Reconocimiento: Zephyr británicos nos visitarán en la Patagonia

Los nuevos espías de Gran Bretaña son prácticamente naves espaciales

Zephyr es una maravilla técnica, pero ¿puede hacer el trabajo?

James Simpson | War is Boring




Una versión de esta historia apareció originalmente el 22 de agosto de 2016.

En julio de 2018, Airbus Defence & Space anunció que su dron Zephyr S había volado durante 25 días seguidos durante las pruebas en el oeste de Australia. El vuelo récord se produjo dos años después de que el ejército británico ordenara tres copias del vehículo aéreo no tripulado de alto vuelo para misiones de vigilancia.

El 17 de agosto de 2016, el Ministerio de Defensa británico confirmó que compraría un tercer pseudisatélite de gran altitud Airbus Defence & Space Zephyr S, además de dos previamente confirmados en febrero de 2016.

Los pseudoatlélites de gran altitud (HAPS, para abreviar) son aviones no tripulados superligeros que pueden permanecer alrededor de la estratosfera durante semanas y actuar como satélites localizados.

Tal vez la compra de Gran Bretaña no sea ninguna sorpresa: Zephyr es de origen británico y criado en grupo.

Hasta marzo de 2013, el proyecto pertenecía a Qinetiq, la rama del sector privado de la Agencia de Evaluación e Investigación de la Defensa Británica. Pero no siempre fue un proyecto de defensa.

Comenzando con el Zephyr 2 de prueba de concepto de 15 libras, el avión fue diseñado no solo para vuelo libre, sino también para volar atado a otra cosa. Al principio se trataba del puente colgante Clifton en Bristol, en el suroeste de Inglaterra, pero Qinetiq planeaba unir su sucesor, Zephyr 3, al globo Qinetiq 1 que intentaba romper el récord de altitud de vuelo de globo tripulado de 1961 de 113.740 pies.

Con una envergadura de 39 pies y un peso de solo 33 libras, casi el mismo que un niño pequeño, Zephyr 3 podía volar a una altitud de 132,000 pies, más que suficiente para asegurarse de que permanecería en altura incluso a la altura récord del globo. Sus alas de compuesto de carbono de piel mylar llevaban paneles solares a lo largo de su longitud para alimentar sus cinco motores de un kilovatio diseñados a medida diseñados en la Universidad británica de Newcastle.



El Zephyr rodearía el globo a 155 millas por hora a lo largo de una cuerda de 1.476 pies y proporcionaría imágenes del ascenso del globo. Los pilotos del globo tenían un panel de control de radio para ajustar el vuelo de Zephyr. La góndola del globo estaba abierta a la atmósfera, por lo que los pilotos debían usar trajes espaciales. Como resultado, el panel de control contenía una serie de botones grandes que se parecían más a un beat-em-up de arcade que a un control remoto de un avión.

El 3 de septiembre de 2003, Qinetiq 1 y Zephyr 3 se sentaron a bordo del R / V Triton, un demostrador de tecnología trimarán construido para el concepto de fragata Future Surface Combatant de la Armada Real, similar al Littoral Combat Ship de la Marina de los EE. UU. Cuando la tripulación de lanzamiento infló el sobre de 1,250 pies, una lágrima rasgó la piel, lo que obligó a Qinetiq a abandonar el vuelo. Zephyr 3 podría haber perdido la oportunidad de un lanzamiento, pero el proyecto continuó.


En la parte superior, Zephyr 7 lleva a los cielos. Arriba: Zephyr S como un relé de comunicaciones en la estación para fuerzas especiales en tierra. Fotos de Airbus Defence & Space

Gran altitud, larga resistencia

El vuelo estratosférico ha sido durante mucho tiempo un objetivo para los ingenieros aeronáuticos. El avión de gran altura más conocido, el U-2 de Lockheed, puede operar hasta 70,000 pies o menos y los globos meteorológicos normalmente se superan antes de los 100,000 pies.

Para los científicos, esta región de la atmósfera es un gran lugar para medir la radiación cósmica y recolectar polvo espacial. Para misiones de alivio de desastres o en áreas remotas sin infraestructura existente, estos strato-aviones también podrían actuar como estaciones base de teléfonos celulares de alto vuelo.

Las aplicaciones militares son bastante obvias. Aviones como Zephyr pueden transmitir imágenes y señales de inteligencia a los comandantes en tierra a una fracción del costo y el riesgo de lanzar y operar un satélite en órbita. Además, los satélites transitan por áreas objetivo dos veces al día, lo que significa cobertura no continua.


Las aeronaves de gran altitud con largos tiempos de espera pueden permanecer en el objetivo durante mucho más tiempo que los satélites y pueden volver a desplegarse sobre nuevos objetivos con un mínimo esfuerzo y previsión.

Esta categoría de aviones se conoce mejor como "gran altitud, larga duración": HALE. El grupo de defensa de sistemas de aviación remotamente piloteado UVS International una vez definió los drones HALE como plataformas estratégicas con una altitud máxima de vuelo de entre 50,000 y 70,000 pies y una resistencia entre 24 y 48 horas. Sin embargo, con las opciones de reabastecimiento aéreo y particularmente con la energía solar, los aviones HALE han estado presionando los límites de resistencia.

En 2003, en el momento de la misión desguazada de Qinetiq 1, los aviones HALE eran una tecnología naciente, pero no inaudita.

El derribo del U-2 propiedad de Gary Powers en 1960 y la destrucción de un avión espía militar estadounidense EC-121 sobre Corea del Norte en 1969 estimuló el interés de la Guerra Fría en el vuelo no tripulado a gran altura. Los primeros esfuerzos a mediados de la década de 1960, como el Lockheed D-21 y la serie Ryan SPA 147 de drones, proporcionaron capacidades de inteligencia de comunicaciones y reconocimiento de alta velocidad, pero carecían de la capacidad de demorarse en un objetivo.

La misión de la ciencia ambiental de la NASA fue el principal impulsor del enfoque de HALE ligero y con energía solar. El AeroVironment Pathfinder utilizó su envergadura de 98.4 pies y ocho motores para ascender a una altitud de 67.350 pies, un récord para la aviación solar. Con algunas modificaciones a sus celdas solares y un aumento en la envergadura de 121 pies, el Pathfinder-Plus alcanzó una altitud de 80,201 pies el año siguiente.

La NASA y Helios de DARPA dieron seguimiento al éxito de Pathfinder. Llevando celdas de combustible para almacenar la energía necesaria para continuar volando durante la noche, la aeronave podría permanecer en el aire durante meses a una altitud de entre 50,000 y 70,000 pies. Pero solo unos meses antes del lanzamiento fallido de Qinetiq 1 en 2003, Helios se separó y se estrelló en el Océano Pacífico.

Estados Unidos y sus aliados estaban ahora totalmente comprometidos con la Guerra contra el Terrorismo, aumentando los requisitos militares para misiones de larga duración. En 2002, RQ-4 Global Hawk de Northrop Grumman se convirtió en el punto de referencia para aviones HALE militares no tripulados. En 2014, un Halcón Global del bloque 40 de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos voló durante 34,3 horas sin repostar, un registro no oficial.

Sin embargo, Global Hawk está limitado por su capacidad de combustible. También está limitado a un techo de servicio de 65,000 pies, por encima del cual la menor densidad de aire puede causar que el motor turboventilador se incendie.

Los aviones de propulsión solar como el Zephyr son más lentos e inherentemente menos robustos que los aviones de alta velocidad, pero lo compensan en altura y resistencia, como el equipo de Zephyr en Farnborough se propuso probar.


Zephyr 7 despega. Foto de Airbus Defence & Space

Zephyr bate récords

Hubo pocas noticias de Zephyr 3 después del lanzamiento del globo fallado, pero en febrero de 2005 su sucesor, Zephyr 4, apareció en la Zona Prohibida Woomera - un insondablemente amplia gama de prueba a veces llamada Área de Australia 51. El ministerio británico de la defensa era con los labios apretados - una buena señal de que el proyecto se había movido hacia aplicaciones militares.

El Zephyr 4 fue una mejora incremental con respecto a su predecesor. Con algunas mejoras para endurecer el diseño frente a los rigores de su entorno a gran altitud, el nuevo modelo pesaba 37 libras sin ningún cambio en su envergadura. Su método de despliegue fue el mismo: un globo de helio llevó al Zephyr a 30,000 pies.

El Zephyr 4 voló por solo una hora, pero el vuelo de prueba le dio al equipo de Qinetiq algunas cifras clave sobre el uso de energía y los techos de operación que serían esenciales si tuvieran la resistencia nocturna.

Después de Zephyr 4, había dos prototipos de Zephyr 5, los cuales podían ser lanzados a mano. Las pruebas anteriores de Zephyr habían demostrado que era mucho más capaz de volar en el aire denso hacia el suelo de lo que sus ingenieros habían anticipado. Los fuertes vientos y las inclemencias del tiempo seguían siendo un peligro para el avión largo y desgarbado, pero ser capaz de volar desde el suelo hacía que las pruebas fueran mucho menos complicadas que cuando se las levantaba en globo.

Las únicas diferencias entre los dos prototipos estaban en sus fuentes de alimentación y, en consecuencia, sus respectivos pesos. Zephyr 5-2 llevaba baterías no recargables que pesaban 55 libras. Zephyr 5-1 llevó ambos paneles solares y una batería para un peso total de 68 libras. Esto permitió al equipo probar dos pesos diferentes, pero solo el recargable Zephyr 5-1 tenía futuro como un avión de larga duración.

En diciembre de 2005, ambos aviones Zephyr 5 volaron vuelos de prueba de lanzamiento y descenso a baja altura en White Sands Missile Range en Nuevo México durante cuatro y seis horas, respectivamente. En julio de 2006, el avión regresó a White Sands, donde Zephyr 5-1 voló durante 18 horas, siete de las cuales fueron de la noche a la mañana, y alcanzó los 36,000 pies. El equipo finalmente tuvo los fundamentos bajos y ahora podría concentrarse en impulsar aún más las capacidades del diseño.

El equipo de Qinetiq tenía objetivos elevados. "En la actualidad, la resistencia prolongada se mide en términos de horas. En última instancia, estamos pensando en términos de meses ", dijo Paul Davey, director de desarrollo de Zephyr, en un comunicado de prensa de julio de 2006. "El programa de desarrollo actual tiene el potencial de extender la duración de la misión de Zephyr a alrededor de tres meses, lo que podría forzar un cambio total en la forma en que la industria piensa en las operaciones de UAV".

El Zephyr 6 aumentó la envergadura a 59 pies, pero logró reducir el peso a alrededor de 66 libras. El sistema de energía fue revisado para incluir paneles solares de silicio amorfo de espesor de papel que alimentan baterías de litio-azufre. Las mejoras hablaron por sí mismas.

En White Sands en julio de 2007, Zephyr voló durante 54 horas hasta una altura de 58,355 pies. Luego condujo un segundo vuelo de 33 horas y 43 minutos hasta una altura máxima de 52,247 pies.

En este momento, no solo los británicos estaban interesados ​​en Zephyr: el Departamento de Defensa de EE. UU. Financió el proyecto como parte del Programa de Demostración de la Tecnología de Capacidad Conjunta. Este acuerdo también hizo que Qinetiq actuara como socio tecnológico clave de Boeing para DARPA's Vulture, y más tarde, SolarEagle, programa que buscaba mantener un avión en el aire durante cinco años.

DARPA financió el programa en 2012, pero los diseños de Boeing incluyeron los mismos motores de gran altitud utilizados en el Zephyr.

El Departamento de Defensa fue el anfitrión del próximo vuelo de prueba en 2008. Entre el 26 y el 31 de julio, Zephyr voló durante 82 horas y 37 minutos, tres días y medio, en el campo de pruebas Yuma del Ejército de los EE. UU. En Arizona. Controlado por el piloto automático y el enlace satelital, Zephyr transportó una radio VHF de dos canales y dos canales de aire de gobierno de EE. UU. Hasta 62,000 pies.

Este era un nuevo récord para una aeronave no tripulada, pero debido a que ningún oficial de la Fédération Aéronautique Internationale de registros estaba presente para presenciar el vuelo, no era oficial. Pero Zephyr había pisoteado el propio récord no oficial de 34 horas de Global Hawk, y el equipo estaba lejos de terminar.

"Creemos que Zephyr está muy cerca de un sistema operativo, en los próximos dos años es lo que estamos buscando", dijo el ingeniero jefe Chris Kelleher, quien lamentablemente murió en el verano de 2015, a la BBC después del vuelo de prueba de Arizona. "Tenemos un paso más de mejoras. Estamos tratando de diseñar un sistema robusto y confiable que realmente se quede ahí por meses. Y queremos impulsar el rendimiento ".

Mientras Zephyr 6 continuaba probando con el Centro Naval de Guerra Aérea de los EE. UU., Qinetiq comenzó a trabajar en Zephyr 7.

Esta iteración fue, hasta hace muy poco, el prototipo actual. Podría volar más de un mes con una altitud diurna de 65,000 pies y 45,000 pies por la noche. A 73.8 pies, era 50 por ciento más grande que su predecesor, y pesaba 110 libras.

Este aumento de peso se debió en parte a que llevaba más baterías que las que tenía Zephyr 6. El nuevo modelo también llevaba una cámara que mira hacia abajo y una cámara óptica / infrarroja con visión de futuro para ayudar a los operadores a volar el avión desde el suelo.

Después de ser lanzado a mano, un piloto en una estación terrestre basada en contenedores controló remotamente el avión hasta que alcanzó la altitud mínima para que el piloto automático entrara en acción. Una vez en el aire, el piloto automático podría navegar entre los puntos de referencia GPS o, cuando sea necesario, la estación terrestre el operador podría tomar el control manual.

El perfil aerodinámico de Zephyr también había cambiado. Las alas ahora tenían la forma de V invertida de una gaviota de dibujos animados, y su cola presentaba una configuración en forma de T alta.

El equipo de Qinetiq regresó a Yuma Proving Ground con el nuevo modelo en julio de 2010, donde una vez más rompió el récord de resistencia. La aeronave gestionó más de 14 días de vuelo continuo, 336 horas y 22 minutos, a una altitud máxima de 70.740 pies. Esta vez, un funcionario de la Fédération Aéronautique Internationale estuvo allí para presenciar el vuelo, colocando el vuelo en los libros de récords.

Este récord de resistencia de aviones no tripulados se mantiene en agosto de 2016.

A partir de este punto, el rompimiento de récords había terminado. En diciembre de 2010, Qinetiq comenzó a lanzar a Zephyr como una plataforma militar de comunicaciones y vigilancia lista para la guerra, pero en realidad seguía siendo en gran medida prototipo.

En 2013, Qinetiq vendió el proyecto a EADS Astrium, que luego se convirtió en Airbus Defence & Space ese mismo año. Los equipos de Zephyr en Qinetiq y Airbus han avanzado desde entonces con un modelo verdaderamente listo para la producción.


Zephyr 7. Foto de Airbus Defence & Space

Maravilla técnica

El Zephyr representa un logro increíble. Operando en una región de la atmósfera donde la mayoría de los aviones intentan pasar el menor tiempo posible, Zephyr está sujeta a todo tipo de desafíos de ingeniería.

En su techo operativo, Zephyr vuela alto sobre el viento y el clima, pero es extremadamente vulnerable durante su ascenso y descenso a través de la troposfera ventosa, la región de la atmósfera que habitamos.

Durante las pruebas, Zephyr solo se lanzó en condiciones climáticas perfectas, aunque los comunicados de prensa de Qinetiq repetidamente aumentaron la temperatura del suelo y las tormentas durante los días de prueba. Pero eso no es minimizar los efectos de las temperaturas del desierto que enfrenta en el suelo.

Desde aproximadamente 40º Celsius en el momento del lanzamiento, la temperatura ambiente de Zephyr bajaría 2º Celsius por cada 1,000 pies. Pero el avión vuela principalmente dentro y alrededor de la capa de ozono, que absorbe la luz ultravioleta del sol y emite la energía en forma de calor. Como resultado, la temperatura del aire ambiente en realidad comienza a aumentar una vez que Zephyr asciende más allá de 65,000 pies.

Una vez que Zephyr sale del denso aire troposférico y entra en la estratosfera, también tiene que aumentar su uso de energía para mantener la propulsión.

Cuando cae la noche, la aeronave debe descender a 45,000 pies para conservar energía volando en aire más denso. Aquí la temperatura cae a tan solo -80º Celsius. Este frío extremo puede hacer que los componentes se vuelvan quebradizos, afecten a los componentes electrónicos y hagan que los componentes metálicos se contraigan.

Los ingenieros eligieron aislar y calentar componentes para protegerlos, a pesar de que aumentó el peso de Zephyr. Pero dadas estas temperaturas extremas, no es posible proteger completamente cada componente de la expansión y contracción generadas térmicamente.

Los rayos cósmicos (partículas energéticas que emanan del espacio) son una amenaza adicional para los componentes electrónicos de la plataforma. Zephyr opera justo en la región más alta para la radiación cósmica. Estos rayos pueden causar corrupción de datos y fallas electrónicas críticas y no está claro cuánto blindaje tenía Zephyr 7 para protegerse contra esta amenaza, pero según los informes no ha sufrido ningún efecto negativo ... todavía.

Los operadores de Zephyr también enfrentarán desafíos derivados de su generación de energía solar. La cantidad de energía solar disponible para cualquier área de superficie determinada varía según la latitud y la fecha. Los trópicos ofrecen la mayor cantidad de energía, pero cuanto más lejos del ecuador vayas, más significativa es la disminución de la energía disponible durante el invierno.

Esto significa que Zephyr tiene limitaciones en cuanto a dónde puede operar, según la temporada. Es poco probable que Zephyr esté patrullando Gran Bretaña durante meses fuera del verano, por ejemplo. Pero eso no significa que sea completamente incapaz de operar durante el invierno. En agosto de 2014, Zephyr 7 voló durante más de 11 días en una ubicación no revelada del hemisferio sur con el fin de demostrar que podría operar durante largos períodos a pesar de las noches más largas del invierno.

Además de la importancia de los requisitos atmosféricos y climáticos de Zephyr, adolece de varias limitaciones estructurales. Tiene que ser extremadamente liviano con alas muy largas. El peso de la carga útil, los motores, las baterías y los paneles solares se distribuyen uniformemente a lo largo de las alas en la atmósfera superior, pero en el suelo, estas alas se caen por su propio peso. Los operadores de Zephyr tendrán que tener mucho cuidado al lanzar y estibar la aeronave o arriesgarse a sufrir fracturas por estrés, o algo peor.

Además, el requisito de peso ligero requiere compromisos de diseño. Cada componente debe proporcionar una fuerte relación potencia-masa. Para Zephyr 6, al menos, sus células solares de silicio amorfo presentaban capas fotovoltaicas que tenían micrómetros de grosor. Esto los hizo alrededor de 10 por ciento de eficiencia en comparación con las células comerciales más gruesas.

Sus baterías de litio-azufre, aunque más ligeras que las de iones de litio, se retrasaron en eficiencia. Exigían un calentamiento constante a 20º centígrados para mantener su eficiencia y también necesitaban alojarse en contenedores antiincendios para evitar catástrofes de autocombustión.

En última instancia, el principal impedimento de Zephyr es su limitada capacidad de carga. Zephyr 6 podría llevar un mísero seis libras en comparación con las 2.000 libras de Global Hawk o las 400 libras de Global Observer de AeroVironment. Todas estas preocupaciones sobre el peso son necesarias para garantizar que Zephyr no solo pueda volar, sino también realizar sus misiones requeridas, pero parece poco probable que los paquetes de Zephyr lleguen a alcanzar la eficacia de sus competidores.

Sus cargas útiles no solo deben llevarse a la altura, sino que también deben ser alimentadas por sus paneles solares. Esto sugiere que las cargas útiles basadas en chorro existentes no serán del todo adecuadas para las operaciones de Zephyr.

El Zephyr es lo más cercano que tenemos a un avión de vigilancia eterna, pero no puede satisfacer todas las necesidades de información, vigilancia, adquisición de blancos y reconocimiento de sus operadores. Va a llenar una pequeña parte de la caja de herramientas de un comandante, al menos hasta que las tecnologías de la batería y la cámara permitan una menor tensión en el frágil equilibrio que lo mantiene en el aire.


Los dos modelos de producción de Zephyr: Zephyr S y Zephyr T. Airbus Defense & Space image

Zephyrs británicos

El ejército británico esperaba recibir sus tres Zephyrs en 2017 bajo un contrato de £ 13 millones. Gran Bretaña declaró su intención de comprar Zephyr en su Estrategia de Seguridad Nacional y Defensa Estratégica y Revisión de Seguridad 2015, luego de lo cual el entonces primer ministro David Cameron dijo al Parlamento que "aviones no tripulados diseñados por británicos volarán al borde de la atmósfera terrestre y nos permitirán observar a nuestros adversarios durante semanas, proporcionando inteligencia crítica para nuestras fuerzas ".

A pesar del silencio del Ministerio de Defensa sobre el propósito real de su compra de Zephyr, la Defensa Estratégica y la Revisión de Seguridad ofrecieron una pista importante. "[Las Fuerzas Especiales Británicas] tendrán la información que necesitan, incluso a través de nuestra inversión en aviones avanzados de vigilancia a gran altitud", dice la revisión.

En 2016 las Fuerzas Especiales británicas fueron vistas entrenando rebeldes sirios. Una plataforma como Zephyr volando fuera de Chipre, donde actualmente opera el U-2, podría proporcionar señales e imágenes permanentes a los comandantes en casa, así como también proporcionar inteligencia actual y soporte de datos para las tropas en tierra.

El Zephyr 8 - o Zephyr S como se lo conoce por su producción - tiene una envergadura de 82 pies, pero también es un 30 por ciento más liviano a pesar de llevar un 50 por ciento más de baterías. Esto deja más espacio para su carga útil de 11 libras.

El Zephyr S probablemente represente la evolución que fue necesaria para que la plataforma recoja los contratos de producción. Zephyr S lleva cámaras ópticas / infrarrojas de alta definición, comunicaciones móviles de banda estrecha con una capacidad de transmisión de 100 megabits por segundo. Su cámara NIIRS 6 puede producir imágenes con una resolución de hasta 15 centímetros para objetos en el suelo.

En el Airshow de Farnborough en julio de 2016, Airbus anunció el Zephyr T, un diseño más grande de cola doble con una envergadura de 108 pies, capaz de transportar una carga útil de 44 libras en su estructura aérea más grande de 136.6 libras. Airbus está planificando una construcción a gran escala en 2018 antes de que la aeronave entre en funcionamiento el año siguiente.

El Zephyr T es un tiro en la proa del Tritón de Northrop Grumman, la variante naval del Global Hawk. Llevará un radar marítimo hermanado con un radar de apertura sintética para detectar naves de superficie. Esto lo posiciona como un avión de vigilancia marítima y de patrulla fronteriza de larga duración o un avión de vigilancia antipiratería, los cuales apelarían a los actuales roles navales de Gran Bretaña en el país y en el extranjero.

La mayor prueba de Zephyr convencerá a otras naciones de que es digno de adquisición. Es evidente que Estados Unidos tiene un interés de larga data en el proyecto, por lo que un orden estadounidense, ya sea militar o civil, no es impensable. Otra opción podría ser Japón, que ha estado adquiriendo vigilancia y aviones de patrulla para asegurar sus disputados mares con China.