系留無人機(jī)克服了滿足日益增長的 ISR 需求的困難

系留懸停無人機(jī)是一種由蜻蜓影業(yè) (DPI) 開發(fā)的軍用/工業(yè)級無人多旋翼空中中繼 (UMAR) 無人機(jī)，可以跟蹤海上和陸基平臺，如船舶、船只、卡車和其他除了作為海軍通信基站的經(jīng)典用途之外，還可以使用車輛。

雖然電池供電的多旋翼無人機(jī)需要每 20 分鐘快速充電或更換一次電池，但系留無人機(jī)通過連接到基站的電纜接收電力，使其能夠在海拔 500 英尺的地方運(yùn)行 400 多個(gè)小時(shí)——多虧了通過系繩的持續(xù)能量流動。

新型垂直起飛無人機(jī)防風(fēng)雨，可長時(shí)間在空中停留，并使用柔性電纜作為永久物理鏈接，提供動力和通信以及機(jī)械支持。

系留無人機(jī)

對遠(yuǎn)程通信和情報(bào)、監(jiān)視和偵察 (ISR) 需求的增加推動了對無人機(jī)的興趣；然而，前幾代無人機(jī)遇到了技術(shù)困難和限制，特別是在飛行控制方面。用于物流應(yīng)用的高速飛行的固定翼無人機(jī)不具備機(jī)載監(jiān)視和通信功能。無繩無人機(jī)在強(qiáng)風(fēng)和大雨等惡劣條件下會遇到穩(wěn)定性問題。為了克服這些困難，Dragonfly 開發(fā)了一種新型無人機(jī)，即系留懸停無人機(jī)。

與經(jīng)典無人機(jī)相比，這些無人機(jī)具有垂直起降能力。不需要跑道、發(fā)射或回收設(shè)備。它們還在湍流天氣、雨、雪、灰塵和高溫下提供良好的性能，并針對咸水海洋環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。系繩消除了電子干擾的危險(xiǎn)，因此使系統(tǒng)不受 GPS 和無線電頻率的影響。

DPI 的系留無人機(jī)目前符合美國海軍在海洋/海上環(huán)境中用于 ISR、通信和視頻應(yīng)用的資格。

無人機(jī)通常提供高達(dá)數(shù)百米的操作高度，限制因素是無人機(jī)支撐系繩重量的能力。系繩可以由芳綸或其他輕質(zhì)合成材料制成以提供強(qiáng)度，銅或鍍銅用于能量傳導(dǎo)，光纖用于數(shù)據(jù)和通信。該系統(tǒng)可以是基于地面的或基于車輛的。

懸停在船舶上方數(shù)百英尺的系留無人機(jī)克服了船舶通信系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，這些系統(tǒng)受到地球曲率的限制，只能在與地平線的視線內(nèi)進(jìn)行通信。系留無人機(jī)系統(tǒng) (UAS) 可以提供視線之外的連續(xù)通信。系繩為無人機(jī)系統(tǒng)提供持續(xù)的動力和指揮/控制，從而大大增加了任務(wù)的持續(xù)時(shí)間。連接的 UAS 系統(tǒng)減少了操作員的工作量和任務(wù)規(guī)劃，允許主艦和船外資源進(jìn)行更長時(shí)間的通信。

DPI 運(yùn)營副總裁 Joe Pawelczyk 表示：“UMAR 可以托管各種傳感器，包括攝像頭、雷達(dá)和天氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以在高海拔地區(qū)長時(shí)間收集。” “DPI 已經(jīng)在 45 英尺長的美國海岸警衛(wèi)隊(duì)船只、美國海軍艦艇和美國陸軍地面平臺的各種船只上測試了其系留無人機(jī)系統(tǒng)?！?/p>

圖1：無人多旋翼空中接力（UMAR）（來源：Dragonfly）

電源挑戰(zhàn)

系留架構(gòu)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要針對電源系統(tǒng)。電源必須以非常高的電壓和低電流從主艦輸送到多旋翼無人機(jī)，以允許使用更薄、更輕的硬件資源，從而使無人機(jī)具有更大的機(jī)動性和更高的空中有效載荷。

系繩的重量、尺寸和電氣特性直接影響系繩無人機(jī)的性能。反過來，電力輸送網(wǎng)絡(luò)對系繩設(shè)計(jì)有直接影響。為了實(shí)現(xiàn)更薄更輕的系繩，必須以非常高的電壓和低電流從主艦向無人機(jī)輸送電力。這允許更大的機(jī)動性和更重的飛機(jī)有效載荷，從而改善通信和監(jiān)視

功率水平在 8 到 10 kW 之間；在這些條件下，UMAR 無人機(jī)極其強(qiáng)大和堅(jiān)固，可以在影響主艦定位的湍流條件下保持持久的靜止定位。

在多旋翼無人機(jī)內(nèi)部，高壓轉(zhuǎn)換必須以盡可能小的占地面積和減少空間和熱效應(yīng)的外形尺寸來完成。

為了應(yīng)對這些嚴(yán)峻的電源挑戰(zhàn)，DPI 在其 UMAR 中采用了薄型 Vicor 高壓 BCM VIA 模塊，以實(shí)現(xiàn)高效率 (98%) 轉(zhuǎn)換，而從 800 V 到 50 V 的損耗和熱量只有 2%。

為了為八個(gè)獨(dú)立的無人機(jī)旋翼供電，DPI 使用了八個(gè) Vicor 高壓 BCM4414 固定比率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這些模塊本質(zhì)上具有低 EMI，高頻諧波很少。Vicor BCM 中的集成 EMI 濾波通過增加比傳統(tǒng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器更小的尺寸和重量來幫助最大限度地減少 EMI 噪聲。

“使用 Vicor 電源模塊，我們能夠減輕無人機(jī)上所有組件的重量，以增加高度和空速，同時(shí)攜帶所需的任務(wù)有效載荷，”Pawelczyk 說。

圖 2：八個(gè) Vicor HV BCM 為八個(gè)獨(dú)立的 UMAR DPI 轉(zhuǎn)子供電。（來源：Vicor）

UMAR 可能是在國防和商業(yè)運(yùn)營期間與無人水面艦艇進(jìn)行通信的有用工具。UMAR 也可以作為電信的備份，作為海上移動通信的回程方法。它的潛在應(yīng)用包括用于海上石油和天然氣以及可再生能源運(yùn)營中的通信基站。對于更長的距離，可以使用多個(gè)菊花鏈無人機(jī)。

審核編輯 黃昊宇