| NASA Helios | |
|---|---|
| Obemannade flygplan Helios med fotoceller på vingarna | |
| Sorts | UAV |
| Tillverkare | AeroVironment |
| Den första flygningen | 8 september 1999 |
| Status | förlorade 2003 |
| Operatörer | USA |
| Tillverkade enheter | ett |
| basmodell |
NASA Pathfinder NASA Centurion |
| Mediafiler på Wikimedia Commons | |
NASA Helios ( NASA Helios Prototype - Helios flight prototype, släppt under NASA-programmet ) är ett experimentellt obemannat flygfarkost som använder energin från solpaneler och bränsleenergiceller för att fungera .
Den fjärde och sista prototypen, byggd som en del av en på varandra följande serie obemannade flygfarkoster, utvecklades på basis av tidigare modeller - NASA Pathfinder och NASA Centurion . AeroVironment , Inc. utvecklade denna serie som en del av programmet Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST) under NASA :s överinseende . Programmet syftade till att utveckla teknik för att skapa "atmosfäriska satelliter" - flygplan på hög höjd som kan vistas i luften under lång tid och utformade för att utföra funktioner som liknar de för konstgjorda jordsatelliter. I synnerhet var de tänkta att användas för att studera processer i atmosfären, samt repeaters för kommunikationssystem. [ett]
NASA Helios byggdes på en tidigare design, NASA Centurion, genom att lägga till en sjätte 12-meters vingsektion och ett femte landningsställ. Det blev den fjärde prototypen i en serie av teknikdemonstratorflygplan tillverkade enligt flygvingsschemat och drivs av solceller. Förstoringen av vingen jämfört med dess föregångare gjorde det möjligt att placera solpaneler av ett större område, och därmed ge tillräcklig kraft för de planerade experimentella soldrivna flygningarna. [1] Prototypen flög först den 8 september 1999. [2]
Under konstruktionen av prototypen var det planerat att uppnå två olika mål: 1) säkerställa en stabil flygning på en höjd av cirka 30 000 m och 2) säkerställa flygning i minst 24 timmar, varav minst 14 timmar enheten måste vara på en höjd av minst 15 000 m. För detta ändamål skulle Helios kunna konfigureras i två olika konfigurationer: [3]
Flygtestning av prototypen, som genomfördes under andra halvan av 1999 vid NASA:s Hugh L. Dryden Flight Research Center, använde en traditionell steg-för-steg-strategi och inkluderade ett batteridrivet flygprogram på låg höjd. Förutom att bekräfta lämpligheten för användning av en lång vinge och kontrollera enhetens flygprestanda, testade och justerade de även sensorer och kontrollutrustning för framtida experiment för att uppnå maximal höjd och flyglängd. [ett]
Den 13 augusti 2001, [1] nådde en Helios fjärrstyrd av Greg Kendall en höjd av 29 524 m, det nuvarande världsrekordet för ihållande flygning i nivå för ett flygplan utan jetvingar. [4] Denna prestation överskred det tidigare liknande höjdrekordet med mer än 3 400 m. Dessutom tillbringade flygplanet mer än 40 minuter på en höjd av över 29 000 m. [1]
Den 26 juni 2003, under en testflygning för att testa fjärrkontrollsystem för nästa månads maximala luftburna tester, kraschade en NASA Helios-prototyp och kraschade i Stilla havet cirka 16 km väster om den hawaiianska ön Kauai . [5] [6]
En väderprognos som gjordes på morgonen efter olyckan visade att väderförhållandena var inom flyggränserna. Men strax före den reguljära flygningen beskrev prognosmakaren vädret som "flygande, men väldigt dåligt". Ett av huvudproblemen var ett par vindskjuvningszoner utanför öns kust. Flyget var försenat ett tag, men inte inställt trots bristen på förbättring av vädret. Efter start tillbringade Helios mer tid än väntat i en zon med låg turbulens på läsidan av Kauai då den klättrade långsammare än vanligt. Detta beteende hos enheten berodde på betydande grumlighet, vilket minskade produktionen av solpaneler och orsakade en minskning av motoreffekten.
Flygplanet klättrade till en höjd av cirka 850 m, och sedan, som det står i haveriutredningsrapporten:
... efter cirka 30 minuters flygning, hamnade i en zon av svår turbulens och antog en "oplanerad stabil konfiguration med en stark vingböj." Som ett resultat av denna form av vingen blev enheten instabil i ett brett spektrum av attackvinklar, vilket orsakade fluktuationer i hastigheten på det mötande luftflödet, med toppvärden ungefär två gånger de nominella. På grund av överskottet av luftflödets designhastighet, och de resulterande höga dynamiska belastningarna på vingens framkant, förstördes huden på vingens övre plan och solpanelerna på den revs av. Enheten föll i havet inom testflygningszonen och kollapsade helt. De flesta av de strukturella elementen höjdes från vattnet, med undantag för väte-luftbränslecellsenheten och två av de tio motorer som sjönk i havet [3] .
Utredningsrapporten pekar på två huvudorsaker till det inträffade:
NASA Helios är ett ultralätt flygande flygplan. Det mesta av strukturen var gjord av kompositmaterial - kolfiber, epoxihartser, aramidfilament , skum och en tunn transparent plastfilm.
De geometriska parametrarna för vingen på enheten ärvt från sina föregångare - NASA Pathfinder och NASA Centurion. Vingkorda - 2,4 m, profiltjockleken var 290 mm (relativ tjocklek - 12%) och var oförändrad längs hela sin längd. Vingens bakkant hade en lätt böjning uppåt i profilen, vilket förbättrade dess bärförmåga vid låga hastigheter. Grunden för vingstrukturen var en rörformad balk gjord av kolfiber, ytterligare förstärkt i de övre och nedre delarna av sektionen med Nomex- och Kevlar- fibrer för att kompensera för de vertikala böjkrafterna som uppstår på vingen under flygning. Ribborna var också gjorda av kolfiber (kolfiber och epoxi), framkanten på vingen innehöll skumfyllmedel. En transparent plastfilm användes som ett skinn.
Prototypens vingspann, cirka 75 meter, överskred de liknande egenskaperna hos det största serieflygplanet byggt i USA - militärtransporten C-5 (67,88 m) och den civila Boeing-747 (från 59,6 till 68,5 m för olika modifieringar) . Vingytan var 183,6 m², vilket gav en belastning på 3,95 kg/m² med en startvikt på 726 kg. Vingen var sammansatt av sex 12-meterssektioner, vid vars korsning gondoler hängdes upp från den - landningsställskåp. Vingens ändsektioner avvek från horisontalplanet med 10° uppåt för att ge flygplanet större sidostabilitet. Nacellerna tillverkades mestadels av samma material som fendern, det fasta landstället bestod av ett bakhjul från en mountainbike och ett mindre framhjul från en skoter. Den centrala gondolen, något större än resten, hade batterier, ett bränslecellsbatteri, sensorer och styrsystem.
Enheten drevs av 14 (i HP01-konfigurationen) eller 10 (HP03) elmotorer, var och en med en effekt på 1,5 kW. Elmotorerna drevs av batterier - under start, såväl som under hela flygningen under de inledande testerna. Solpaneler tillverkade av SunPower installerades på vingens övre plan i början av 2000 och försåg enhetens motorer med energi under flygningar under dess fortsatta drift. I HP03-konfigurationen var framdrivningssystemet dessutom utrustat med speciellt modifierade kommersiella väte-luftbränsleceller för att ge kraft på natten.
De aerodynamiska kontrollerna bestod av böjbara ytor placerade längs hela längden av den bakre kanten av vingen, kontrollerade av servomotorer och endast använd för stigningskontroll . För att kontrollera girningen användes motorernas dragkraft - för att vrida apparaten ökade hastigheten på motorerna på en vingkonsol och hastigheten på motorerna på den motsatta minskade. Under testerna undersöktes även möjligheten att styra med hjälp av motorkraft och stigning. Helios-vingen under flygning hade en betydande böj, och de extrema motorerna visade sig vara höjda högre än de som låg närmare mitten av strukturen. Med denna konfiguration gav en ökning av dragkraften hos de yttre motorerna en minskning av stigningen och tvingade enheten att gå ner, och en ökning av dragkraften hos de mittersta motorerna ökade stigningen och gav en stigning.
| Stigfinnare | Pathfinder Plus | Centurion | Helios HP01 | Helios HP03 | |
|---|---|---|---|---|---|
| Längd, m | 3.6 | 3.6 | 3.6 | 3.6 | 5.0 |
| Wing ackord, m | 2.4 | ||||
| Vingspann, m | 29,5 | 36,3 | 61,8 | 75,3 | |
| Vingförlängning | 12 | femton | 26 | 30,9 | |
| Aerodynamisk kvalitet | arton | 21 | ? | ? | ? |
| Hastighet, km/h | 27-33 | 30,6-43,5 | ? | ||
| Max. nådd höjd, m | 21 802 | 24 445 | n/a | 29 524 | 19 812 |
| Tomvikt, kg | ? | ? | ? | 600 | ? |
| Maximal startvikt, kg | 252 | 315 | 862 | 929 | 1052 |
| Nyttolast, kg | 45 | 67,5 | 45-270 | 329 | ? |
| Motorer | elektrisk, 1,5 kW styck | ||||
| Antal motorer | 6 | åtta | fjorton | fjorton | tio |
| Nätaggregat | batterier, solpaneler | batterier, solpaneler | batterier, solpaneler | litiumbatterier, solpaneler | litiumbatterier, bränsleceller, solpaneler |
| Installerad effekt av SB, kW | 7.5 | 12.5 | 31 | ? | 18.5 |