星完成任務需要使用重達1t的設備，那么用PHASA-35只需用數千克的載荷。

此外，PHASA-35高空無人機的研制團隊也在將現在組建小型衛星群的思路延伸到PHASA-35的未來工作方式上，也就是通過起飛多架執行不同任務的PHASA-35組建成為PHASA星座，以增加無人機集群的靈活性和冗余度，以代替增加單架無人機任務載荷的思路。