Elektrische voortstuwingssystemen worden actief gebruikt in moderne onbemande luchtvaartuigen en bieden hoge vliegprestaties. Verdere groei van belangrijke parameters kan worden bereikt door gebruik te maken van zonne-energie. Er zijn een aantal experimentele UAV's op zonne-energie ontwikkeld - maar geen van de projecten is tot nu toe volledig operationeel gemaakt met de oplossing van echte problemen.
Met medewerking van NASA
Begin jaren zeventig en tachtig deed het Amerikaanse bedrijf AeroVironment onderzoek op het gebied van zonne-energie voor vliegtuigen. In 1983 ontving ze de opdracht van NASA om een experimentele UAV te maken die hoge prestatiekenmerken kan vertonen. Het eerste project van de nieuwe serie kreeg de naam HALSOL (High Altitude Solar). Het werd later omgedoopt tot Pathfinder.
In hetzelfde jaar vond de eerste vlucht van een ervaren drone plaats, maar de tests werden als mislukt beschouwd vanwege het onvoldoende ontwikkelingsniveau van de belangrijkste technologieën. De afronding van het project duurde tot 1993, toen de tests werden hervat. Al snel toonde Pathfinder alle voordelen van nieuwe technologieën en componenten. In de loop der jaren heeft de UAV een aantal hoogte- en vliegduurrecords neergezet voor voertuigen op zonne-energie.
In 1998 werd een ervaren drone geüpgraded volgens het Pathfinder Plus-project. Door het herontwerp en de introductie van nieuwe elektrische componenten zijn de prestaties weer verbeterd en zijn nieuwe records gevestigd. In dezelfde periode werden de Centurion en Helios Prototype UAV's gemaakt met een vergelijkbaar uiterlijk, maar met verschillende kenmerken.
Ervaren UAV's van NASA en AeroVironment werden gebouwd volgens het algemene schema. Het belangrijkste ontwerpelement was een vleugel met een grote aspectverhouding van 29,5 m (Pathfinder) tot 75 m (Helios). Op de vleugel werden elektromotoren met trekschroeven (van 6 tot 14 stuks) en gondels met een landingsgestel en uitrusting geïnstalleerd. Alle voertuigen in de serie hadden een afstandsbediening en konden wat lading vervoeren.
Het maximaal mogelijke vleugeloppervlak werd besteed aan zonnepanelen. In het Pathfinder-project gaven ze een vermogen van 7,5 kW, en in de latere Centurion wisten ze meer dan 30 kW te krijgen. Oplaadbare batterijen werden gebruikt als back-up stroombron. Brandstofcellen werden ook gebruikt in latere experimenten.
Experimentele drones hadden geen hoge vliegsnelheid. De rechte vleugel met grote overspanning beperkte deze parameter tot 30-45 km / u. Tegelijkertijd werden recordvluchten gemaakt op hoogtes van 24-29 km en duurden ze minstens 12-18 uur.
Europese serie
Sinds 2003 wordt er gewerkt aan projecten van de Zephyr-serie. Aanvankelijk werd de nieuwe UAV gemaakt door het Britse bedrijf QinetiQ, maar later werd het werk overgedragen aan de militaire afdeling van Airbus. Het doel van het project was om een op zonne-energie aangedreven drone op grote hoogte te maken met een lange vluchtduur, die bewakingsapparatuur kan dragen.
In het midden van het decennium begonnen tests op een demonstratieapparaat met beperkte technologie. Zephyr 6 demonstreerde het potentieel van het ontwerp als geheel en zijn individuele elementen. In 2008 klom deze UAV naar een hoogte van 19 km. Toen kwam het prototype op ware grootte van de Zephyr 7. In juli 2010 vestigde het een vluchtduurrecord van meer dan 14 dagen. In 2018 bleef een ander prototype, Zephyr 8 (Zephyr S), bijna 26 dagen in de lucht.
UAV's van de Airbus Zephyr-serie krijgen een vleugel met een grote aspectverhouding en verhoogde uiteinden. De grootste Zephyr 8 heeft een spanwijdte van 28 m. Gewicht - tot 50-70 kg, waarvan niet meer dan 5 kg op het laadvermogen valt. Elektromotoren bevinden zich aan de voorrand van de vleugel; aan de achterzijde is een dunne staartboom met verenkleed bevestigd. Vrijwel het gehele bovenoppervlak van de vleugel is bestemd voor zonnepanelen. Bovendien heeft de UAV accu's om de vlucht te garanderen bij afwezigheid van zonlicht. De vliegsnelheid is niet hoger dan 50-60 km / u, maar het doel van het project was om een groot bereik, hoogte en duur te verkrijgen.
De ontwikkeling van de projecten van de Zephyr-serie gaat door. De verbetering van bestaande machines wordt uitgevoerd om echte taken te vervullen, evenals nieuwe monsters met verschillende kenmerken worden gemaakt. Momenteel worden dergelijke UAV's beschouwd als dragers van bewakingsapparatuur, elektronische apparatuur, enz.
Van bemand naar onbemand
Van bijzonder belang is het Solar Impulse-project van het gelijknamige Zwitserse bedrijf. Hij stelt de bouw van bemande vliegtuigen op zonne-energie voor. Sinds 2009 nemen twee vergelijkbare machines deel aan vliegtesten. Na verloop van tijd kondigde het ontwikkelingsbedrijf zijn voornemen aan om een onbemande versie van het bestaande vliegtuig te maken.
In november 2019 voltooide Solar Impulse, met de hulp van Leonardo en Northrop Grumman, de ombouw van een van de prototype vliegtuigen tot een UAV. Vliegtesten stonden gepland voor 2020-21 en begin jaren twintig is het mogelijk om kleinschalige productie te starten in het belang van echte klanten. Er wordt aangenomen dat een dergelijke drone een concurrentievoordeel heeft in de vorm van hoge prestatiekenmerken.
Solar Impulse 2, omgebouwd tot UAV, heeft een rechte vleugel met een spanwijdte van 72 m, waaronder een lichtgewicht romp en vier gondels van elektromotoren zijn geïnstalleerd. Er is gebruik gemaakt van een combinatie van zonnepanelen en accu's; piekvermogen 66 kW. Het vliegtuig ontwikkelde een snelheid tot 140 km/u en klom 12 km. De ontwerpkenmerken van de onbemande modificatie zullen hoger zijn. Met name de vluchtduur wordt verlengd tot 90 dagen.
Beperkte vooruitzichten
In de afgelopen decennia is er aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van zonne-UAV's. Nieuwe soorten panelen, batterijen en elektromotoren met verbeterde eigenschappen worden ontwikkeld en geïntroduceerd; moderne materialen worden gebruikt bij de constructie van casco's, wat zorgt voor duurzaamheid en een laag gewicht. Tegelijkertijd hebben dergelijke drones, ondanks alle inspanningen, nog geen volwaardige werking bereikt.
Ondanks alle inspanningen van wetenschappers zijn zonnepanelen nog niet erg krachtig. Als gevolg hiervan is het onder hen noodzakelijk om het maximaal mogelijke gebied te geven en tegelijkertijd de structuur te verlichten. Alleen onder dergelijke omstandigheden is er voldoende energie om de motoren aan te drijven en de batterijen op te laden. Daarnaast zijn maatregelen nodig om de stroomtoevoer naar de motoren in stand te houden, ongeacht de intensiteit van het invallende licht of de afwezigheid ervan.
Als gevolg hiervan blijkt een bemand vliegtuig of UAV, zelfs gebouwd met het gebruik van geavanceerde technologieën, groot en duur te zijn, maar kan het geen significante lading dragen. Het kan echter hoge vliegeigenschappen vertonen en is daarom van zeker praktisch belang.
De mogelijkheid om lang op grote hoogte te vliegen kan handig zijn bij het uitvoeren van verkenningen of het bewaken van de situatie in verschillende situaties. Er worden ook projecten voorgesteld voor "atmosferische satellieten" - onbemande luchtvaartuigen voor een lange vlucht met apparatuur voor het doorgeven van radiosignalen. Van dergelijke technologie wordt verwacht dat ze lange tijd in een bepaald gebied kan blijven en constante communicatie kan bieden, wat een eenvoudigere en goedkopere vervanging is voor ruimtevaartuigen.
Het is duidelijk dat op het huidige niveau van tactische en technische kenmerken, UAV's op zonne-energie geen gevechtsvliegtuigen kunnen zijn. Het beperkte draagvermogen maakt het niet mogelijk om grote munitie mee te nemen en het karakteristieke uiterlijk zal de zichtbaarheid voor elk detectiemiddel vergroten. Verkenningsdrones en repeaters kunnen echter ook interessant zijn voor legers.
Zonne-UAV's zijn in verschillende landen in ontwikkeling en er is aanzienlijke vooruitgang geboekt. De kenmerken van dergelijke apparatuur nemen geleidelijk toe en in de nabije toekomst zijn de eerste monsters redelijk in staat om echt te werken. Deze richting moet echter niet worden overschat. In de praktijk zullen dergelijke drones waarschijnlijk een effectief middel worden om specifieke niches te vullen waarin ze hun volledige potentieel kunnen realiseren en geen inherente nadelen vertonen.
