系留无人机克服了满足日益增长的 ISR 需求的困难

系留无人机克服了满足日益增长的 ISR 需求的困难,第1张

系留悬停无人机是一种由蜻蜓影业 (DPI) 开发的军用/工业级无人多旋翼空中中继 (UMAR) 无人机,可以跟踪海上和陆基平台,如船舶、船只、卡车和其他除了作为海军通信基站的经典用途之外,还可以使用车辆。

虽然电池供电的多旋翼无人机需要每 20 分钟快速充电或更换一次电池,但系留无人机通过连接到基站的电缆接收电力,使其能够在海拔 500 英尺的地方运行 400 多个小时——多亏了通过系绳的持续能量流动。

新型垂直起飞无人机防风雨,可长时间在空中停留,并使用柔性电缆作为永久物理链接,提供动力和通信以及机械支持。

系留无人机

对远程通信和情报、监视和侦察 (ISR) 需求的增加推动了对无人机的兴趣;然而,前几代无人机遇到了技术困难和限制,特别是在飞行控制方面。用于物流应用的高速飞行的固定翼无人机不具备机载监视和通信功能。无绳无人机在强风和大雨等恶劣条件下会遇到稳定性问题。为了克服这些困难,Dragonfly 开发了一种新型无人机,即系留悬停无人机。

与经典无人机相比,这些无人机具有垂直起降能力。不需要跑道、发射或回收设备。它们还在湍流天气、雨、雪、灰尘和高温下提供良好的性能,并针对咸水海洋环境进行了优化。系绳消除了电子干扰的危险,因此使系统不受 GPS 和无线电频率的影响。

DPI 的系留无人机目前符合美国海军在海洋/海上环境中用于 ISR、通信和视频应用的资格。

无人机通常提供高达数百米的操作高度,限制因素是无人机支撑系绳重量的能力。系绳可以由芳纶或其他轻质合成材料制成以提供强度,铜或镀铜用于能量传导,光纤用于数据和通信。该系统可以是基于地面的或基于车辆的。

悬停在船舶上方数百英尺的系留无人机克服了船舶通信系统的挑战,这些系统受到地球曲率的限制,只能在与地平线的视线内进行通信。系留无人机系统 (UAS) 可以提供视线之外的连续通信。系绳为无人机系统提供持续的动力和指挥/控制,从而大大增加了任务的持续时间。连接的 UAS 系统减少了操作员的工作量和任务规划,允许主舰和船外资源进行更长时间的通信。

DPI 运营副总裁 Joe Pawelczyk 表示:“UMAR 可以托管各种传感器,包括摄像头、雷达和天气数据,这些数据可以在高海拔地区长时间收集。” “DPI 已经在 45 英尺长的美国海岸警卫队船只、美国海军舰艇和美国陆军地面平台的各种船只上测试了其系留无人机系统。”

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图1:无人多旋翼空中接力(UMAR)(来源:Dragonfly)

电源挑战

系留架构的设计挑战主要针对电源系统。电源必须以非常高的电压和低电流从主舰输送到多旋翼无人机,以允许使用更薄、更轻的硬件资源,从而使无人机具有更大的机动性和更高的空中有效载荷。

系绳的重量、尺寸和电气特性直接影响系绳无人机的性能。反过来,电力输送网络对系绳设计有直接影响。为了实现更薄更轻的系绳,必须以非常高的电压和低电流从主舰向无人机输送电力。这允许更大的机动性和更重的飞机有效载荷,从而改善通信和监视

功率水平在 8 到 10 kW 之间;在这些条件下,UMAR 无人机极其强大和坚固,可以在影响主舰定位的湍流条件下保持持久的静止定位。

在多旋翼无人机内部,高压转换必须以尽可能小的占地面积和减少空间和热效应的外形尺寸来完成。

为了应对这些严峻的电源挑战,DPI 在其 UMAR 中采用了薄型 Vicor 高压 BCM VIA 模块,以实现高效率 (98%) 转换,而从 800 V 到 50 V 的损耗和热量只有 2%。

为了为八个独立的无人机旋翼供电,DPI 使用了八个 Vicor 高压 BCM4414 固定比率 DC/DC 转换器。这些模块本质上具有低 EMI,高频谐波很少。Vicor BCM 中的集成 EMI 滤波通过增加比传统 DC/DC 转换器更小的尺寸和重量来帮助最大限度地减少 EMI 噪声。

“使用 Vicor 电源模块,我们能够减轻无人机上所有组件的重量,以增加高度和空速,同时携带所需的任务有效载荷,”Pawelczyk 说。

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图 2:八个 Vicor HV BCM 为八个独立的 UMAR DPI 转子供电。(来源:Vicor)

UMAR 可能是在国防和商业运营期间与无人水面舰艇进行通信的有用工具。UMAR 也可以作为电信的备份,作为海上移动通信的回程方法。它的潜在应用包括用于海上石油和天然气以及可再生能源运营中的通信基站。对于更长的距离,可以使用多个菊花链无人机。

审核编辑 黄昊宇

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