Mothership Aeronautics公司的无限巡航太阳能飞艇
目前，我们一直在不懈地寻找锂离子电池的替代动力解决方案，锂电池只能使大多数多旋翼飞机飞行20至25分钟。在此过程中，我们研究了从氢燃料电池到混合动力发动机的革命性替代方案。不过，今天，我们想谈谈一种概念，它是无人驾驶飞机（UAV）领域中的新事物，但对于动力飞行科学而言却不是新事物：飞艇。
总部位于南加州的Mothership Aeronautics设计并商业推出了一系列比空气轻（LTA或飞艇）的飞行器，这些飞行器由电动机驱动，使用电池和太阳能电池板的组合在空气中长时间停留。尽管将太阳能电池板，锂电池和电动机组合使用的任何飞行器都无法突破热力学的第一定律（不能产生或破坏能量），但可以设计系统，使产生的太阳能达到或超过飞行器的巡航能耗。这种情况称为无限巡航。
将太阳能集成到飞机上时要考虑的关键因素是维持巡航速度和高度所需的功率与机身上可用的平面面积之比。这就是为什么要突出强调Mothership Aeronautics在2016年11月的首次验证飞行。该公司在硅谷阴天多风的早晨，展示了侦察兵原型太阳能飞艇的无限巡航。
侦察员长6.5m，由400W太阳能电池板供电，由127个电池组成。从9:00 am开始，它在风中进行了90分钟的机动，没有降低电池电压。这种表现与预期相符。
Mothership Aeronautics的首席执行官Jonathan Nutzati说：“在仔细研究了替代方案之后，我们决定采用飞艇的设计。对于旋翼飞机，例如直升机和多旋翼飞机，太阳能集成是不切实际且具有挑战性的。另一方面，太阳能电池板的大而平坦的表面会产生空气阻力，从而干扰飞行并实际上降低了效率；另一方面，作为旋翼飞行器，仅在保持高空飞行，保持速度和保持位置时，就需要始终如一的动力消耗无论飞行条件如何。”
从历史上看，已经成功地将太阳能集成到固定翼中，但是这些太阳能飞机即使最小可行尺寸，也具有长而脆弱的机翼和很少的有效载荷。著名的是Helios Prototype，这是Aerovironment与NASA的合作，在阵阵中解体，于2003年坠入太平洋。
在机翼上获得足够的太阳能以为无限巡航中的推进系统提供动力，就需要大型机翼。但是，大机翼会产生很大的阻力，因此需要更多的动力才能飞行。这个问题不断加剧，迫使设计付出昂贵的代价，其中包括相对较慢的巡航速度和昂贵的柔性太阳能电池板。Mothership Aeronautics团队已经考虑并解决了所有这些挑战。
Nutzati告诉《商业无人机》，“首先，由于飞艇利用提升气体在其包壳中产生的浮力来被动升空，因此保持空降所需的功率小于其他机身类型。低功率要求意味着无限巡航与其他具有类似尺寸的飞机相比，在可比较的条件下，可以用更小的太阳能电池板面积来实现。其次，尺寸适于容纳提升气体的气体包壳提供了足够的体积以在其中或上面安装太阳能电池板，而不会损害飞行器的空气动力学质量。这使得飞艇型飞行器是特别适合于机身类型，以实现有效的低成本太阳能集成。”
此外，太阳能为航空情报技术提供了一个有趣的机会。Solar减小了远程情报任务的最小可行尺寸，同时为小型低成本情报飞行器增加了最大范围和续航能力。
“我们出售的每艘小型飞艇都有一个最大速度，该速度与其电动机和电池功率有关。”纳兹蒂继续说道，“每架飞艇的最大可达到空速与飞艇在运行中所能承受的最大风速有关。例如，取决于飞行员的技术和信心，一艘4m长，500W的飞艇可以忍受大约16 mph的风速飞行，而一艘8m长1000W的飞艇可以忍受20-25 mph的风速飞行。
关于操作细节，飞艇可以在很宽的温度范围内操作。但是，飞行中较大的温度变化会影响囊体压力，需要进行高度调节。较大的飞艇可以配备压力调节囊体，以抵消飞行中温度梯度的影响。
Nutzati说：“操作高度很重要。在更高的高度，氦气的浮力会降低，因此需要更大的外壳才能获得相同的升力。我们在囊体上增加长度，与客户在预定起飞点的MSL（平均海平面）高度成正比。”乔纳森说：“虽然飞艇甚至可以抵御大雨，但水滴在囊体上的堆积会增加重量，使性能略有下降。大多数相机和自动驾驶仪硬件都不防水，因此我们不建议与它们一起在雨中飞翔。”
无人飞艇的存储和运输相对简单，大多数eBlimps可以装在1-2个航空公司的托运手提箱中。囊体可以方便地小卷起来，但是在长时间存放后，必须将其干燥，否则可能会老化。
在本文中，飞行时间一直是最重要的问题，因此我们重点介绍了有效TiTA（空中时间）的详细信息。
Nutzati表示：“我们的标准LiPo电动助力飞艇具有60-90分钟的飞行时间，但是有效载荷可以切换成额外的电池，在较大的型号上可以达到4个小时。太阳能型号可以在太阳升起时飞行，视季节而定，巡航时间为8到12个小时。”
对于浮空飞行器，安全性问题也大不相同。如果发动机发生故障，飞艇会缓慢下降到地面。在失控或飞走的情况下，可以触发紧急氦气释放阀以使飞艇下降并恢复。如果与车辆，建筑物或人发生碰撞，则伤害和损坏的可能性很小，而且这种事情发生的概率本身就很小。
飞艇上的损坏通常以小切口或撕裂的形式出现，可以用最少的设备（例如修补套件）快速修复。与四旋翼飞机和固定翼的高动能相比，这使飞艇成为在敏感资产周围或在人或动物之上运行的理想平台。即使直接向飞艇开枪也不会造成灾难性的坠落。弹孔只会产生可修补的泄漏，迫使其迅速着陆。
在FAA的法规中，您可以找到BVLOS（超视距飞行）的豁免权，但一般情况下根据其大小，可以在视线范围内以1-5公里的距离飞行飞艇。综观各种商业应用，我们得出结论，一些理想的用例包括空中管道检查，广告和宣传，日间监视，矿物勘探和线性基础设施检查。
毫无疑问，在这些有效的飞行飞行时间内，无人飞行器将有大量需求，这些无人飞行器无需执行耗时的加油或更换电池即可执行任务。
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