کشتی‌های هوایی ارتفاع بالای بدون سرنشین، وسایل پرنده ای هستند که به لایه استراتوسفر در ارتفاع ۲۰ کیلومتری (۶۵هزار پایی) صعود کرده، برای مدت طولانی (چندین ماه) در یک نقطه ثابت باقی می مانند و به ارائه خدمات گوناگون مخابراتی و سنجش از دور می پردازند.
برخلاف بالون‌های معمولی که توان مقاومت در برابر باد را ندارند، این کشتی های پرنده به کمک موتورهای پیشران الکتریکی، علیرغم وجود باد می توانند در یک نقطه ثابت بمانند. انرژی این موتورها در طول روز به وسیله پنل های خورشیدی، و در شب به کمک باتری ها تامین می شود.
به دلیل قرار گرفتن در ارتفاع بسیار بالا، وسعت محدوده تحت پوشش این کشتی ها بسیار زیاد بوده و با استفاده هم زمان از چند کشتی هوایی می توان تمام مساحت یک کشور را پوشش داد.
کارایی گزینه های جایگزین برای ماموریت مشابه
ناسا در سال ۲۰۰۷ در مقاله ای [۱] به مقایسه گزینه های مختلف قابل انتخاب جهت انجام ماموریت های طولانی مدت علمی و ارتباطی در ارتفاع بالا پرداخت. از نظر سیستم سوخت، کارایی پهپادهای دارای پیل سوختی قابل شارژ توسط نور خورشید و پهپادهایی که از سوخت عادی استفاده می کنند بررسی شد. همچنین هواپیماهای سنگین تر از هوا و بالن های سبک تر از هوا با مشخصات گوناگون مورد بررسی قرار گرفتند.
در بین هواپیماهای سنگین تر از هوا، هیچ کدام نتوانستند تنها با اتکا بر انرژی نور خورشید و پیل های سوختی، ماموریت مورد نظر را به انجام رسانند و نهایتا افزایش میزان انرژی مخصوص ذخیره شده در پیل ها و بازدهی سلول های خورشیدی، از جمله نیازهای الزامی جهت استفاده از این گونه وسایل پرنده در آینده عنوان شد.
در مقاله مذکور، با در نظر گرفتن تکنولوژی در دسترس در حال حاضر و در آینده نزدیک، برای ماموریت تعریف شده، پهپادهای سبک تر از هوای دارای سیستم پیشرانش هیبریدی (پنل خورشیدی و پیل های دارای تکنولوژی تبادل غشای پروتونی هیدروژن-هوا) به عنوان گزینه ی دارای بهترین کارایی معرفی شدند.
در ادامه به بررسی تفاوت های عمده کشتی هوایی ارتفاع بالا با وسایل پرنده دیگر می پردازیم:
در مقایسه با ماهواره ها
سرویس دهی ماهواره های مدار LEO به صورت منقطع است. به این معنا که به دلیل دوره گردش سریع، تنها در بازه های زمانی کوچکی می توانند برای نقطه جغرافیایی معین خدمات رسانی کنند. در مقابل، کشتی هوایی به دلیل باقی ماندن در یک منطقه مشخص و در ارتفاع بسیار زیاد برای مدت طولانی، می تواند خدماتی مشابه ماهواره های مدار GEO ولی با هزینه کمتر ارائه دهد. به عنوان مثال می توان از ارائه خدمات مخابراتی، سنجش از دور، ناوبری، نقشه برداری، کنترل مرزها، کنترل منابع انرژی، کشاورزی و… نام برد.
از جمله تفاوت های این پهپادها با ماهواره ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
الف) هزینه تمام شده کمتر؛
ب) قابلیت تعمیر، تعویض یا ارتقای سیستم های به کار رفته در کشتی های هوایی به صورت دوره ای؛
پ) فاصله کمتر با زمین جهت انتقال اطلاعات و سنجش از دور؛
ت) عدم نیاز به موشک های ماهواره بر و فرآیند پرهزینه پرتاب؛
ث) آسیب پذیر بودن در برابر موشک های هوا به هوا و هوا به زمین در کاربردهای نظامی؛
ج) آسیب پذیری نسبت به توربولانس و تغییرات آب و هوایی در ارتفاع بالا؛
برای رفع این مشکل، حسگرهایی جهت پیشبینی توربولانس یا شرایط نامناسب جوی در پهپاد تعبیه می شود.
چ) آسیب پذیری نسبت به توربولانس و تغییرات آب و هوایی در ارتفاع پایین؛
برای فرود، این پهپادها حدود ۵ ساعت در محدوده تروپوسفر به کاهش ارتفاع خواهد پرداخت و برای این کار، نیازمند شرایط مناسب آب و هوایی خواهد بود.
در مقایسه با وسایل پرنده سنگین تر از هوا (هواپیما، هلیکوپتر و…)
تفاوت های عمده این کشتی های پرنده با وسایل پرنده سنگین تر از هوا به قرار زیر است:
الف) نیاز کشتی هوایی به زیرساخت های پهلوگیری؛
ب) ابعاد بزرگتر کشتی هوایی برای حمل بار مفید یکسان به دلیل اتکا بر نیروی بویانسی؛
پ) قابلیت مانور کم؛
ت) حساسیت بالا به شرایط آب و هوایی و وزش باد؛
در مقایسه با وسایل پرنده سبک تر از هوا (بالن ها) در ارتفاع کم
در مقایسه با وسایل پرنده سبک تر از هوا (بالن ها) که در ارتفاع پایین شناور بوده و به زمین متصل می شوند (Tethered Aerostats)، موارد زیر قابل توجه است:
الف) توانایی حرکت کشتی های هوایی ارتفاع بالا به دلیل داشتن نیروی پیشرانش جهت دور شدن از منطقه دارای آب و هوای نامناسب یا پوشش محدوده جغرافیایی جدید؛
ب) امکان پوشش تمام محدوده جغرافیایی یک کشور با استفاده از تعداد کمی از این پهپادها به دلیل ارتفاع پروازی بسیار بالا؛
پ) نیاز به وسیله پرنده بسیار بزرگتر برای حمل بار مفید یکسان به دلیل کم بودن چگالی هوا در ارتفاع بالا؛
این مورد، محدودیت هایی را برای حمل رادارهای دقیق و سنگین نظامی (که دارای توان تشخیص اهداف کوچک مانند موشک ها هستند) ایجاد خواهد کرد.
کاربرد نظامی
در کاربردهای نظامی، آسیب پذیری این پهپادها، نیاز به داشتن برتری هوایی را نمایان می سازد. البته به دلیل داشتن سطح مقطع راداری (Radar Cross Section) کوچک و پرواز در ارتفاع بالا که خارج از برد بسیاری از موشک هاست، احتمال استفاده نظامی از این پرنده ها منتفی نیست.
چالش ها
به اذعان شرکت ها و موسسات درگیر در طراحی و ساخت پهپادهای ارتفاع بالا [۷-۲]، در زمینه های مختلف تکنولوژیکی، دشواری های گوناگونی برای اجرایی شدن این ایده وجود دارد، که به برخی موارد آن در ادامه اشاره می گردد:
سازه
۱) محدودیت های پوسته
با افزایش قطر، Hoop stress ها افزایش می یابند و در کشتی های هوایی غیر صلب، برای مقابله با ممان های خمشی این قطر به نسبت زیاد است.
۲) نشت گاز هلیوم
وسایل پرنده ای که از نیروی بویانسی استفاده می کنند، نیاز به چک های دوره ای میزان خلوص گاز هلیوم دارند. برای کشتی هوایی که در ارتفاع ۲۱ کیلومتری پرواز می کند، نشت هلیوم و ورود بخار آب و هوا در مرحله طراحی در نظر گرفته شده. با طراحی مناسب پوشش خارجی، این نشتی به حداقل خواهد رسید.
۳) تابش اشعه فرابنفش
باعث کاهش استحکام پوسته می شود. این مورد حتی در بالن هایی که در ارتفاع پایین تر پرواز می کنند هم اهمیت زیادی دارد.
قابلیت اطمینان
به دلیل پرواز کشتی هوایی به مدت بسیار طولانی و عدم امکان انجام تعمیرات در این مدت، لازم است تمام سیستم های مورد استفاده در کشتی دارای قابلیت اطمینان بالایی باشند. تامین این قابلیت اطمینان بیش از حد معمول، باعث افزایش هزینه ساخت این سیستم ها خواهد شد. مدت طولانی ماموریت کشتی هوایی به دلیل نیاز به خدمات مداوم و کاهش زمان و تعداد صعود و فرود در محدوده خطرناک تروپوسفر می باشد.
کنترل
۱- اینرسی
به دلیل سطح بسیار بزرگ کشتی هوایی، نیروهای وارد بر آن بزرگ بوده و اینرسی بالای کشتی هم باید در نظر گرفته شود.
۲- کنترل نیروی برا (لیفت)
برای کنترل نیروی برا می توان از بالاست های رها شونده (افزایش ارتفاع) یا خروج گاز هلیوم (کاهش ارتفاع) استفاده کرد.
۳- اطلاعات آب و هوایی
با این که سرعت وزش باد در ارتفاعات استراتوسفر حداقل می باشد، ولی اطلاعات بلند مدت، مداوم و قابل اطمینان در مورد شرایط باد و توربولانس در این ارتفاع برای تمام نقاط کره زمین وجود ندارد. در نتیجه با وجود کم بودن چگالی هوا در این ارتفاع، بادهای متغیر و توربولانس می تواند مطالبات سنگینی روی سیستم پیشرانش، کنترل و ناوبری اعمال کند.
۴- پرواز در تروپوسفر
با این که کشتی هوایی در ارتفاع ۲۱ کیلومتری پرواز می کند، ولی برای رسیدن به این ارتفاع و برای نشستن نیازمند عبور از تروپوسفر می باشد. این موضوع مسائل مختلفی را باعث می شود:
الف) سیستم پیشرانش پهپاد بر اساس سرعت مورد نیاز در ارتفاع بالا طراحی می شود و سیستم تامین انرژی خورشیدی محدودیت هایی را در این زمینه اعمال می کند. حال در ارتفاعات پایین تر، همین سیستم پیشرانش سرعت بسیار کمتری را می تواند برای پهپاد تامین کند و در نتیجه ممکن است قادر به مقابله با نیروی باد نباشد. در نتیجه پرواز پهپاد در ارتفاع پایین با مشکلات قوانین حریم هوایی (FAA Regulations) مواجه خواهد شد.
ب) امکان وجود توربولانس یا آب و هوای نامناسب در تروپوسفر.
ج) برف و باران معمولا مشکلی برای بالن ها ایجاد نمی کنند.
توان
نیاز به توسعه پیل های سوختی سبک و دارای توان مخصوص زیاد و همچنین سلول های خورشیدی سبک و باریک (thin film solar cells) با بازدهی بالا وجود دارد.
مدیریت حرارتی
تغییرات روزانه دما باعث تغییر فشار گاز هلیوم می شود که استرس وارد بر پوسته را افزایش می دهد و باعث خستگی سازه می گردد. پوشاندن سطح خارجی پوسته با یک لایه بازتابنده نور می تواند مفید باشد، هرچند این اقدام ممکن است در کارکرد رادارها اختلال ایجاد کرده و سطح مقطع راداری را افزایش دهد. از دیگر تاثیرات تغییر دما می توان به جابجایی مرکز جرم و تغییر نیروهای بویانسی و آیرودینامیکی اشاره کرد.
ویژگی های پیچیده حرارتی کشتی هوایی ناشی از عواملی همچون پیچیدگی مکانیزم انتقال حرارت پوسته و تابش غیر یکنواخت نور خورشید بوده و تجهیزات مورد استفاده در کشتی هوایی، تحت تاثیر جریان هوای داخل کشتی به دلیل کنداکسیون و کنوکسیون، تابش و منابع حرارتی داخلی قرار خواهند داشت.
مجوزهای پروازی
به دلیل پرواز کشتی هوایی بدون سرنشین در محدوده هوایی کنترل شده تروپوسفر نیاز به دریافت مجوزهای مربوطه می باشد.