HALE UAV bei 60.000 Ft (20.000 M) – Fliegen in der Stratosphäre

Grundlegende Mission

Die grundlegende Mission unseres HALE (High Altitude, Long Endurance) UAV (Unmanned Aerial Vehicle) besteht darin, für längere Zeit über einen Fleck auf der Erde zu fliegen. Warum genau, ist an diesem Punkt der Diskussion nicht wichtig. Höchstwahrscheinlich ist das Ziel, einen Kommunikationssatelliten zu ersetzen.

Geschwindigkeit ist nicht wichtig, da wir nur über eine Stelle fliegen. Energieeffizienz ist. Je weniger Energie es benötigt, um die Höhe zu halten, desto mehr Nutzlast kann es tragen. Angesichts dessen, was ich gerade gesagt habe, hoffe ich, dass Ihnen ein Wort in den Sinn gekommen ist: Segelflugzeug. HALE UAVs sehen aus wie Segelflugzeuge. Niedrige Flächenbelastung, langsames Fliegen, mit langen, dünnen Flügeln.

Wenn das UAV jahrelang in Betrieb bleiben soll, braucht es eine ziemlich gute Energiequelle. Wenn ein Kernfusionsreaktor der erste Gedanke ist, der Ihnen gerade in den Sinn kommt, liegen Sie falsch. Denken Sie stattdessen einfach und bewährt. Denken Sie an Solarzellen. Viele von ihnen. Die gute Nachricht ist, dass unser Segelflugzeug bereits große Flügel hat, also werden sie mit Solarzellen bedeckt sein.

Harten Bedingungen

In 60.000 Fuß Höhe befinden sich 93 % der Atmosphäre unter Ihnen. Der Luftdruck beträgt nur 7 % dessen auf Meereshöhe. Die Luftdichte oder das Gewicht der Luft beträgt nur 9,5 % ihres Gewichts auf Meereshöhe. Die durchschnittliche Temperatur liegt bei -75 F (-60 C). Warum sollte jemand in dieser Höhe fliegen wollen?

Warum 60.000 Fuß

Wie ich im ersten Teil dieser Artikelserie erklärt habe, liegen Verkehrsflugzeugflüge und die meisten Wetterbedingungen unter 40.000 Fuß (12.000 m). Das ist also der absolute Boden, wo wir fliegen können.

Es gibt ein paar andere Gründe, die uns dazu bringen, noch höher zu fliegen. Erstens können die Winde bei 40.000 Fuß wirklich auffrischen. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in dieser Höhe beträgt 50 MPH (80 KPH). Auch das ist der Durchschnitt – er könnte leicht doppelt so hoch sein. Bei einem Verkehrsflugzeug, das mit über 800 km/h fliegt, ist das kein so großes Problem, sondern ein echtes Problem bei unserem zerbrechlichen und langsam fliegenden UAV.

Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit bei 60.000 Fuß sinkt auf nur 15 MPH (25 KPH). Das sind tolle Neuigkeiten. Das bedeutet, dass wir nicht schneller fliegen müssen, als wir ohnehin müssten. Langsamer ist normalerweise effizienter.

Es gibt noch einen weiteren sehr wichtigen Grund, warum wir höher fliegen wollen, als wir unbedingt müssen. Wenn wir über einen Punkt fliegen, werden wir ungefähr die Hälfte der Zeit im Dunkeln sein. Solarzellen funktionieren nicht im Dunkeln. Zwölf Stunden lang die gleiche Höhe zu halten, würde eine Unmenge an wiederaufladbaren Batterien erfordern. Um Batteriegewicht zu sparen, werden wir nachts langsam an Höhe verlieren. Wir müssen immer noch die Flugzeuge und das Wetter meiden, aber jetzt wird unser UAV-Segelflugzeug effizienter sein.

Maximale Ausdauergeschwindigkeit

Mit welcher Geschwindigkeit müssen wir fliegen? Nun, ein Flugzeug fliegt unterschiedlich schnell, je nachdem, was gerade das Ziel ist. Eine Geschwindigkeit, die Segelfliegern wohlbekannt ist, wird die Geschwindigkeit des besten Gleitens oder des besten Verhältnisses von Auftrieb zu Luftwiderstand (L/D) genannt. Dies ist die Geschwindigkeit, bei der der Flügel am effizientesten ist.

Die Geschwindigkeit, die uns wichtig ist, wird als Herumlungern oder maximale Ausdauergeschwindigkeit bezeichnet. Ein anderer Name dafür ist aus offensichtlichen Gründen die Mindestleistungsgeschwindigkeit. Es ist die Geschwindigkeit, bei der wir am wenigsten Energie benötigen, um die Höhe zu halten. Für ein typisches Flugzeug sind das etwa 76 % des Wertes für die beste L/D-Geschwindigkeit.

Es gibt einen großen Haken. In dieser Höhe ist die Luft so dünn, dass wir 3,3-mal schneller fliegen müssen, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Das bedeutet, wenn die maximale Ausdauergeschwindigkeit auf Meereshöhe 20 MPH (32 KPH) beträgt, müssten wir auf unserer Reiseflughöhe mit 66 MPH (106 KPH) fliegen. Das erfordert leider auch die 3,3-fache Menge an Strom, um es aufrechtzuerhalten. Plötzlich klingt die Konstruktion unseres UAV-Segelflugzeugs gar nicht mehr so ​​einfach!

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