Elektrische Antriebssysteme werden in modernen unbemannten Fluggeräten aktiv eingesetzt und sorgen für hohe Flugleistungen. Ein weiteres Wachstum wichtiger Parameter kann durch die Nutzung der Sonnenenergie erreicht werden. Eine Reihe von experimentellen solarbetriebenen UAVs wurde entwickelt - aber noch keines der Projekte wurde mit der Lösung realer Probleme zum vollwertigen Betrieb gebracht.
Mit Beteiligung der NASA
Um die Wende der siebziger und achtziger Jahre forschte das amerikanische Unternehmen AeroVironment auf dem Gebiet der Solarenergie für Flugzeuge. 1983 erhielt sie von der NASA den Auftrag, ein experimentelles UAV zu entwickeln, das hohe Leistungsmerkmale aufweisen kann. Das erste Projekt der neuen Serie hieß HALSOL (High Altitude Solar). Es wurde später in Pathfinder umbenannt.
Im selben Jahr fand der Erstflug einer erfahrenen Drohne statt, die Tests wurden jedoch aufgrund des unzureichenden Entwicklungsstands der Schlüsseltechnologien als erfolglos anerkannt. Die Fertigstellung des Projekts dauerte bis 1993, als die Tests wieder aufgenommen wurden. Schon bald zeigte Pathfinder alle Vorteile neuer Technologien und Komponenten. Im Laufe der Jahre hat das UAV eine Reihe von Höhen- und Flugdauerrekorden für solarbetriebene Fahrzeuge aufgestellt.
1998 wurde eine erfahrene Drohne nach dem Pathfinder Plus-Projekt aufgerüstet. Durch das Redesign und die Einführung neuer elektrischer Komponenten konnte die Leistung nochmals gesteigert und neue Rekorde aufgestellt werden. Im gleichen Zeitraum wurden die UAVs Centurion und Helios Prototype mit einem ähnlichen Aussehen, jedoch mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt.
Erfahrene UAVs von NASA und AeroVironment wurden nach dem allgemeinen Schema gebaut. Das Hauptdesignelement war ein Flügel mit großem Seitenverhältnis von 29,5 m (Pathfinder) bis 75 m (Helios). Am Flügel wurden Elektromotoren mit Zugschrauben (von 6 bis 14 Einheiten) und Gondeln mit Fahrwerk und Ausrüstung installiert. Alle Fahrzeuge der Serie hatten eine Fernbedienung und konnten etwas Nutzlast transportieren.
Die maximal mögliche Flügelfläche wurde Sonnenkollektoren überlassen. Im Pathfinder-Projekt gaben sie eine Leistung von 7,5 kW ab, und im späteren Centurion schafften sie es, mehr als 30 kW zu bekommen. Als Notstromquelle dienten wiederaufladbare Batterien. Brennstoffzellen wurden auch in späteren Experimenten verwendet.
Experimentelle Drohnen hatten keine hohe Fluggeschwindigkeit. Der großspannige gerade Flügel begrenzte diesen Parameter auf 30-45 km/h. Gleichzeitig wurden Rekordflüge in Höhen von 24-29 km durchgeführt und dauerten mindestens 12-18 Stunden.
Europäische Serie
Seit 2003 wird an Projekten der Zephyr-Reihe gearbeitet. Ursprünglich wurde das neue UAV von der britischen Firma QinetiQ erstellt, später wurde die Arbeit jedoch an die Militärabteilung von Airbus übertragen. Ziel des Projekts war es, eine solarbetriebene Höhendrohne mit langer Flugdauer zu entwickeln, die Überwachungsausrüstung tragen kann.
Mitte des Jahrzehnts begannen die Tests an einem Demonstratorgerät mit reduzierter Technologie. Zephyr 6 demonstrierte das Potenzial des Designs als Ganzes und seiner einzelnen Elemente. Im Jahr 2008 stieg dieses UAV auf eine Höhe von 19 km. Dann kam der Prototyp des Zephyr 7 in Originalgröße, der im Juli 2010 einen Flugdauerrekord von mehr als 14 Tagen aufstellte. Im Jahr 2018 blieb ein weiterer Prototyp, Zephyr 8 (Zephyr S), fast 26 Tage in der Luft.
UAVs der Airbus Zephyr-Serie erhalten einen Flügel mit großem Streckungsverhältnis mit angehobenen Spitzen. Der größte Zephyr 8 hat eine Flügelspannweite von 28 m. Gewicht - bis zu 50-70 kg, davon fallen nicht mehr als 5 kg auf die Nutzlast. Elektromotoren befinden sich an der Vorderkante des Flügels; am Heck ist ein dünner Heckausleger mit Gefieder angebracht. Fast die gesamte Flügeloberseite ist für Sonnenkollektoren vorgesehen. Darüber hinaus verfügt das UAV über Akkumulatoren, um den Flug bei Abwesenheit von Sonnenlicht zu gewährleisten. Die Fluggeschwindigkeit überschreitet nicht 50-60 km / h, das Ziel des Projekts war jedoch eine hohe Reichweite, Höhe und Dauer zu erreichen.
Die Entwicklung der Projekte der Zephyr-Serie geht weiter. Die Verbesserung bestehender Maschinen wird durchgeführt, um reale Aufgaben zu erfüllen, sowie neue Muster mit unterschiedlichen Eigenschaften erstellt. Derzeit gelten solche UAVs als Träger von Überwachungsgeräten, elektronischen Geräten usw.
Von bemannt zu unbemannt
Von besonderem Interesse ist das Projekt Solar Impulse des gleichnamigen Schweizer Unternehmens. Er schlägt den Bau von solarbetriebenen bemannten Flugzeugen vor. Seit 2009 nehmen zwei ähnliche Maschinen an Flugtests teil. Im Laufe der Zeit kündigte das Entwicklungsunternehmen seine Absicht an, eine unbemannte Version des bestehenden Flugzeugs zu entwickeln.
Im November 2019 schloss Solar Impulse mit Unterstützung von Leonardo und Northrop Grumman den Umbau eines der Flugzeugprototypen in ein UAV ab. Flugtests waren für 2020-21 geplant, und Anfang der zwanziger Jahre ist es möglich, im Interesse echter Kunden eine Kleinserienproduktion aufzunehmen. Es wird angenommen, dass eine solche Drohne einen Wettbewerbsvorteil in Form von Hochleistungseigenschaften hat.
Solar Impulse 2, umgebaut zu einem UAV, hat einen geraden Flügel mit einer Spannweite von 72 m, unter dem ein leichter Rumpf und vier Gondeln von Elektromotoren installiert sind. Es wurde eine Kombination aus Sonnenkollektoren und Akkumulatoren verwendet; Spitzenleistung 66 kW. Das Flugzeug entwickelte eine Geschwindigkeit von bis zu 140 km/h und stieg 12 km hoch. Die Konstruktionsmerkmale der unbemannten Modifikation werden höher sein. Insbesondere soll die Flugdauer auf 90 Tage verlängert werden.
Begrenzte Aussichten
In den letzten Jahrzehnten wurden im Bereich der solaren UAVs erhebliche Fortschritte erzielt. Neue Typen von Paneelen, Batterien und Elektromotoren mit verbesserten Eigenschaften werden entwickelt und eingeführt; Beim Bau von Flugzeugzellen werden moderne Materialien verwendet, die für Langlebigkeit und geringes Gewicht sorgen. Gleichzeitig haben solche Drohnen trotz aller Bemühungen noch keinen vollwertigen Einsatz erreicht.
Trotz aller Bemühungen der Wissenschaftler sind Sonnenkollektoren noch nicht sehr leistungsstark. Infolgedessen ist es erforderlich, unter ihnen die maximal mögliche Fläche zu geben und gleichzeitig die Struktur zu erleichtern. Nur unter solchen Bedingungen ist genügend Energie vorhanden, um die Motoren anzutreiben und die Batterien wieder aufzuladen. Darüber hinaus sind Maßnahmen erforderlich, um die Stromversorgung der Motoren unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts oder bei Abwesenheit aufrechtzuerhalten.
Infolgedessen erweist sich ein bemanntes Flugzeug oder UAV, das selbst unter Verwendung fortschrittlicher Technologien gebaut wird, als groß und teuer, kann jedoch keine nennenswerte Nutzlast tragen. Es ist jedoch in der Lage, hohe Flugeigenschaften zu zeigen und ist daher von gewissem praktischen Interesse.
Die Fähigkeit, lange Zeit in großen Höhen zu fliegen, kann bei der Aufklärung oder Überwachung der Situation in verschiedenen Situationen nützlich sein. Es werden auch Projekte für "Atmosphärensatelliten" vorgeschlagen - unbemannte Fluggeräte mit langer Flugdauer mit Ausrüstung zur Weiterleitung von Funksignalen. Von einer solchen Technologie wird erwartet, dass sie lange Zeit in einem bestimmten Gebiet bleiben und eine ständige Kommunikation gewährleisten kann, da sie ein einfacher und kostengünstigerer Ersatz für Raumfahrzeuge ist.
Offensichtlich können solarbetriebene UAVs beim derzeitigen Stand der taktischen und technischen Eigenschaften keine Kampfflugzeuge sein. Die begrenzte Tragfähigkeit erlaubt es nicht, große Munition mitzunehmen, und das charakteristische Aussehen erhöht die Sichtbarkeit für jedes Erkennungsmittel. Aber auch Aufklärungsdrohnen und Repeater können für Armeen interessant sein.
Solar-UAVs werden in mehreren Ländern entwickelt und es wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Die Eigenschaften solcher Geräte nehmen allmählich zu, und in absehbarer Zeit sind die ersten Muster durchaus in der Lage, den realen Betrieb zu erreichen. Diese Richtung sollte jedoch nicht überschätzt werden. In der Praxis dürften solche Drohnen zu einem effektiven Mittel werden, um bestimmte Nischen zu besetzen, in denen sie ihr volles Potenzial ausschöpfen können und keine inhärenten Nachteile aufweisen.
