“西风”太阳能无人机项目在艰难中前行

托尼·奥斯本

“西风”无人机迎来新曙光

空中客车公司计划在2024年底前开始利用其高空飞行的“西风”（Zephyr）太阳能无人机提供商业服务。该计划反映出空中客车公司对该平台的能力越来越有信心，尽管在夏季时因天气状况而失去了第三架飞机。但是，这次“西风”平流层无人机飞行了64天，是飞行时间最长的一次。

“西风”平台及其数千小时的飞行经验将使空中客车公司在通信和地球观测服务市场上具有战略优势。试图进入高空伪卫星（HAPS）市场的竞争对手并不缺乏，但到目前为止，很少同等的飞行器升空，更不用说到达平流层了。

空中客车公司高空伪卫星连接解决方案业务负责人萨姆尔·哈拉维（Samer Halawi）在12月12日于马德里举行的公司简报会上对记者表示：“我们相信，我们将每天都在拯救人们的生命，改善人们的生活。”萨姆尔·哈拉维表示，在未来10年内，一个由1000架“西风”无人机组成的网络可能会在全球范围内运行。全球“西风”机队最大的市场机会将是向偏远地区提供4G/5G手机通信服务，从而减少手机服务提供商安装塔的需求以及相关的建筑和土地租赁成本。

萨姆尔·哈拉维列举了墨西哥的一些地区，这些地区完全没有手机运营商的通信服务，因为从人口中获得的利润少于安装手机塔的成本和与手机塔相关的土地租金。萨姆尔·哈拉维说：“我们‘西风的覆盖成本可能不到一半。因此，通过服务这一领域，移动运营商可以做到这一点，而无须从他们的口袋中获得补贴。同时，他们也创造了利润。”一架“西风”无人机可以为目前由80个手机塔服务的地区提供通信连接，如果需要额外的容量，另一架“西风”无人机可以飞到合适的位置。

“西风”无人机应用的其他潜在机会还包括政府的地球观测任务，配置光电相机的“西风”无人机还可以监测森林火灾或观察城市交通流量。

但是，萨姆尔·哈拉维也表示，这些类型的运营需要对无人机平台进行认证，同时也需要一个生态系统来支持已经在进行的运营工作。

此前，“西风”无人机已经为政府客户执行了几次飞行任务，这些任务都与美国陆军和英国国防部等机构执行的演示飞行有关。

与首飞时只持续了几分钟相比，“西风”无人机在飞行性能上有了很大的飞越。萨姆尔·哈拉维表示，“西风”无人机可以在空中停留200～300天。此外，该公司正在探索氢燃料电池推进系统是否能让该平台在更极端的纬度上空运行，在那里太阳光照度要么太低，要么根本没有，无法为机载的太阳能电池充电。该公司还计划研发具有更大有效载荷能力的更大的“西风”改型也在考虑之中。

尽管有这些宏伟的计划，“西风”无人机的运行仍将受到天气条件的影响，特别是在上升和下降过程中。它们按照严格公差制造的精致机身，专为平流层更温和的条件而设计，因此难以应对低空的湍流和其他天气条件。

2022年8月，空中客车公司在美国上空失去一架“西风”无人机，其原因归咎于天气。这是自2019年以来的第三次出現因天气而导致的损失。当时，这架无人机正为美国陆军进行演示飞行的最后阶段，在8月18日返回亚利桑那州尤马试验场时，在17373.6m的高空遭遇了恶劣天气。由于飞行达到了前所未有的高度，飞机遇到的湍流太大，导致无人机失踪。此前，由于上升到平流层期间的天气条件影响，空中客车公司在澳大利亚北部上空曾经失踪了两架“西风”无人机。

在飞行演示期间，天气导致了用于两个电机中的一个出现故障，然后关闭。“西风”无人机只能靠一个电机飞行，该机从未设计过这种配置。如果没有第二台发动机，“西风”无人机就无法爬升到适当的高度以避开天气，而且飞机还受到空域飞行的限制。后来，空中客车公司已经解决了电机故障问题。

这次飞行不仅是“西风”无人机平台迄今为止飞行时间最长的一次，也是第一次跨越水域和国际边界，飞越墨西哥湾进入伯利兹，然后按计划返回美国。

平流层飞行仍面临挑战

2022年6月15日，“西风”无人机开始为美国陆军定位、导航和定时/空间跨职能团队进行飞行验证。但是据美国陆军新闻稿8月23日报道，“西风”无人机飞行演示于当地时间8月18日晚上9点停止，当时这架太阳能无人机在亚利桑那州尤马试验场上空飞行时“遇到了导致其意外终止的事件”，最终坠毁。当时，“西风”正在进行实验性许可认证飞行，并在受限空域进行操作。空中客车公司决定不离开该空域，而是留在那里，并实际推动飞机的飞行。这架“西风”无人机用一台发动机飞行了1h。此前，在澳大利亚北部进行的飞行试验中，由于低空的湍流天气条件，两架“西风”无人机坠毁。

尽管损失了一架“西风”无人机，但是美国陆军认为，此次飞行应该是成功的。因为其他同温层太阳能飞机研发项目都很难进入大气层，更不用说同温层了。此次飞行取得了一定的成果：首先，这不仅是“高空伪卫星”最长航时的飞行，同时也是第一次跨越水域和国际边界的飞行，还飞越墨西哥湾进入伯利兹，然后返回美国。同时，美国陆军声称，这已经是使用卫星通信控制的最长连续飞行，也是距离发射点最远的飞行演示，同时携带商用现货有效载荷。其次，此次飞行还验证了来自亚拉巴马州亨茨维尔、尤马和英国范堡罗三个不同地点的弹性卫星指挥和控制能力以及“西风”无人机的储能能力、飞行续航能力、定位和灵活定位能力。再次，此次飞行持续了64天，获取了1500h的飞行数据。最后，此次飞行打破了60年来飞行时间的最长纪录。此前，最长飞行时间的纪录是由罗伯特·蒂姆和约翰·库克驾驶他们的“庄园赛斯纳”172（Hacienda Cessna 172）飞机在1958年12月4日至1959年2月7日期间创造。当时，这一纪录还是在移动卡车加油的帮助下获得的。空中客车公司表示，这64天的飞行使得“西风”无人机的总飞行时间达到128天，其中126天在平流层，总飞行时间约达到了4000h。

据了解，这是“西风”无人机的第三次坠毁。空中客车公司认为，“西风”脆弱的机身设计是最大可能造成事故的原因，因为根据最初设计要求，飞机是在平静的天气中升降至平流层。同时，空中客车公司对在澳大利亚北部的两架“西风”在上升到平流层的过程中因天气状况而坠毁仍然记忆犹新。

最终的原因需要工程师们在仔细研究1500h的飞行数据后才能调查清楚。但是这一教训要求空中客车公司投资改善天气和风力预测。由于需要分析数据和调查事故，美国陆军7月宣布的飞越太平洋的计划在内的其他飞行已推迟至明年。

太阳能无人机前景仍然被看好

“西风”无人机是一种质量为75kg的太阳能飞行器，翼展25m。该平台设计用于在21336m左右的高度连续运行数周，搭载5kg Opaz光电有效载荷，能够收集静止图像、视频和红外图像，提供持续监视或充当通信中继能力。此外，还可以作为飞行手机塔台的工作，通过4G和5G连接远程人群。其他任务选择包括地球监测和监视。此次飞行事故证实了在如此脆弱的平台上实现平流层飞行所涉及的复杂性。同时也表明，在开发平流层飞行器方面，飞行经验是不可替代的。

尽管目前“西风”无人机仍然存在各种问题，空中客车公司似乎也毫不气馁，称飞行验证是“实现最终飞行耐力目标过程的一部分”。空中客车公司目前正在探索一种更大的“西风”无人机改进型，其有效载荷能力将增加一倍。此外，该公司正在探索基于氢燃料电池的推进系统，将该机改变成一个混合平台，从而扩大了在阳光更为有限的极端纬度地区作业的选择。其研发团队目前正在分析此次任务提供的1500h平流层飞行数据，以发现导致事故的真正原因所在。

即使考虑到发射和回收的复杂性，美国和英国军方仍对平流层飞行用于情报、监视和侦察（ISR）收集，以及通信中继的潜力深感兴趣。美国陆军提出了多域传感系统概念，设想了具有几层的机载和天基ISR和通信中继平台，旨在为美国陆军提供新型远程精确导弹系统，提供目标定位能力支持。

据《航空周刊》2021年12月17日报道，英国国防部启动了对“高空伪卫星”项目的招标，以提供持续的通信和情报能力。此次招标项目名为“以太”（Aether），价值为1.33亿美元，要求工业界展示具有情报、监视和侦察的平流层无障碍空中系统能力的超持久广域通信。第一阶段框架合同期限为2022年5月至2023年底，额外任务可能持续7年。合同文件表明，英国国防部希望能够“快速机动到世界上任何感兴趣的区域”。平台采集的信息“必须接近实时”，并“利用一系列现有资源进行利用”，要求该系统将“一次执行数月任务”，再补给或维护工作量最小。英国国防部已经赞助了“高空伪卫星”空中系统的试验，最著名的是空中客车公司的“西风”平台。该平台最近在亚利桑那州尤马试验场完成了36天的高空飞行。在英國国防部的部分试验中，“西风”无人机将一架光电相机带到了高空。但是，“西风”面临BAE Systems公司旗下的三楞有限公司研制的Phasa-35平台的竞争。该平台可能具有全年续航能力。“以太”项目的其他工作还包括平台和有效载荷的开发，以及“完全可靠的航空系统”的集成和认证。投标者被要求在2023年1月17日前递交标书。

日本电信公司对利用高空飞行平台开展互联网应用兴趣浓厚。据《航空周刊》2022年1月18日报道，空中客车公司已开始与日本通信提供商合作，研究在“高空伪卫星”（如“西风”无人机）上部署无线通信网络的可行性。日本主要电信提供商日本电报电话公司（NTT）、蜂窝运营商NTT Docomo和卫星广播公司SKY Perfect JSAT已与空中客车公司签署了谅解备忘录。空中客车公司的一份新闻稿称，全球推动5G，最终在陆地和海上推广6G服务，推动了近空间平台对无线连接的需求。HAPS已被确定为“相对简单”的技术解决方案，将补充现有和未来的卫星。空中客车公司表示：“使用非地面网络（NTN）技术提供天基无线电接入网络服务，统称为空间无线电接入网络（RAN），预计将支持覆盖范围超广、抗灾能力增强以及5G和6G增强的全球移动通信。”这些备忘录的研究领域包括“高空伪卫星”系统使用的各种频带的性能、卫星和地面站之间连接“高空伪卫星”的技术考虑，以及在单个合作系统下结合NTN技术、卫星和“高空伪卫星”之间的网络测试。2021年11月，空中客车公司和多科莫公司在一次为期18天的“西风”飞行试验中进行了一次概念验证测试，证明了“高空伪卫星”能够在140km范围内使用2GHz频谱和450MHz窄带提供无线连接。

日本软银（SoftBank）公司非常看好“高空伪卫星”领域发展，并为其筹集可持续资金。据《航空周刊》2021年11月24日报道，日本软银将发行首份可持续发展债券，为其“高空伪卫星”业务筹集资金，该业务计划将太阳能平流层无人机作为互联网连接的机载基站。可持续性债券专门为帮助解决环境和社会问题的项目筹集资金，预计将为其“高空伪卫星”业务筹集约2.6亿美元的资金。该债券将于2022年3月日本财年结束前发行。

软银公司和航空环境公司的合资公司HAPSMobile正在开发“阳光滑翔者”太阳能无人机，为现有移动设备提供 LTE和5G通信。软银公司计划在2027年推出全面的商业服务。

软银公司表示，通过提供从平流层到山区、偏远岛屿和其他无法接入传统电信网络的地区稳定的互联网连接，努力营造一个所有人都能平等获取信息的环境。“高空伪卫星”也将在自然灾害后的网络恢复中发挥作用。