火山观测无人机飞行为常规危险监测打开了大门

提供“火山预测”的能力有助于减少火山爆发对健康、安全甚至经济的重大影响；它们经常扰乱航空业和我们所依赖的全球供应链。去年秋天，一架小型飞机在一座活火山的顶峰盘旋，将我们带向一个未来，在那里，偏远但危险的火山会被持续监测，以寻找可能爆发的迹象。

这种无人驾驶飞机系统（UAS），通常被称为无人机，是专门为在具有挑战性的环境中进行科学用途而设计的，然后升级为空中火山观测平台。2021年9月，一群联邦科学家和行业工程师飞往阿拉斯加阿留申群岛的马库申火山，证明了无人机可以在飞行员不看飞机的情况下成功飞行。这为监测世界各地的火山和其他灾害开辟了新的可能性。

看不见的航班，酝酿多年

Black Swift Technologies的Maciej Stachura携带S2飞机前往阿拉斯加荷兰港机场的发射场。

派遣研究人员徒步或驾驶飞机近距离调查火山可能既危险又昂贵。定期处理大量火山也是不现实的。但是，如果一架复杂的无人机能够在操作员的视线之外飞行，它就可以完成这项工作。该功能的首字母缩写为BVLOS，标志着一种阈值，一旦通过，将使更多的应用成为可能。

在美国国家航空航天局，加州硅谷埃姆斯研究中心的研究人员首次证明了使用无人机对火山进行近距离监测。2013年，他们在哥斯达黎加的图里亚尔巴火山上空驾驶小型固定翼无人机收集科学数据。

后来，美国国家航空航天局与科罗拉多州博尔德市的Black Swift Technologies进行了长期合作，研制出了S2无人机，该无人机最近在阿拉斯加进行了开创性的飞行。

Ames地球科学部主任、该项目的早期成员Florian Schwandner说：“我们需要它非常坚固，能够承受火山周围的湍流和腐蚀性气体。”“我们还开发了一种无人机可以携带的气体传感有效载荷，以寻找火山动荡的迹象。”

几年前，当美国地质调查局加入这一合作伙伴关系时，他们带来了一种更强大的有效载荷，可以探测更多的气体并收集视觉和热图像。

S2飞机机翼上的相机拍摄到的Makushin火山顶峰的景象。在2021年9月的一次飞行演示中，无人驾驶飞机系统在飞行员视线范围之外自主飞行，飞行高度为6000英尺，以获取火山活动的数据。

S2号飞行演示的发展道路在一定程度上得到了美国国家航空航天局小企业创新研究和小企业技术转让项目的支持，该项目的管理办公室位于埃姆斯。该计划资助小企业和研究机构研究、开发和演示具有成功商业化巨大潜力的创新技术。对于所有无人机来说，无论是科学的还是其他的，实现安全的超视距飞行都是迈向广泛商业用途的下一大步。

去峰会再回来

为了证明S2可以这样飞行——不需要眼睛盯着飞机，只需要显示器显示其飞行路线——一个主要要求是制定一个将无人机安全集成到空域的计划。Ames的飞行运营部门与美国联邦航空管理局和Black Swift合作，制定了安全飞行所需的操作。

在部署过程中，该团队向15英里外的马库申火山执行了四次超视距飞行任务。S2依靠其自主系统和编程飞行计划登顶，飞机在那里捕捉到了高分辨率的可见光和热图像。该团队的科学家证实，他们可以利用这些来探测物理特征的变化，这些变化表明火山活动在地下发生了变化。这些飞行还证明了飞机上传感器检测气体的能力，这些气体可能预示着火山深处正在酝酿的活动变化。

Black Swift Technologies首席执行官Jack Elston表示：“我们的目标是继续推动无人机的能力，为自然现象提供有价值的见解。”“这次部署展示了一些最先进的自动化技术，我们认为这些技术将有助于大大简化现在非常困难的无人机操作。最令人兴奋的结果之一是看到我们的定制自动驾驶系统确定何时情况变得太危险并返回。”

常规航班的未来

阿拉斯加马库申火山顶峰的航空照片，上面覆盖着黄色的热图像数据。热数据显示了热土区域，证明了这座火山的活跃性质。这两张图像都是S2无人机在2021年9月成功演示超视距飞行时使用机载仪器拍摄的。在右下角可以看到火山口湖，以及散布在山顶区域的喷气孔，这些喷气孔正在释放火山气体。

有了这个科学平台，飞行员可以在视线范围之外安全飞行，这一能力得到了证实，为更常规的操作铺平了道路。

美国地质调查局国家创新中心主任乔纳森•斯托克表示：“与美国国家航空航天局和黑雨燕合作，我们的科学家相信，我们可以使用无人机来帮助当局警告社区危险的火山爆发，以及许多其他现在让我们感到惊讶的危险。”该中心帮助资助和协调了2021年9月的飞行。“有了这个工具，我们甚至可以定期监测偏远火山的活动，并对喷发事件做出反应——这将改变我们科学家和这些地质灾害周围社区的安全。”

政府和小企业之间的这种合作关系可以使BVLOS无人机飞行成为可能，用于跟踪和应对世界各地的各种灾害，包括干旱、洪水、野火等。

这项工作是美国国家航空航天局、Black Swift Technologies LLC和美国地质勘探局长期合作的成果。Makushin火山项目的资金由美国地质调查局国家陆地成像项目和美国地质调查署国家创新中心提供，与美国国家航空航天局的SBIR/STTR项目合作，利用美国国家航空宇航局对飞机原型的原始投资。美国地质调查局还通过一项跨部门协议资助了美国国家航空航天局艾姆斯飞行运营部门，以提供适航审查和与美国联邦航空管理局的空域整合协调。

横幅图片：S2无人机准备在阿拉斯加荷兰港机场的气动发射器上部署。署名：阿留申航空/安迪•迪特里克

对于新闻媒体：有兴趣报道这一话题的新闻媒体成员应联系美国航空航天局埃姆斯新闻编辑室。

作者：Abby Tabor，美国航空航天局艾姆斯研究中心