HALE UAV a 60 000 pies (20 000 m) – Volando en la estratosfera

Misión básica

La misión básica de nuestro HALE (gran altitud, larga duración) UAV (vehículo aéreo no tripulado) es volar sobre un punto de la tierra durante largos períodos de tiempo. Exactamente por qué no es importante en este punto de la discusión. Lo más probable es que el objetivo sea reemplazar un satélite de comunicaciones.

La velocidad no es importante, ya que solo estamos volando sobre un punto. La eficiencia energética es. De hecho, cuanta menos energía necesite para mantener la altitud, más carga útil podrá transportar. Teniendo en cuenta lo que acabo de decir, espero que se te haya ocurrido una palabra: planeador. Los UAV de HALE parecen planeadores. Carga alar baja, vuelo lento, con alas largas y delgadas.

Si el UAV va a permanecer en funcionamiento durante años, necesita una buena fuente de energía. Si un reactor de fusión nuclear es el primer pensamiento que acaba de aparecer en tu cabeza, estarías equivocado. En su lugar, piense en algo simple y bien probado. Piense en las células solares. Muchos de ellos. La buena noticia es que nuestro planeador ya tiene alas grandes, por lo que estarán cubiertas de células solares.

Condiciones duras

A 60,000 pies, el 93% de la atmósfera está debajo de ti. La presión del aire es solo el 7% de lo que es al nivel del mar. La densidad del aire, o el peso del aire, es solo el 9,5% de lo que pesa al nivel del mar. La temperatura promedio es un escalofriante -75 F (-60 C). ¿Por qué alguien querría volar a esa altitud?

¿Por qué 60,000 pies?

Como expliqué en la primera parte de esta serie de artículos, los vuelos de aviones comerciales y la mayor parte del tiempo se encuentran por debajo de los 40 000 pies (12 000 m). Así que ese es el piso absoluto de donde podemos volar.

Hay un par de otras razones que nos empujan a volar incluso más alto que eso. Primero, a 40,000 pies, los vientos realmente pueden levantarse. La velocidad promedio del viento a esa altitud es de 50 MPH (80 KPH). Nuevamente, ese es el promedio, fácilmente podría ser el doble. No es tanto un problema con un avión de pasajeros que vuela a más de 500 MPH, sino un problema real con nuestro UAV de vuelo frágil y lento.

La velocidad promedio del viento a 60,000 pies cae a solo 15 MPH (25 KPH). Son excelentes noticias. Eso significa que no tenemos que volar más rápido de lo que lo haríamos de todos modos. Más lento suele ser más eficiente.

Hay otra razón muy importante por la que queremos volar más alto de lo absolutamente necesario. Volando sobre un lugar, estaremos en la oscuridad la mitad del tiempo. Las celdas solares no funcionan en la oscuridad. Mantener la misma altitud durante 12 horas requeriría una gran cantidad de baterías recargables. Para ahorrar en el peso de la batería, vamos a perder altitud lentamente por la noche. Todavía tenemos que evitar los aviones y el clima, pero ahora nuestro planeador UAV será más eficiente.

Velocidad máxima de resistencia

¿A qué velocidad tenemos que volar? Bueno, un avión vuela a diferentes velocidades dependiendo de cuál sea el objetivo en ese momento. Una velocidad bien conocida por los pilotos de planeadores se denomina velocidad de mejor planeo o mejor relación sustentación-resistencia (L/D). Esta es la velocidad a la que el ala es más eficiente.

La velocidad que nos importa se llama merodeo o velocidad máxima de resistencia. Otro nombre para esto es la velocidad de potencia mínima requerida, por razones obvias. Es la velocidad en la que necesitamos la menor cantidad de energía para mantener la altitud. Para un avión típico, esto es aproximadamente el 76 % del valor de la mejor velocidad L/D.

Hay una gran trampa. A esta altitud, el aire es tan delgado que necesitamos volar 3,3 veces más rápido solo para generar la misma cantidad de sustentación. Esto significa que si la velocidad máxima de resistencia es de 20 MPH (32 KPH) al nivel del mar, necesitaríamos volar a 66 MPH (106 KPH) a nuestra altitud de crucero. Eso, desafortunadamente, también requiere 3,3 veces la cantidad de energía para mantener. ¡De repente, diseñar nuestro planeador UAV no parece tan fácil!

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