AeroVironment Helios プロトタイプ

ヘリオスプロトタイプ
飛行中のヘリオスプロトタイプ
役割	無人航空機 航空機の種類
メーカー	エアロバイロンメント
初飛行	1999年9月8日
状態	2003年に破壊された
プライマリユーザー	NASA ERAST プログラム
建造数	1
開発元	NASA パスファインダー、パスファインダー プラス、NASA センチュリオン

ヘリオスプロトタイプは、太陽電池と燃料電池システムを搭載した無人航空機の進化シリーズの一部として開発された4番目で最後の航空機です。エアロバイロンメント社は、 NASAの環境研究航空機およびセンサー技術(ERAST) プログラムの下でこの航空機を開発しました。これらは、長期間の高高度航空機が大気圏衛星として機能し、大気圏研究タスクを実行し、通信プラットフォームとして機能することを可能にする技術を開発するために製造されました。^{[1]これは、} NASA パスファインダーとNASA センチュリオン航空機 から開発されました。

NASAのセンチュリオンは、 6番目の41フィート（12メートル）の翼セクションと5番目の着陸装置およびシステムポッドを追加してヘリオスプロトタイプ構成に改造され、ERASTプロジェクトの下でエアロバイロンメントによって開発された太陽光発電の全翼デモ機シリーズの4番目の構成になりました。ヘリオスプロトタイプのより大きな翼には、その後の太陽光発電開発飛行に十分な電力を供給するために、より多くの太陽電池アレイが収容されました。^[1]航空機の初飛行は1999年9月8日でした。^[2]

ERAST プログラムは、ヘリオス プロトタイプの開発時に 2 つの目標を掲げました。1) 高度 100,000 フィート (30,000 m) 付近での持続飛行、2) 少なくとも 24 時間の滞空 (そのうち少なくとも 14 時間は 50,000 フィート (15,000 m) 以上の高度での滞空)。この目的を達成するために、ヘリオス プロトタイプは 2 つの異なる方法で構成することができました。最初の構成は HP01 と呼ばれ、高度目標の達成に重点を置き、バッテリーと太陽電池で機体を稼働させました。2 番目の構成である HP03 は、機体を滞空用に最適化し、太陽電池、蓄電池、および改良された市販の水素空気燃料電池システムを組み合わせて夜間の電力として使用しました。この構成では、モーターの数が 14 から 10 に削減されました。^[3]

ヘリオス試作機は、従来の段階的または段階的な飛行試験方法を使用して、1999年後半に一連のバッテリー駆動の開発飛行で初めて飛行し、長い翼の性能と航空機の操縦性を検証しました。その後の太陽光発電による高度飛行と耐久飛行に使用された計器も、NASAドライデンでの最初の低高度飛行中にチェックされ、調整されました。^[1]

ヘリオス試作機は、翼幅247フィート（75メートル）の超軽量全翼機で、米国で製造された2つの最大の運用航空機である米国空軍のC-5軍用輸送機（222フィート（68メートル））やボーイング747（モデルによって195フィートまたは224フィート（59メートルまたは68メートル））の翼幅よりも長い。電気で動くヘリオスは、主に炭素繊維、グラファイトエポキシ、ケブラー、発泡スチロール、薄い透明なプラスチックスキンなどの複合材料で構成されていました。主な管状の翼桁は炭素繊維で作られていました。飛行中に発生する一定の曲げ運動を吸収するために上部と下部が厚くなった桁は、強度を高めるためにノーメックスとケブラーで包まれていました。翼リブもエポキシと炭素繊維で作られていました。成形された発泡スチロールは翼の前縁に使用され、耐久性のある透明なプラスチックフィルムが翼全体を覆っていました。^[1]

ヘリオス プロトタイプは、その前身であるパスファインダーやセンチュリオンと同じ 8 フィート (2.4 m) の翼弦 (前縁から後縁までの距離) を共有していました。247 フィート (75 m) の翼幅により、ヘリオス プロトタイプのアスペクト比はほぼ 31:1 になりました。翼の厚さは先端から先端まで同じ 11.5 インチ (29 cm) または翼弦の 12 % で、テーパーやスイープはありませんでした。外側のパネルには、機体の横方向の安定性を高めるために10 度の上反角が組み込まれていました。後縁の先端がわずかに上向きにねじれているため、低速着陸や旋回中に翼端が 失速するのを防ぐことができました。翼面積は 1,976 平方フィート (183.6 m ² ) で、最大翼面荷重はわずか 0.81 ポンド/平方フィートでした。総重量1,600ポンドで飛行する場合、フィート^[1]

全翼機は6つのセクションに分かれており、それぞれの長さは約41フィート（12メートル）でした。各パネルジョイントには、着陸装置、バッテリー電源システム、飛行制御コンピュータ、データ機器を搭載するための翼下ポッドが取り付けられていました。5つの空気力学的形状のポッドは、透明な翼カバーを除いて、主に翼自体と同じ材料で作られていました。各ポッドの2つの車輪は固定着陸装置を構成しており、後部には頑丈なマウンテンバイクの車輪、前部には小さなスクーターの車輪が付いていました。^[1]

ヘリオス プロトタイプで使用された唯一の飛行制御面は、ピッチ制御を提供する72 個の後縁 エレベーターでした。翼全体に広がったこれらのエレベーターは、航空機の飛行制御コンピュータに接続された小型サーボモーターによって操作されました。飛行中に航空機を旋回させるには、モーターの差動出力を使用してヨー制御を適用しました。つまり、一方の外側の翼パネルのモーターを加速し、もう一方の外側のパネルのモーターを減速しました。最初の飛行シリーズでの主なテストは、ピッチ制御の手段としての差動モーター出力の評価でした。通常の巡航中、ヘリオスの外側の翼パネルは上向きにアーチ状になっており、前方または後方から見ると、航空機は浅い三日月の形になります。この構成では、外側の翼パネルのモーターが中央のパネルのモーターよりも高く配置されています。外側パネルのモーターを加速すると、航空機はピッチダウンして降下を開始します。逆に、中央パネルのモーターに追加の電力を適用すると、ヘリオスはピッチアップして上昇を開始します。^[1]

2000年から2001年にかけて、HP01は新しい航空電子機器、高高度環境制御システム、翼上部に設置された62,000個以上の太陽電池で構成されるサンパワー社のソーラーアレイなど、いくつかのアップグレードを受けました。 ^{[3]これらのセルは、セルの下側に}ワイヤを配置したリアコンタクトセル設計を特徴としており、セルが太陽放射にさらされるのを妨げないようにしました。

2001年8月13日、^[1]グレッグ・ケンドールが遠隔操縦するヘリオス試作機が高度96,863フィート (29,524 m) に到達し、有翼航空機による水平飛行の継続世界記録を樹立した。^[4]到達した高度は、有翼航空機による水平飛行の継続高度記録を11,000フィート (3,400 m) 以上、または2マイル (3.2 km) 以上上回った。さらに、この航空機は高度96,000フィート (29,000 m) 以上の地点に40分以上留まった。^[1]

2003年6月26日、ヘリオス試作機は、翌月に予定されていた耐久試験に備えて遠隔操縦によるシステム点検飛行中に分解し、ハワイ島カウアイ島の西約10マイル（16km）の太平洋に落下した。^[5]

事故当日の朝、天気予報では状況は許容範囲内と示されていたが、飛行前のゴー/ノーゴー審査で気象予報士は「ぎりぎりゴー」と判定した。主な懸念事項の 1 つは、島沖の 2 つの風のシアゾーンであった。風向きが予測どおりに変わらなかったために離陸が遅れ、ヘリオスはカウアイ島の風下側の低層乱気流ゾーンを予想以上に長い時間飛行した。これは、雲の影とそれに伴う太陽光発電の減少に対処する必要があったため、通常よりもゆっくりと上昇していたためである。

その後の事故調査報告書によると、飛行開始から30分後に飛行機が2,800フィート（850メートル）まで上昇したとき、「飛行機は乱気流に遭遇し、予期せぬ持続的な高上反り角姿勢に変化した。持続的な高上反り角の結果、飛行機は非常に発散したピッチモードで不安定になり、公称飛行速度からの対気速度逸脱が振動の1サイクルごとに約2倍になった。パイロットが適切な緊急手順を実行して対気速度保持ループゲインを上げる代わりに対気速度保持ループをオフにしたため、速度超過状態が悪化した。その後、飛行機の設計対気速度を超え、その結果生じた高い動圧によって外翼パネルの翼前縁二次構造が破損し、翼上面の太陽電池と外皮が剥がれた。飛行機は太平洋ミサイル試射場試験場の範囲内で海に衝突し、破壊された」水素・空気燃料電池ポッドと10個のモーターのうち2個を除いて、機体構造の大部分は回収されたが、2個は海に沈んだ。」^[3]

調査報告書では、事故の根本原因として次の 2 つが特定されました。

1. 「適切な分析方法が欠如していたため、構成変更の影響に関するリスク評価が不正確となり、外乱に対して非常に敏感な航空機構成で飛行するという不適切な決定につながった。」
2. 「プログラム的および技術的な制約によって機体の構成が変更され、機体はスパンローダーから同じ構造上の高度に点荷重された質量分布へと変更され、設計の堅牢性と安全マージンが大幅に低下しました。」^[3]

• 無人航空機の歴史
• 電気飛行機
• 再生燃料電池
• NASA パスファインダー(1983 年 6 月に初飛行)
• NASA センチュリオン(初飛行 1998 年 11 月 10 日)
• QinetiQ/エアバス ゼファー（2008年初飛行）
• Facebook Aquila（初飛行 2016年6月28日）
• ソフトバンク/エアロバイロンメントHAPSモバイル（初飛行 2019年9月11日）
• BAEシステムズ PHASA-35（初飛行2020年2月17日）

この記事には、もともとパブリック ドメインにある Greg Goebel の Web 記事「Unmanned Aerial Vehicles」から引用した資料が含まれています。この記事には、 アメリカ航空宇宙局 の Web サイトまたはドキュメントからのパブリック ドメインの資料が組み込まれています。

• 「光起電の妙技：太陽の光が当たらない場所に配線する優れた太陽電池」、ダニエル・チョーによる記事、2003年9月号のサイエンティフィック・アメリカン誌33ページ

ウィキメディア・コモンズには、 AeroVironment Helios Prototypeに関連するメディアがあります。

• NASA の太陽発電航空機ヘリオス試作機
• 子どものためのヘリオス
• DesignsbyALX による Helios モデル。Wayback Machineで 2011-05-19 にアーカイブされています。
• 「3G は成層圏 65,000 フィート (20,000 メートル) でテストされました」3G ニュース リリース 2002 年 7 月 23 日
• パスファインダープラスの高度記録に関するサイエンスデイリーの記事
• エアポートインターナショナルでの通信中継の成果
• Space.comの記事
• 未来のモノにおける太陽光発電UAVの歴史
• NASM での Pathfinder Plus
• NASA-AeroVironment 後続プロジェクト契約^{[永久リンク切れ‍ ]}
• ヘリオス記録挑戦記事
• NASA 画像コレクション:
  • パスファインダー
  • Pathfinder Plus は 2013-02-17 にWayback Machineにアーカイブされました
  • センチュリオン 2013-04-15ウェイバックマシンにアーカイブされました
  • Helios プロトタイプ、ビデオ