要約:
英国の BAE Systems 社は、自社の PHASA-35 高高度ソーラー ドローンに新しいワイヤレス給電機能を追加します。この機能は、地上局を使用して飛行中のドローンに指向性マイクロ波エネルギーを放射し、電力を補います。このプロジェクトは英国高等研究発明庁（ARIA）から1,570万ポンドと約2,100万米ドルの契約支援を受けており、今後3年半以内に技術開発と飛行検証を完了することを目標としている。この実験が成功すれば、太陽光発電で高高度を飛行するドローンは、夜間や冬場の日照不足時に飛行を維持することが困難になるという問題が解決されることが期待される。
PHASA-35 は、高高度で長時間持続する太陽光発電式 UAV で、「高高度擬似衛星」(HAPS) としても分類されます。約20,000メートル以上の成層圏で動作するように設計されています。ほとんどの気象システムや従来の航空交通を回避し、時速約 90 キロメートルの速度で巡航を続けることができます。この航空機には長さ 35 メートルの炭素繊維複合材の翼が付いています。機体はとても軽いです。太陽電池は翼の表面に配置され、電気モーターや搭載機器にエネルギーを供給します。
このタイプの航空機の最大の利点は、任務を遂行するために指定された地域の上空に長時間滞在できることです。高高度太陽光発電ドローンは、宇宙に打ち上げる必要がある従来の人工衛星よりも配備コストが安く、通常の航空機のようにミッションエリアを変更できます。将来的には、PHASA-35は、通信中継、地球観測、監視などの長期連続運用が必要な任務を担うことが可能になります。
理論的には、PHASA-35 は日中は太陽エネルギーに頼って発電し、夜間の飛行を維持するために余剰電力をバッテリーに蓄えることができます。 BAEシステムズは以前、この航空機の最大1年間の連続飛行という目標を設定していた。ただし、この能力は地域の太陽光条件に大きく依存します。
赤道に近い地域では、一年を通して昼と夜の長さの変化が少ないため、太陽光発電ドローンが十分な太陽光を得ることが容易になります。しかし、イギリスのような高緯度地域では状況が全く異なります。冬には日が著しく短くなり、夜が長くなります。期間によっては、長期間にわたって有効な太陽光が不足することもあります。常に高度を維持する必要がある航空機の場合、最終的にはバッテリー容量が飛行時間を決定する重要な制限になります。
冬の長い夜に対応するために多数のバッテリーを追加すると、航空機の重量はさらに増加します。 PHASA-35 のような非常に軽量な太陽光発電航空機の場合、重量の増加は飛行効率に直接影響を与えると同時に、通信機器、センサー、その他のミッション負荷に使用できる重量スペースも占有します。
そこで ARIA は、高高度の太陽光発電プラットフォームが昼、夜、季節の制限から逃れることを可能にする新しいエネルギー システムの開発を目指して、「持続大気プラットフォーム」プロジェクトを立ち上げました。 BAE Systemsの子会社であるPrismaticは、実際の飛行検証プラットフォームとしてPHASA-35を使用し、今後3年半かけて段階的に地上ワイヤレス給電技術の開発とテストを行う予定だ。
基本原理は、地上から専用のエネルギー送信ステーションを建設し、電気エネルギーを指向性マイクロ波ビームに変換し、そのエネルギーを高高度に位置する PHASA-35 に正確に送信することです。特別な受信装置が航空機の翼内に組み込まれ、受信したマイクロ波エネルギーを電気エネルギーに変換し、航空機のモーターとバッテリーシステムに供給します。
このソリューションは、従来の意味でのワイヤレス充電とは明らかに異なります。ドローンは地面に着陸したり、充電装置に接触したりすることはありません。その代わりに、長距離の地上設備からエネルギーを受けながら、高度数万メートルを飛行し続けます。したがって、地上局が航空機の位置にエネルギーを供給し続けることができる限り、太陽が沈んでも PHASA-35 は飛行を続けることができます。
高高度の太陽光発電ドローンにとって、この技術の最大の意義は、夜間飛行時間を延長するだけでなく、航空機の限られた重量予算を再配分できる可能性があることです。航空機が冬の長い夜に対応できる大容量バッテリーを搭載する必要がなくなった場合、バッテリーの重量を軽減でき、解放された重量を通信機器、レーダー、電気光学センサー、またはその他のミッションペイロードの追加に使用できます。
BAE Systems は、PHASA-35 が低コストの代替衛星プラットフォームとしての地位を証明しており、このプロジェクトでは、この航空機に強力な連続稼働能力を持たせる方法をさらに検討すると述べました。最終的な目標は、太陽光発電の高高度プラットフォームが季節の太陽光に制限されなくなり、それによって年間を通して真の意味で長期的な空中展開を実現することです。
PHASA-35 はこれまでに複数の飛行テストと耐久性テストを完了しています。この航空機は2020年に初飛行を完了し、それ以来数十時間にわたる耐久テストと搭載センサーの包括的な検証を受けてきました。これは、成層圏で長期間運用し、従来の人工衛星や一部の有人航空機では経済的に実行することが困難なタスクを実行できるように設計されています。
地上からのマイクロ波エネルギー供給技術が最終的に証明されれば、この航空機の適用範囲はさらに拡大する可能性があります。通信ミッションの場合、高高度プラットフォームはターゲットエリア上に長時間ホバリングし、遠隔地に通信中継を提供します。監視や地球観測ミッションでは、通常のドローンのように頻繁に着陸して充電する必要がなく、一定のエリアの近くに長時間留まることができます。
しかし、地上から高高度航空機へのワイヤレス給電には、マイクロ波エネルギー伝送効率、長距離ビーム制御、航空機受信機器の重量、複雑な気象条件下でのエネルギー伝送、飛行の安全性など、依然として多くの技術的問題が残されています。この技術が実際の大気環境下で安定して動作するかどうかを、実際の飛行実証を通じて検証することが、このプロジェクトの核心の一つです。
ARIA の契約は 3 段階に分けて進められ、最終目標は PHASA-35 が包括的な飛行デモンストレーションのための完全なシステムを搭載することです。最終的に成功すれば、太陽光発電の高高度ドローンは、「日中は太陽に依存し、夜間はバッテリーに依存する」という運用モードから、「太陽エネルギーと地上の無線エネルギー供給を組み合わせる」全天候型エネルギーシステムに移行する可能性がある。
PHASA-35 にとって、これは、その本来の最大の弱点である夜間と冬季の太陽光不足が、地上からのエネルギー供給によって解決されることが期待されることを意味します。 HAPS分野全体にとって、この技術により、高高度ソーラー航空機は本当に一年中空中に留まることができ、特定の通信、監視、地球観測ミッションにおいて従来の航空機と衛星の間に新たなプラットフォームを形成できるようになるかもしれない。
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