Атмосферный спутник - Atmospheric satellite
Атмосферный спутник (используется в США, сокращенно atmosat ) или псевдоспутник (используется в Великобритании) - это маркетинговый термин, обозначающий воздушное судно, которое работает в атмосфере на больших высотах в течение продолжительных периодов времени, чтобы предоставлять услуги, обычно предоставляемые искусственным спутником. на орбите в космосе.
Атмосферные спутники остаются в воздухе за счет атмосферной подъемной силы, либо аэростатической / плавучести (например, воздушные шары ), либо аэродинамической (например, самолетов ). Напротив, обычные спутники на околоземной орбите работают в космическом вакууме и остаются в полете за счет центробежной силы, определяемой их орбитальной скоростью.
На сегодняшний день все атмосаты представляют собой беспилотные летательные аппараты (БПЛА).
Принципы дизайна
Атмосат остается в воздухе за счет атмосферной подъемной силы, в отличие от спутника на околоземной орбите, который свободно движется с высокой скоростью в космическом вакууме и движется по орбите благодаря своей центробежной силе, соответствующей силе тяжести. Спутники дорого строить и запускать, и любые изменения их орбиты требуют расходования их крайне ограниченного запаса топлива. Атмосферные спутники летают очень медленно. Они предназначены для более экономичного и универсального предоставления различных услуг по сравнению с нынешними спутниками на низкой околоземной орбите .
Ожидается, что рабочая высота будет в тропопаузе - примерно 65 000 футов, - где ветер обычно менее 5 узлов и облака не блокируют солнечный свет. В Соединенных Штатах желательно работать на высоте более 60 000 футов, над которой Федеральное управление гражданской авиации не регулирует воздушное пространство.
Существует два класса атмосферных спутников, которые соответственно получают подъемную силу либо за счет аэростатических (например, воздушных шаров ), либо за счет аэродинамических (например, самолетов ) сил. Для того , чтобы оставаться в воздухе в течение длительного периода времени, НАСА и Titan аэрокосмических конструкций используют ВИНТОВЫХ электрических самолетов с питанием от солнечных батарей , в отличие от Google «s Project Loon предполагающего с использованием гелия заполнены высотных воздушных шаров .
Самолеты
Чтобы обеспечить работу в ночное время и обеспечить долговечность в течение последовательных 24-часовых циклов день / ночь, в светлое время суток солнечные панели заряжают батареи или топливные элементы, которые впоследствии приводят в действие автомобиль в темное время суток. Атмосферный спутник может первоначально подниматься ночью при питании от батареи и достигать высоты вскоре после рассвета, чтобы солнечные панели могли использовать солнечный свет в течение всего дня.
Система Aquila, созданная на базе БПЛА Facebook, предполагает использование технологии лазерной связи для обеспечения связи через Интернет между БПЛА, а также между БПЛА и наземными станциями, которые, в свою очередь, будут подключаться к сельской местности. БПЛА Aquila представляет собой летающее крыло из углеродного волокна, работающее на солнечной энергии, размером с пассажирский самолет. Первый испытательный полет Aquila состоялся 28 июня 2016 года. Он пролетел девяносто минут, достигнув максимальной высоты 2150 футов, и был существенно поврежден, когда двадцатифутовая секция правого крыла оторвалась во время последнего захода на посадку. Aquila разработан и изготовлен британской компанией Ascenta.
Luminati Aerospace утверждает, что ее самолет Substrata на солнечной энергии может оставаться в воздухе неопределенно долго до широты 50 ° за счет группового полета, как мигрирующие гуси , что на 79% снижает мощность, требуемую для ведомого самолета, и позволяет использовать планеры меньшего размера .
Надувные шарики
Геостационарный спутник на воздушном шаре (ГБС) летит в стратосфере (60000 до 70000 футов ( от 18 до 21 км) над уровнем моря) в фиксированной точке над поверхностью Земли. На этой высоте воздух имеет 1/10 плотности на уровне моря . Средняя скорость ветра на этих высотах меньше, чем у поверхности.
GBS можно использовать для предоставления широкополосного доступа в Интернет на большой территории.
Один из известных проектов был Google «s Project Loon , который предусматривается с использованием гелия заполнены высотных воздушных шаров .
Приложения
Предлагаемые приложения для атмосатов включают безопасность границ, мониторинг морского движения, операции по борьбе с пиратством, реагирование на стихийные бедствия, наблюдение за сельским хозяйством, наблюдение за атмосферой, мониторинг погоды, ретрансляцию связи, океанографические исследования, съемку Земли и телекоммуникации. Сообщается, что Facebook планирует предоставить доступ в Интернет на африканском континенте с парком из 11 000 автомобилей.
Высотная длительная выносливость
Высотная длительная автономность (HALE) - это описание летательного аппарата, который оптимально функционирует на большой высоте (до 60 000 футов) и способен совершать длительные полеты без необходимости посадки. Тропопауза представляет высокую высоту.
Ремесло
Lockheed-Martin произвела HALE Demonstrator, который был первым самолетом такого типа. Аппарат HALE-D был спущен на воду 27 июля 2011 года для работы с места, расположенного выше реактивного течения в геостационарной позиции. HALE-D должен был функционировать как платформа наблюдения , телекоммуникационный ретранслятор или наблюдатель за погодой.
Нортроп Грумман RQ-4 Global Hawk представляет собой пример HALE БЛА. В общей сложности 42 из них находились на вооружении ВВС США , начиная с 1998 года. Они оснащены высокоточными радиолокационными , электрооптическими и инфракрасными датчиками, что позволяет им вести наблюдение на площади до 40 000 квадратных миль (100 000 км 2 ). местности в сутки.
BAYRAKTARs AKINCI производился как БПЛА класса HALE и должен поступить на вооружение в 2021 году или в конце 2020 года.
Высотный самолет Proteus работает на высоте 19 километров и 812 метров (65 000 футов), неся при этом вес 1100 кг, с максимальным временем автономной работы 18 часов.
Altus II ( лат . Altus означает высокий ) работает на высоте 18 километров и 288 метров (60 000 футов) плюс, с временем выносливости приблизительно 24 часа, с вариациями возможностей выносливости в зависимости от высоты полета.
Boeing Phantom Eye способен поддерживать полет на высоте в течение четырех суток с полезной нагрузкой; вариант конструкции способен выдерживать полет на высоте в течение десяти суток с грузом.
В проектном документе (Z. Goraj et al 2004) описан аппарат HALE PW-114, оснащенный датчиками для полета на высоте 20 километров в течение 40 часов.
RQ-3A DarkStar - это корабль с высокой степенью скрытности, созданный для оптимального функционирования в хорошо защищенных районах для ведения разведки. Корабль предназначен для зависания над целями не менее восьми часов на высоте 13,716 км (45000 футов) и выше.
Airbus Zephyr был разработан , чтобы летать на максимальной высоте высоте 21.336 км (70 000 футов), а в полете 2006 года, он был в воздухе в течение 80 часов, который затем был самый длинный полет совершил на HALE автомобиля. Model 7 является официальным рекордсменом по продолжительности полета для БПЛА - 336 часов 22 минуты и 8 секунд - с 9 по 23 июля 2010 года.
A160 Hummingbird - винтокрылый самолет производства компании Boeing.
Guizhou Soar Dragon , производимый Chengdu Aircraft Industry Group , представляет собой БПЛА HALE, используемый для военной разведки, с практическим потолком 18000 м и дальностью 7000 км.
Divine Eagle, производимый Shenyang Aircraft Corporation , представляет собой большой БПЛА HALE с чрезвычайно большим размахом крыльев, предназначенный для полетов на очень большой высоте. Это двухбаллонный самолет . Предполагается, что он будет нести серию бортовых радаров раннего предупреждения с активной антенной решеткой с электронным сканированием и, в частности, с некоторыми средствами защиты от малозаметности. Во время разработки он был обозначен как «антистелс-БПЛА». Это один из серии БПЛА SYAC .
Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk - это высотный дистанционно пилотируемый самолет-разведчик.
Swift Ultra Long Endurance SULE от Swift Engineering завершил первый полет партнерства с Исследовательским центром Эймса НАСА в июле 2020 года.
Станция на высотной платформе
Высотные платформы станции о г высотной псевдо-спутника (коротко: HAPS ) или высотной платформе (коротко: ГАП или ОАЗ [множественное число]) - в соответствии со статьей 1.66a из Международного союза электросвязи (МСЭ) ITU Radio Правила (RR) - определяются как « станция на объекте на высоте от 20 до 50 км и в заданной номинальной фиксированной точке относительно Земли».
Каждая станция классифицируется по службе, в которой она работает постоянно или временно.
- Смотрите также
Соображения по дизайну
Ограничение из-за мощности
HAP может быть пилотируемым или беспилотным самолетом , воздушным шаром или дирижаблем . Всем требуется электроэнергия, чтобы поддерживать себя и свою полезную нагрузку в рабочем состоянии. В то время как нынешние HAPS питаются от батарей или двигателей, время миссии ограничено необходимостью подзарядки / дозаправки. Поэтому на будущее рассматриваются альтернативные средства. Солнечные батареи - один из лучших вариантов, которые в настоящее время тестируются для HAPS ( Helios , Lindstrand HALE).
Выбор высоты для HAPS
Будь то дирижабль или самолет, серьезной проблемой является способность HAP поддерживать постоянное положение в условиях ветра. Выбрана рабочая высота от 17 до 22 км, потому что в большинстве регионов мира она представляет собой слой относительно умеренного ветра и турбулентности над струйным потоком . Хотя профиль ветра может значительно варьироваться в зависимости от широты и сезона, обычно получается форма, аналогичная показанной. Эта высота (> 17 км) также превышает высоту коммерческого воздушного движения, что в противном случае оказалось бы потенциально недопустимым ограничением.
Сравнение со спутниками
Поскольку HAPS работают на гораздо меньших высотах, чем спутники, можно гораздо эффективнее покрыть небольшой регион. Меньшая высота также означает гораздо меньший бюджет линии связи (следовательно, меньшее энергопотребление) и меньшую задержку приема- передачи по сравнению со спутниками. Кроме того, развертывание спутника требует значительных временных и денежных ресурсов с точки зрения разработки и запуска. С другой стороны, HAPS сравнительно менее дороги и быстро развертываются. Еще одно важное отличие состоит в том, что после запуска спутник нельзя посадить для обслуживания, в то время как HAPS может.
Приложения
Телекоммуникации
Одно из последних применений HAPS было для службы радиосвязи . Исследования HAPS активно ведутся в основном в Европе, где ученые рассматривают их как платформу для предоставления пользователям высокоскоростной связи на территориях до 400 км . Он вызвал значительный интерес, потому что HAPS сможет предоставлять полосу пропускания и емкость, аналогичные широкополосной сети беспроводного доступа (такой как WiMAX ), обеспечивая при этом зону покрытия, аналогичную зоне покрытия спутника.
Высотные дирижабли могут улучшить способность военных общаться в отдаленных районах, например в Афганистане, где гористая местность часто мешает передаче сигналов связи.
Наблюдение и разведка
Одним из лучших примеров высотной платформы, используемой для наблюдения и безопасности, является БПЛА Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk, используемый ВВС США . Он имеет практический потолок 20 км и может находиться в воздухе непрерывно 36 часов. Он оснащен сложной сенсорной системой, включая радарные, оптические и инфракрасные формирователи изображения. Он приводится в действие турбовентиляторным двигателем и может передавать данные цифровых датчиков в реальном времени на наземную станцию.
Мониторинг региона в реальном времени
Другое будущее использование, которое в настоящее время изучается, - это мониторинг конкретной области или региона для таких действий, как обнаружение наводнений, сейсмический мониторинг, дистанционное зондирование и управление стихийными бедствиями.
Погода и мониторинг окружающей среды
Возможно, наиболее распространенное использование высотных платформ - это мониторинг окружающей среды / погоды. Многочисленные эксперименты проводятся с помощью высотных аэростатов, на которых установлено научное оборудование, которое используется для измерения изменений окружающей среды или отслеживания погоды. Недавно НАСА в партнерстве с Национальным управлением океанических и атмосферных исследований ( NOAA ) начало использовать БПЛА Global Hawk для изучения атмосферы Земли.
Как платформа для запуска ракеты
Из-за высоты более 90% атмосферного вещества находится ниже высотной платформы. Это снижает атмосферное сопротивление для запуска ракет. «По приблизительным оценкам, ракета, которая достигает высоты 20 км при запуске с земли, достигает 100 км, если запускается на высоте 20 км с воздушного шара». Такая платформа была предложена для использования (длинных) массовых двигателей для запуска товаров или людей на орбиту.
Высотный дирижабль Lockheed-Martin (HAA)
США Министерство обороны Агентства по ПРО контракт Lockheed Martin построить высотный дирижабль (НАА) , чтобы усилить свою систему ПРО (BMDS).
Беспилотный летательный аппарат легче воздуха, HAA был предложен для работы на высоте более 60000 футов (18000 м) в квазигеостационарной позиции для обеспечения постоянного поддержания орбитальной станции в качестве платформы самолета наблюдения , телекоммуникационного ретранслятора или метеорологической станции. наблюдатель. Первоначально они предлагали запустить свой HAA в 2008 году. Дирижабль будет находиться в воздухе до одного месяца за раз и предназначался для съемки земли диаметром 600 миль (970 км). Он должен был использовать солнечные батареи для обеспечения своей энергии и во время полета будет беспилотным. Концепция производства будет иметь длину 500 футов (150 м) и диаметр 150 футов (46 м). Чтобы свести к минимуму вес. он должен был состоять из высокопрочных тканей и использовать легкие двигательные технологии.
Подмасштабный демонстрационный образец для этого проекта, " High Altitude Long Endurance-Demonstrator " (HALE-D), был построен Lockheed Martin и запущен в испытательный полет 27 июля 2011 года для демонстрации ключевых технологий, критически важных для разработки беспилотных дирижаблей. . Предполагалось, что дирижабль достигнет высоты 60 000 футов (18 000 м), но проблема с уровнями гелия возникла на высоте 32 000 футов (9800 м), что помешало ему достичь заданной высоты, и полет был прекращен. Он спустился и приземлился со скоростью около 20 футов в секунду в густо засаженном деревьями районе Пенсильвании. Через два дня после приземления, до того, как автомобиль был поднят с места крушения, автомобиль сгорел.
Стратосферный дирижабль
Стратосферный дирижабль является питанием дирижабля предназначен для полетов на больших высотах 30 000 до 70 000 футов (9,1 до 21,3 км). Большинство конструкций - это самолеты с дистанционным управлением / беспилотные летательные аппараты (ROA / UAV ). На сегодняшний день ни один из этих проектов не получил одобрения FAA для полетов в воздушном пространстве США.
Работа над стратосферными дирижаблями разрабатывается как минимум в пяти странах.
Первый полет дирижабля со стратосферным двигателем состоялся в 1969 году, он достиг высоты 70 000 футов (21 км) за 2 часа с полезной нагрузкой 5 фунтов (2,3 кг). 4 декабря 2005 года группа под руководством Юго-Западного исследовательского института (SwRI), спонсируемая Командованием космической и противоракетной обороны (ASMDC), успешно продемонстрировала полет стратосферного дирижабля HiSentinel на высоте 74000 футов (23 км). Япония и Южная Корея также планируют развернуть HAA. Южная Корея уже несколько лет проводит летные испытания с машиной компании Worldwide Eros .
Самолет
В январе 2018 года в разработке находилось несколько систем:
- AeroVironment будет спроектировать и разработать прототипы БПЛА на солнечной энергии за 65 миллионов долларов для HAPSMobile, совместного предприятия, на 95% финансируемого и принадлежащего японской телекоммуникационной компании SoftBank ; Прототип Helios с пролетом 247 футов (75 м) впервые поднялся в воздух в 1999 году и достиг высоты 96 863 футов (29 524 м) в 2001 году, после чего развалился в полете в 2003 году; в 2002 году его Pathfinder Plus с пролетом 121 фут (37 м) нес полезную нагрузку связи на эшелон FL650; Его Global Observer с водородным двигателем, предназначенный для того, чтобы оставаться в воздухе в течение недели в стратосфере, впервые поднялся в воздух в 2010 году, но потерпел крушение в 2011 году.
- Airbus строит Zephyr длиной 80 футов (24 м) и весом менее 100 фунтов (45 кг), он рассчитан на то, чтобы оставаться в воздухе в течение нескольких месяцев; версия 2010 года летала 14 дней, а в июле 2018 года Zephyr непрерывно летал 25 дней, 23 часа и 57 минут;
- Facebook работал над созданием высотного летающего БПЛА Aquila на солнечной энергии, обеспечивающего подключение к Интернету, протяженностью 132 фута (40 м) и весом 935 фунтов (424 кг). Он совершил два испытательных полета на малых высотах в 2016 и 2017 годах и рассчитан на то, чтобы оставаться в воздухе на эшелоне полета 650 в течение 90 дней. 27 июня 2018 года Facebook объявил, что остановит проект и планирует поручить другим компаниям создавать дроны.
- Thales Alenia Space разрабатывает беспилотный стратосферный дирижабль Stratobus, работающий на солнечной энергии , длиной 377 футов (115 м) и весом 15000 фунтов (6800 кг), включая полезную нагрузку 550 фунтов (250 кг). обслуживание и прототип запланировано на конец 2020 г.
- Китайская корпорация аэрокосмической науки и технологий совершила 15-часовой испытательный полет на БПЛА на солнечной энергии с размахом 147 футов (45 м) на эшелон FL650 в ходе 15-часового испытательного полета в июле 2017 года.
- Российское конструкторское бюро Лавочкина проводит летные испытания БЛА LA-252 с размахом 82 футов (25 м) и весом 255 фунтов (116 кг), работающим на солнечной энергии, который может находиться в воздухе 100 дней в стратосфере.
- Стартовые системы на базе H-Aero LTA для исследования Марса, разработка которых ведется с помощью наземных высотных платформ. Первые системы сейчас проходят испытания
Картографическое агентство Великобритании Ordnance Survey (OS), дочерняя компания Департамента бизнеса, энергетики и промышленной стратегии , разрабатывает A3 с двумя стреловыми балками, работающими на солнечной энергии, с размахом крыла 38 м (125 футов) и весом 149 кг (330 фунтов). оставаться в воздухе на высоте 67 000 футов (20 000 м) в течение 90 дней с полезной нагрузкой 25 кг (55 фунтов). OS владеет 51% британской компании Astigan , возглавляемой Брайаном Джонсом , которая с 2014 года разрабатывает A3 с масштабными испытательными полетами модели в 2015 году и полномасштабными низковысотными полетами в 2016 году. Высотные полеты должны начаться в 2019 году, чтобы завершить испытания в 2020 с коммерческим введением в области мониторинга окружающей среды , картографии , связи и безопасности.
Разработанный Prismatic Ltd., ныне BAE Systems , BAE Systems PHASA-35 с размахом крыла 35 м (115 футов) совершил свой первый полет в феврале 2020 года с испытательного полигона Вумера в Южной Австралии; он должен летать со своей полезной нагрузкой 15 кг (33 фунта) на высоте около 70 000 футов в течение нескольких дней или недель.
История
HALE
Идея HALE была подтверждена в технических документах еще в 1983 году, в предварительном исследовании самолетов на солнечной энергии и связанных с ними силовых передачах, написанном DW Hall, CD Fortenbach, EV Dimiceli и RW Parks (NASA CR-3699), фактическое состояние Технологические дела 1970-х годов позволили ученым позднее рассмотреть возможность полета на длительную дистанцию как мыслимое включение в авиацию суборбитальных космических кораблей . Одной из первых статей, в которых прямо упоминается Long Endurance, является JWYoungblood, TA Talay & RJ Pegg Design of Long Endurance Беспилотные самолеты с двигателем на солнечных батареях и топливных элементах , опубликованная в 1984 году. исследований, является MD Maughmer ( Университет штата Пенсильвания ) и DM Somers (NASA Langley ). Результаты проектирования и экспериментов для высотного аэродинамического профиля с большим запасом прочности . Авторы заявляют, что заинтересованность в создании такого корабля заключалась в необходимости выполнения задач ретрансляции связи, мониторинга погоды и получения информации для наведения крылатых ракет . Эта статья была опубликована в 1989 году.
В исследовательской статье « 2025» , написанной Б.В. Кармайклом ( полковник ) и майорами , Т.Э. ДеВином, Р.Дж. Кауфманом, П.И. Пенсом и Р.Э. Уилкоксом, и представленной в июле 1996 года, в начале 21 века предсказывались обычные операции HALE-UAV. Размышляя о будущем вооруженных сил, прогнозируемом до 2025 года, авторы думали, что HALE будет находиться в полете в течение 24 часов. Длительная выносливость («долгое бездействие») считается синонимом концепции поддержания воздушной оккупации, «способности постоянно держать противника в опасности от летальных и нелетальных воздействий с воздуха».
Управление воздушно-десантной разведки Министерства обороны в свое время демонстрировало БПЛА большой продолжительности действия.
Дж. Фрулла (Турин, Италия, 2002 г.) написал статью об очень длительной выносливости.
Важной целью проекта CAPECON , инициированного Европейским Союзом, была разработка автомобилей HALE.
Программа НАСА ЭРАСТ
Первоначальные цели в рамках проекта НАСА « Самолет для исследования окружающей среды и сенсорная технология» (ERAST) заключались в том, чтобы продемонстрировать устойчивый полет на высоте около 100 000 футов и беспосадочный полет в течение не менее 24 часов, в том числе не менее 14 часов на высоте 50 000 футов. Первые разработки атмосферных спутников включали NASA Pathfinder (более 50 000 футов в 1995 г.), Pathfinder Plus (80 000 футов в 1998 г.) и NASA Centurion, который был модифицирован в конфигурацию прототипа для НАСА Helios (96 000 футов в 2001 г.) . Летом 2010 года Airbus / Qinetiq Zephyr летал 14 дней, а в 2014 году Zephyr 7 не спал 11 дней в короткие зимние дни, неся небольшую полезную нагрузку для Министерства обороны Великобритании.
Смотрите также
- Геостационарный спутник
- Станция на высотной платформе
- Высотный шар
- Boeing Insitu ScanEagle
- Башня Тоткс
- Дирижабли 21 века
- Встроенный датчик - это структура
- Многофункциональный автомобиль Long Endurance
- Мясищев М-55
- TCOM Синий дьявол
- Привязанный дирижабль
использованная литература
Библиография
К. Смит - статья, опубликованная The Examiner (AXS Digital Group LLC) 8 марта 2010 г. [Дата обращения 15 декабря 2009 г.]