I droni ad ala fissa offrono la capacità di attraversare lo spazio aereo ad alta velocità, ma non sono attrezzati per applicazioni che richiedono il volo aereo stazionario, che è particolarmente importante per la sorveglianza aerea permanente e per le applicazioni di comunicazione.
I primi esperimenti con dirigibili senza pilota hanno messo in luce la sfida fondamentale che era la loro relativa incapacità di rimanere fermi in condizioni di vento forte. Era necessario un nuovo approccio e Dragonfly Pictures Inc. (DPI) ha sviluppato una nuova classe di droni, gli hover-in-place tethered drone.
A differenza dei droni multirotore alimentati a batteria che richiedono la sostituzione della batteria ogni 20 minuti, i droni collegati ricevono la loro alimentazione tramite un cavo elettrico collegato alla stazione base. Ciò consente loro di rimanere in volo per ore, anche giorni. I droni multirotore cablati di DPI sono progettati per tracciare e seguire piattaforme host mobili tra cui navi, barche, camion e altri veicoli di superficie/terra senza pilota.
Utilizzati come antenna RF aerea, i droni UMAR possono estendere la portata radio della nave da 8 miglia a fino a 30 miglia
Offrono diversi vantaggi rispetto ai droni ad ala fissa, comprese la capacità di decollo e atterraggio verticale. Non sono necessarie piste, lanciatori o attrezzature di recupero. A differenza di un dirigibile, offrono anche la possibilità di ottenere un posizionamento stazionario e persistente, anche durante condizioni meteorologiche turbolente o vento a velocità in repentino e continuo cambiamento.
Testati ampiamente in condizioni operative del mondo reale, i loro droni cablati sono attualmente qualificati per l’uso da parte della Marina degli Stati Uniti in ambienti marini/marittimi per applicazioni di intelligence, sorveglianza, ricognizione (ISR), comunicazioni e video.
Il drone cablato military/industrial-grade UMAR (Unmanned Multirotor Aerial Relay) di DPI è resistente a tutte le intemperie, quindi pioggia, neve, polvere e calore ed è ottimizzato specificamente per gli ambienti marini con acqua salata.
I droni UMAR sono particolarmente vantaggiosi in quanto possono fornire fino a 400 ore di operatività e operazioni non stop – fino a un’altezza di 500 piedi – grazie al flusso di alimentazione continuo fornito attraverso il cavo di collegamento. Ma ci sono sfide di progettazione significative insite nell’architettura cablata. L’alimentazione deve essere fornita dalla nave ospite al drone multirotore ad altissima tensione e bassa corrente per consentire l’uso di un cavo più sottile e leggero, che a sua volta consenta una maggiore mobilità del drone e carichi utili aerei maggiori.
Operando a livelli di potenza da 8 a 10kW, i droni UMAR sono estremamente potenti e robusti per mantenere un posizionamento stazionario persistente in condizioni anche di forte tempesta marittima. Questa sfida è spesso aggravata da acque/onde turbolente che influiscono sul posizionamento della nave ospite. I droni richiedono quindi la capacità di potenza e l’agilità necessari per accelerare la velocità dei rotori per il sollevamento e l’imbardata in raffiche brevi o prolungate secondo necessità per mantenere la posizione altimetrica stazionaria con tempo di risposta istantaneo.
All’interno del drone multirotore, la conversione dell’alta tensione deve essere ottenuta nel minor ingombro possibile e con il minor peso possibile. Gli otto rotori indipendenti a bordo degli UMAR richiedono circuiti PCB interconnessi e sofisticati, quindi qualsiasi risparmio di spazio consentito a livello dei componenti di potenza può essere riutilizzato per altri componenti a valore aggiunto.
“Utilizzando i moduli di alimentazione Vicor siamo stati in grado di ridurre il peso di tutti i componenti a bordo del drone per aumentare altitudine e velocità durante il trasporto del carico utile della missione richiesto”, ha affermato Joe Pawelczyk, Vice President of Operations di DPI. “Nessun altro ha la densità di potenza di Vicor, quindi con i loro componenti possiamo raggiungere i massimi livelli di manovrabilità, prestazioni e controllo del volo stazionario. Ciò consente ai droni cablati di DPI di sollevare di più, volare più in alto e volare più velocemente. ”
Quando utilizzati come antenna RF aerea, i droni UMAR possono estendere la portata radio della nave da 8 miglia a fino a 30 miglia.
Sono otto i BCM HV Vicor che alimentano gli otto rotori indipendenti del DPI UMAR
Architettura di potenza ottimizzata per la densità di potenza
Per rispondere a queste sfide energetiche aggressive, DPI utilizza i moduli low-profile High-Voltage (HV) BCM VIA di Vicor all’interno del suo UMAR per consentire la conversione ad alta efficienza (98%) con solo il 2% di perdite e calore da 800V a 50V. L’ingombro compatto e la versatilità di montaggio dei BCM HV sono stati particolarmente preziosi per ottenere un sistema di bordo estremamente compatto, leggero e ad elevata densità di potenza.
Ci sono otto moduli Vicor HV BCM4414 disposti in parallelo per alimentare gli otto rotori indipendenti di DPI UMAR, con la possibilità di condividere la potenza tra i rotori per una maggiore ridondanza.
La firma EMI intrinsecamente bassa con poche armoniche ad alta frequenza, combinata con il filtro EMI integrato nei BCM HV Vicor, ha contribuito a ridurre al minimo il rumore EMI riducendo dimensioni e peso rispetto alle necessità di convertitori DC-DC convenzionali. Se non filtrato, questo rumore potrebbe compromettere le comunicazioni RF tra il drone e le navi host e/o non essere conforme agli standard EMI.
Ci sono otto BCM HV Vicor predisposti per alimentare gli otto rotori indipendenti del DPI UMAR, con la possibilità di condividere la potenza tra i rotori in parallelo per una maggiore ridondanza.
Oltre alle sue attuali implementazioni di prova con la Marina degli Stati Uniti, la tecnologia DPI è stata valutata da una serie di agenzie governative, contractors e altre entità mostrando significative promesse per applicazioni aggiuntive come primo soccorso in caso di calamità e il monitoraggio di grandi aree (eventi pubblici, sicurezza negli stadi, ecc.).
Per approfondire: Tethered Drone DPI.
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