NASA Helios

NASA Helios ( prototipul NASA Helios - prototipul de zbor Helios, lansat în cadrul programului NASA ) este un vehicul aerian experimental fără pilot care utilizează energia panourilor solare și a celulelor de energie de combustibil pentru a funcționa .

Al patrulea și ultimul prototip, construit ca parte a unei serii succesive de vehicule aeriene fără pilot, a fost dezvoltat pe baza modelelor anterioare - NASA Pathfinder și NASA Centurion . AeroVironment , Inc. a dezvoltat această serie ca parte a programului Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST) sub auspiciile NASA . Programul a avut ca scop dezvoltarea tehnologiilor pentru crearea „sateliților atmosferici” - aeronave de mare altitudine capabile să rămână în aer pentru o perioadă lungă de timp și concepute pentru a îndeplini funcții similare cu cele ale sateliților artificiali de pe pământ. În special, acestea trebuiau folosite pentru a studia procesele din atmosferă, precum și repetoare pentru sistemele de comunicații. [unu]

Istorie

Construire și testare

NASA Helios a fost construit pe un design anterior, NASA Centurion, prin adăugarea unei a șasea secțiuni de aripă de 12 metri și a unui al cincilea tren de aterizare. A devenit al patrulea prototip dintr-o serie de avioane demonstrative de tehnologie realizate conform schemei aripii zburătoare și alimentate de celule solare. Mărirea aripii în comparație cu predecesorii săi a făcut posibilă amplasarea de panouri solare pe o suprafață mai mare, oferind astfel suficientă putere pentru zborurile experimentale planificate cu energie solară. [1] Prototipul a zburat pentru prima dată pe 8 septembrie 1999. [2]

În timpul construcției prototipului, s-a planificat atingerea a două obiective diferite: 1) asigurarea unui zbor stabil la o altitudine de aproximativ 30.000 m și 2) asigurarea zborului pentru cel puțin 24 de ore, din care cel puțin 14 ore dispozitivul trebuia să fie la o altitudine de cel puțin 15 000 m. În acest scop, Helios ar putea fi configurat în două configurații diferite: [3]

• HP01, o configurație orientată spre altitudine, folosea o combinație de panouri solare și baterii pentru a alimenta motoarele.
• HP03, o configurație optimizată pentru durata maximă a zborului, a fost o combinație de panouri solare, baterii și celule de combustibil hidrogen-aer pentru a furniza energie pe timp de noapte. În această configurație, numărul de motoare a fost redus de la 14 la 10.

Testarea de zbor a prototipului, efectuată în a doua jumătate a anului 1999 la Centrul de Cercetare a Zborului Hugh L. Dryden de la NASA, a folosit o abordare tradițională pas cu pas și a inclus un program de zbor la joasă altitudine alimentat de baterii. Pe lângă confirmarea adecvării pentru utilizarea unei aripi lungi și verificarea performanței de zbor a dispozitivului, au testat și ajustat, de asemenea, senzorii și echipamentele de control pentru experimente viitoare pentru a atinge altitudinea și durata maximă a zborului. [unu]

Înregistrări

Pe 13 august 2001, [1] un Helios pilotat de la distanță de Greg Kendall a atins o altitudine de 29.524 m, actualul record mondial pentru zbor susținut la nivel pentru o aeronavă fără reacție cu aripi. [4] Această realizare a depășit recordul de altitudine similar anterior cu mai mult de 3.400 m. În plus, aeronava a petrecut mai mult de 40 de minute la o altitudine de peste 29.000 m. [1]

Crash

Pe 26 iunie 2003, în timpul unui zbor de testare pentru a testa sistemele de control de la distanță pentru testele aeriene maxime de luna viitoare, un prototip NASA Helios s-a prăbușit și s-a prăbușit în Oceanul Pacific la aproximativ 16 km vest de insula Hawaii Kauai . [5] [6]

O prognoză meteo făcută în dimineața accidentului a indicat că condițiile meteo se încadrau în limitele de zbor. Cu toate acestea, chiar înainte de zborul programat, biroul meteorologilor a descris vremea ca „zburătoare, dar foarte rea”. Una dintre principalele probleme au fost câteva zone de forfecare a vântului în largul coastei insulei. Zborul a fost întârziat de ceva timp, dar nu a fost anulat în ciuda lipsei de îmbunătățire a vremii. După decolare, Helios a petrecut mai mult timp decât s-a așteptat într-o zonă cu turbulențe scăzute din partea sub subsol a Kauaiului, deoarece a urcat mai încet decât de obicei. Acest comportament al dispozitivului s-a datorat tulburării semnificative, care a redus puterea panourilor solare și a provocat o scădere a puterii motorului.

Aeronava a urcat la o înălțime de aproximativ 850 m, iar apoi, după cum se precizează în raportul de investigare a accidentului:

... după aproximativ 30 de minute de zbor, a intrat într-o zonă de turbulențe severe și a luat o „configurație stabilă neplanificată cu o îndoire puternică a aripii”. Ca urmare a acestei forme a aripii, dispozitivul a devenit instabil într-o gamă largă de unghiuri de atac, ceea ce a provocat fluctuații ale vitezei fluxului de aer care se apropie, cu valori de vârf de aproximativ două ori mai mari decât cele nominale. Datorită depășirii vitezei de proiectare a fluxului de aer și a sarcinilor dinamice mari rezultate pe marginea anterioară a aripii, pielea planului superior al aripii a fost distrusă și panourile solare amplasate pe ea au fost rupte. Dispozitivul a căzut în ocean în zona de zbor de testare și s-a prăbușit complet. Majoritatea elementelor structurale au fost ridicate din apă, cu excepția unității de pile de combustibil hidrogen-aer și a două dintre cele zece motoare care s-au scufundat în ocean [3] .

Raportul de investigație indică două motive principale pentru ceea ce s-a întâmplat:

• Lipsa unor metode adecvate de analiză a condus la o evaluare inexactă a consecințelor modificărilor efectuate, ceea ce a condus la utilizarea unei configurații extrem de sensibile la influențele externe.
• Modificarea configurației dispozitivului, din cauza sarcinilor programului în curs de executare și a limitărilor tehnologice, a condus la o redistribuire semnificativă a maselor fără modificări ale designului, ceea ce a redus fiabilitatea și nivelul de siguranță. [3]

Constructii

NASA Helios este o aeronavă ultrauşoară cu aripă zburătoare. Cea mai mare parte a structurii a fost realizată din materiale compozite - fibră de carbon, rășini epoxidice, filamente de aramid , spumă și o peliculă subțire de plastic transparent.

Parametrii geometrici ai aripii dispozitivului moșteniți de la predecesorii săi - NASA Pathfinder și NASA Centurion. Coarda aripii - 2,4 m, grosimea profilului a fost de 290 mm (grosime relativă - 12%) și a rămas neschimbată pe toată lungimea sa. Marginea de fugă a aripii avea o ușoară îndoire în sus a profilului, ceea ce i-a îmbunătățit capacitatea de transport la viteze mici. La baza structurii aripii a fost un spat tubular din fibră de carbon, întărit suplimentar în părțile superioare și inferioare ale secțiunii cu fibre Nomex și Kevlar pentru a compensa forțele verticale de îndoire care apar pe aripă în timpul zborului. Nervele erau, de asemenea, realizate din fibră de carbon (fibră de carbon și epoxi), marginea anterioară a aripii conținea umplutură de spumă. O folie de plastic transparentă a fost folosită ca piele.

Anvergura aripilor prototipului, de aproximativ 75 de metri, a depășit caracteristicile similare ale celei mai mari aeronave în serie construite în SUA - transportul militar C-5 (67,88 m) și Boeing-747 civil (de la 59,6 la 68,5 m pentru diverse modificări) . Suprafața aripii era de 183,6 m², ceea ce asigura o sarcină de 3,95 kg/m² cu o greutate la decolare de 726 kg. Aripa a fost asamblată din șase secțiuni de 12 metri, la intersecția cărora au fost suspendate gondole de ea - carenele trenului de aterizare. Secțiunile de capăt ale aripii au fost deviate de la orizontală cu 10 ° în sus, pentru a oferi aeronavei o mai mare stabilitate laterală. Nacellele au fost fabricate în mare parte din aceleași materiale ca și aripa, trenul de aterizare fix a constat dintr-o roată din spate de la o bicicletă de munte și o roată din față mai mică de la un scuter. Ceva mai mare decât restul, telegondola centrală transporta baterii, o baterie pentru celule de combustibil, senzori și unități ale sistemului de control.

Dispozitivul era antrenat de 14 (în configurația HP01) sau 10 (HP03) motoare electrice, fiecare cu o putere de 1,5 kW. Motoarele electrice erau alimentate de baterii - în timpul decolare, precum și pe tot parcursul zborului în timpul testelor inițiale. Panourile solare fabricate de SunPower au fost instalate pe planul superior al aripii la începutul anului 2000 și au furnizat motoarele dispozitivului cu energie în timpul zborurilor în timpul funcționării sale ulterioare. În configurația HP03, sistemul de propulsie a fost echipat suplimentar cu pile de combustibil comerciale hidrogen-aer modificate special pentru a furniza energie pe timp de noapte.

Comenzile aerodinamice constau din suprafețe deflectabile situate pe toată lungimea marginii de fugă a aripii, controlate de servomotoare și utilizate numai pentru controlul pasului . Pentru a controla viciul , a fost folosită forța motoarelor - pentru a roti aparatul, viteza motoarelor situate pe consola unei aripi a crescut, iar viteza motoarelor pe cea opusă a scăzut. În timpul testelor s-a investigat și posibilitatea controlului prin intermediul tracțiunii și pasului motorului. Aripa Helios în zbor a avut o îndoire semnificativă, iar motoarele extreme s-au dovedit a fi ridicate mai sus decât cele situate mai aproape de centrul structurii. Cu această configurație, o creștere a forței motoarelor exterioare a oferit o scădere a pasului și a forțat dispozitivul să coboare, iar o creștere a forței motoarelor din mijloc a crescut pasul și a asigurat o urcare.

Performanța zborului

Vezi și

• Velis Electro

Note

1. ↑ 1 2 3 4 5 6 NASA Helios fișă informativă . Data accesului: 11 ianuarie 2016. Arhivat din original pe 24 noiembrie 2010. (nedefinit)
2. ↑ Fișă informativă NASA Helios - ediție veche; arhivat la archive.org
3. ↑ 1 2 3 4 Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap Arhivat 7 august 2012 la Wayback Machine  - Volumul 1, TE Noll et al., ianuarie 2004
4. ↑ Recorduri mondiale ale aviației și spațiului . Federația Aeronautică Internațională. Consultat la 14 octombrie 2013. Arhivat din original la 16 octombrie 2013. (nedefinit)
5. ^ „Helios Prototype Solar Aircraft Lost In Flight Mishap ”, Science Daily , 1 iulie 2003, accesat la 8 septembrie 2003 . Data accesului: 12 ianuarie 2016. Arhivat din original pe 5 martie 2016. (nedefinit)
6. ↑ Avionul de mare altitudine alimentat cu energie solară s-a prăbușit (link inaccesibil) . Preluat la 11 ianuarie 2016. Arhivat din original la 12 mai 2008. (nedefinit) 
7. ↑ Fișa informativă NASA Pathfinder, arhivată la archive.org
8. ↑ NASA Centurion Fact Sheet arhivat la archive.org