새로운 유형의 '스트라토플레인'

성층권은 오랫동안 항공에 도전적인 환경이었습니다. 그러나 새로운 디자인은 성층권 비행의 황금기를 가져올 수 있습니다.

2022년 6월, 선사시대 야수와 우주선을 합친 듯한 비행체가 이륙을 앞두고 있다. Zephyr S 라는 이름은 여객기 길이만큼 길고 가느다란 날개를 가지고 있습니다. 작고 얇은 몸과 머리와 함께 익룡과 비슷합니다. 반짝이는 은박지 모양의 태양 전지판과 가벼운 골격 프레임은 우주 비행선에서 볼 수 있는 것과 비슷합니다.

Zephyr를 들어 올리려면 5~6명이 필요합니다. 발사 준비가 되면 그들은 위에 있는 우주선을 들고 활주로를 가로질러 달립니다. 기계의 두 개의 작은 프로펠러는 비행기가 구름 한 점 없는 하늘을 60,000피트(18,300m) 또는 70,000피트(21,300m)까지 천천히 오르기 전에 미친 듯이 회전합니다. 성층권까지 10일이 걸릴 수 있는 끈질긴 상승입니다.

미 육군을 위한 임무는 비밀이지만 제조업체의 마음에는 분명히 몇 가지 기록, 특히 63년 동안 지속된 모든 유형의 비행기 중 가장 긴 비행 시간에 대한 기록을 깨고자 하는 열망이 있습니다. 1959년 두 사람이 64일 22시간 19분 동안 4인승 세스나 경비행기를 타고 트럭에서 기내 연료를 보급했습니다.

영국의 항공 개척자인 Chris Kelleher는 2002년에 최초의 Zephyr를 설계했습니다. 그의 비전은 성층권에서 "영원한 비행"이 가능한 무인 항공기였습니다. 그는 태양 에너지와 경량 재료가 항공기를 몇 달 또는 몇 년 동안 공중에 머물게 할 것이라고 예견했습니다. Zephyr S는 최초의 생산 모델입니다.

성층권은 우리 대기의 두 번째 층입니다. 약 33,000피트(10,000m)에서 시작하여 약 160,000피트(48,800m)에서 끝납니다. 항공기가 50,000피트(15,150m) 이상을 날 수 있다면 대류권에서 우리가 지상에 더 가깝게 경험하는 난기류 위를 날 수 있습니다. 문제는 높은 공기가 매우 희박하여 비행과 호흡이 어렵다는 것입니다.

Zephyr의 길고 가느다란 날개는 성층권의 희박한 공기에서 떠오를 수 있도록 도와줍니다(Credit: Zephyr)

오랫동안 성층권을 탐험하고 싶다면 단 하나의 옵션이 있었는데 그것은 풍선이었습니다. 풍선은 날개나 공기 호흡 엔진을 위한 산소가 너무 적은 세계의 천장까지 올라갈 수 있습니다. 문제는 그 고도에서 살아남는 것이었고 많은 열기구 비행사가 시도에 실패했습니다.

1931년 인류는 마침내 성층권에 도달했고, 한 열기구 조종사는 수소가 채워진 풍선에 부착된 가압 곤돌라를 타고 52,000피트(15,800m)의 높이를 달성했습니다 . 2년 후, Jeannette Piccard는 57,600피트(17,600m)를 오르며 성층권에 도달한 최초의 여성이 되었습니다.

1950년대부터 U-2, SR-71, 그리고 최근에는 RQ-170 드론과 같은 값비싼 국가 재정 지원 극비 정찰기가 등장했습니다. 이제 성층권은 날씨 풍선, 아마추어 고고도 열기구 조종사, 중국 스파이 열기구 및 마케팅 스턴트의 본거지이기도 합니다. Cornish 학생 그룹은 날씨 풍선을 사용하여 Cornish 반죽을 놀라운 116,410ft(35,500m)까지 들어 올렸습니다. 얼어붙은 채 돌아왔다.

그러나 탐험의 시대는 끝나지 않았습니다. 가압식 Windward Performance Perlan 2 글라이더는 2018년 9월에 73,800피트(23,500m)의 새로운 고도 기록을 세웠습니다. 이 글라이더는 지금까지 비행한 어떤 글라이더보다 더 높이 날았으며 파도를 사용하여 U-2 정찰기의 최대 기록 고도까지 기록했습니다. 글라이더를 성층권까지 끌어올리기 위해 안데스 산맥의 봉우리에 의해 만들어졌습니다.

설계자들의 과제는 그러한 고도에서 충분히 오래 머물 수 있을 만큼 가볍고 강한 항공기를 보유하는 스위트 스폿을 찾는 것입니다. - Robert Kraus

영국에서 제작된 Aalto Zephyr (이 회사는 최근 Airbus에서 분사됨)는 영원한 비행을 통해 성층권을 재정복하도록 설계된 새로운 유형의 비행 기계 중 하나입니다. 구성 요소의 소형화 및 강력한 새 대기 컴퓨터 모델과 결합하여 인류가 처음으로 이러한 높은 고도에서 거의 영구적으로 존재할 수 있는 가능성을 제공하는 항공기.

Haps(고고도 의사 위성)로 알려진 이 자율 초경량 항공기는 태양열 글라이더에서 태양열 실버 비행선에 이르기까지 다양합니다.

이들의 업무에는 재난 발생 후 4G 또는 5G 전화 커버리지 및 인터넷 서비스 제공, 산불 탐지, 전시 적군 이동 추적 등이 있습니다. 그 동안 그들은 인공위성보다 더 잘, 더 저렴하게, 더 빠르고, 더 유연하게 그것을 할 수 있습니다.

특히 경량 소재, 태양열 패널 및 배터리 기술 개발의 기술 향상으로 "장기 내구성"이 실현되었습니다.

Zephyr는 작동 높이까지 올라가는 데 최대 10일이 걸릴 수 있습니다(Credit: Zephyr).

다코타 대학의 John D Odegard 항공우주과학대학 학장인 Robert "Bob" Kraus는 "설계자들의 과제는 머물기에 충분히 가볍고 강한 항공기를 보유하는 최적의 지점을 찾는 것"이라고 말합니다. 그러한 고도에서 충분히 오랫동안, 유료 고객에게 유용할 만큼 충분한 탑재량을 운반할 수 있으며, 대류권을 통한 상승과 하강에서 살아남을 수 있습니다."

지구 저궤도에서도 미세 위성은 Zephyr와 같은 항공기보다 약 340마일(547km) 더 높은 지구 궤도를 돌고 있습니다. 이는 고속 광대역 통신을 방해할 수 있는 통신 지연인 약간의 대기 시간이 있음을 의미합니다. Haps 사용 사례를 더욱 강력하게 만드는 해상도, 속도 및 유연성 측면에서 원격 감지를 위한 위성 사용에는 몇 가지 근본적인 제한이 있습니다.

일부는 이제 물리적 형태를 갖추기 시작했습니다.예를 들어, 뉴멕시코 주 로스웰에 있는 커다란 원통 모양의 구조물 안에는 커다란 은빛 제플린 합스 비행선이 있습니다. 또 다른 "영원한" 항공기입니다. 알루미늄 부품이 탄소로 교체되었습니다. 같은 크기로 제작된 Goodyear Blimp는 12배 더 무거울 것입니다.

"자체 무게를 들 수 없는 9피트(2.7m) 버전으로 작게 시작했기 때문에 데이터 생성을 시작하기 위해 풍선에 부착해야 했습니다."라고 재료 과학 회사인 Sceye의 설립자 Mikkel Vestergaard는 말합니다. 성층권 비행선 뒤에. "그런 다음 2020년 11월에 처음으로 270피트(82m) 버전으로 격납고 문을 열었습니다."

2021년 5월까지 비행선은 분당 평균 속도 1,000피트(305m)로 목표 고도 65,000피트(19,800m)에 도달했으며 올해에만 6번의 비행을 합니다. 제플린을 진정으로 차별화하는 것은 그것이 운반할 수 있는 페이로드입니다. Zephyr는 약 5kg(11lb)을 들어 올릴 수 있지만 zeppelin은 이미 100kg(220lb) 이상을 들어 올릴 수 있습니다. 향후 버전은 300kg(660lb)을 들어 올릴 수 있거나 많은 사람들에게 직접 광대역을 방송하기 위한 통신 어레이가 될 수 있습니다. 광대역 서비스는 마스트 대신 제플린에서 제공할 수 있습니다.

일단 성층권에 도달하면 비즈니스로 전환하지 않는 한 머무를 이유가 없습니다 – Mikkel Vestergaard

지금까지 Seye는 광대역-스마트폰을 위해 두 번의 비행을 했습니다. 올해 9월에는 메탄 누출 모니터링을 위한 첫 번째 시범 비행을 보게 될 것입니다. ( 우주에서 메탄 누출을 식별하는 위성의 증가 에 대해 읽어보십시오 .)

"우리는 매우 큽니다." 그가 웃습니다. "우리는 눈에 잘 띕니다. 그래서 친근한 지역에서 사람들을 연결하고 사람들을 돕기 위해 집에서 가장 잘 일합니다.

"결국, 일단 성층권에 도달하면 그것을 사업으로 전환할 수 없다면 머무를 이유가 없습니다."

과거에 Urban Sky의 이 디자인과 같은 풍선은 성층권에 도달하기 위해 디자이너가 선호하는 방법이었습니다(Credit: Urban Sky).

인간을 성층권으로 운반하는 데 사용되는 풍선 중 일부는 축구 경기장 크기였습니다. Urban Sky 는 그렇지 않습니다 . 지면에서 부풀려진 이 재사용 가능한 마이크로 풍선은 자동차 크기이며 그 아래에 페이로드가 부착되어 있습니다.

이미지에서 알 수 있듯이 산불의 여파를 모니터링하고 보험 회사 또는 도시 계획자가 필요할 수 있는 전체 도시를 이미지화하는 데 필요한 고해상도 항공 이미지를 제공합니다.

Urban Sky의 공동 창립자이자 최고 기술 책임자인 Jared Leidich는 "말 그대로 픽업 트럭 뒤에서 발사할 수 있습니다."라고 말합니다. "우리는 열기구가 목표물 위를 수동적으로 떠다니게 하고 그곳으로 운전하기 위해 풍선을 발사해야 하는 날씨 모델에서 알아냅니다. 20~30년 전에는 모델이 이 작업을 수행하기에 충분하지 않았습니다."

그러나 기후학자들은 이 모든 증가된 활동이 성층권에 미칠 수 있는 영향에 대해 걱정하기 시작했습니다. 수증기는 소량 존재합니다. 따라서 수소항공기 사용으로 인한 사용량 증가는 불균형한 영향을 미칠 수 있으며 특히 오존층 파괴에 기여할 수 있습니다.

매일 성층권으로 날아갈 대규모 항공기 함대를 갑자기 건설하기 시작하면 성층권을 어떻게 교란할지 고려해야 합니다. – Michaela I Hegglin

"대기 혼합이 훨씬 더 느리기 때문에 오염 물질은 훨씬 더 오래 성층권에 남아 있을 것입니다.

Hegglin은 "따라서 매일 성층권으로 날아갈 대형 항공기 함대를 갑자기 건설하기 시작하면 성층권을 어떻게 교란시킬 수 있는지 고려해야 합니다."라고 말합니다.

2022년 8월 19일 오전 4시경, Zephyr는 약 70,000피트(21,300m) 상공에서 64일 이상 35,000마일(56,300km)의 놀라운 3개월 비행 후 마침내 중력에 굴복했습니다. 기록.

Sceye 비행선은 이미 목표 고도인 19,800m(65,000ft)에 도달했습니다(Credit: Sceye).

Aalto Haps 프로그램의 Chris McLaughlin은 "비행은 대성공이었습니다."라고 말합니다. "그것은 임무를 수행하기 위해 남미까지 날아갔다가 다시 돌아왔습니다. 그리고 미군은 행복하다고 선언했지만 우리는 그들이 무엇을 했는지 공개할 수 없습니다."

그것의 성공은 영국의 Farnborough에 있는 Aalto의 엔지니어들의 유일한 초점 때문이라고 McLaughlin은 말합니다. "Farnborough 팀의 훌륭한 기술 중 하나는 중량 감소에 집착한다는 것입니다. 배선 직기의 중량을 줄이려면 어떻게 해야 합니까? 이를 강화하고 동시에 배치할 수 있는 더 좋은 탄소 조각이 있습니까? 체중 감량 시간?"

Zephyr가 성층권까지 올라가는 데 8~10시간이 걸린다는 것은 항공기가 비행하려면 매우 안정적인 기상 환경이 필요하다는 것을 의미합니다. 연중 다른 시기에 날씨가 변합니다."라고 McLaughlin은 말합니다. "그래서 우리는 항상 성층권에 접근할 수 있을 것이고, 그것은 모두 크리스 켈러허의 원래 개념의 일부였습니다."

예상되는 트래픽 증가는 성층권 트래픽 및 환경 제어에 대한 수요로 이어질 수 있습니다.

2023년 4월 Aalto는 이동통신 페이로드를 탑재한 Zephyr 일본 상공 시험 비행 계약을 체결했습니다. Zephyr는 2024년 말까지 상용 서비스에 들어갈 것으로 예상됩니다.

Aalto, Sceye 및 Urban Sky와 같은 신생 기업은 성층권을 재정복하기 위해 "영원한 비행"에 대한 기술적 장애물을 극복하고 있을지 모르지만 점점 더 많은 규제 문제에 직면하게 될 것입니다. 최근 미국 상공을 비행한 중국 첩보 기구 의 불운한 비행은 성층권이 국제 공역이 아니라 국가 영공이며 예상되는 교통량 증가는 성층권 교통 및 환경 통제에 대한 수요로 이어질 수 있음을 강조했습니다.

"그것은 당신이 가지고 있는 훌륭한 자연 균형입니다. 그리고 당신은 그것을 엉망으로 만들고 싶지 않습니다."라고 Hegglin은 경고합니다.

그러나 성층권 비행의 유혹에 저항하기 어려울 수 있습니다.

"성층권은 현재 대부분 비어 있습니다."라고 Leidich는 말합니다. "그래서 우리는 여전히 기본적인 물리학을 연구하고 있습니다… 이것은 그 지역에 대한 일종의 수학적 이해이며, 그것은 그것을 재미있게 만듭니다."