برنامج ناسا باثريد

في عام ١٩٨٣، حصلت شركة AeroVironment على تمويل من وكالة حكومية أمريكية لم يُفصح عنها لإجراء دراسة سرية حول مفهوم طائرة بدون طيار تُعرف باسم "الطاقة الشمسية على ارتفاعات عالية" أو HALSOL. حلّق النموذج الأولي لـ HALSOL لأول مرة في يونيو ١٩٨٣. أُجريت تسع رحلات تجريبية لـ HALSOL في بحيرة غروم بولاية نيفادا. استُخدمت في هذه الرحلات أجهزة تحكم لاسلكية وبطاريات، نظرًا لعدم تزويد الطائرة بخلايا شمسية. تم التحقق من ديناميكيات HALSOL الهوائية، إلا أن الدراسة خلصت إلى أن تقنية الخلايا الكهروضوئية وتقنية تخزين الطاقة لم تكن ناضجة بما يكفي لجعل الفكرة عملية في الوقت الراهن، ولذلك تم إيقاف مشروع HALSOL. ^{[ ٢ ]}

في عام 1993، وبعد عشر سنوات من التخزين، أعيدت الطائرة إلى الخدمة في مهمة قصيرة من قبل منظمة الدفاع الصاروخي الباليستي (BMDO). ومع إضافة ألواح شمسية صغيرة، أُجريت خمس رحلات تجريبية على ارتفاعات منخفضة ضمن برنامج BMDO في مركز درايدن التابع لناسا في خريف عام 1993 وأوائل عام 1994 باستخدام مزيج من الطاقة الشمسية والبطاريات. ^{[ 3 ]}

في عام ١٩٩٤، نُقلت الطائرة إلى برنامج ناسا إيراست لتطوير تكنولوجيا الطائرات العلمية. وأُعيد تسميتها إلى "باثفايندر" لأنها كانت "بمثابة نموذج رائد لأسطول مستقبلي من الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية، والقادرة على البقاء في الجو لأسابيع أو شهور في مهام جمع العينات والتصوير العلمي". ^{[ ٣ ]} خُطط لسلسلة من الرحلات الجوية لإثبات قدرة هيكل طائرة خفيف الوزن وهش للغاية، ذي نسبة عرض إلى طول عالية جدًا (النسبة بين طول الجناح ووتر الجناح)، على الإقلاع والهبوط بنجاح من المطار، والتحليق إلى ارتفاعات شاهقة (بين ١٥٠٠٠٠ قدم و ٢٤٠٠٠ قدم ) باستخدام طاقة الشمس. إضافةً إلى ذلك، سعى مشروع إيراست أيضًا إلى تحديد جدوى استخدام هذه الطائرة بدون طيار لحمل الأجهزة المستخدمة في دراسات علمية متنوعة. ^{[ ٤ ]}  

في 21 أكتوبر 1995، تم إثبات هشاشة الطائرة بشكل واضح عندما تعرضت لأضرار بالغة في حادثة داخل حظيرة الطائرات، ولكن أعيد بناؤها لاحقاً. ^{[ 4 ]}

كانت طائرة باثفايندر تعمل بثمانية محركات كهربائية - تم تقليصها لاحقًا إلى ستة - وكانت تُشغل في البداية بالبطاريات. بلغ طول جناحيها 30 مترًا (98.4 قدمًا) . تحتوي حجرتان أسفل الجناحين على معدات الهبوط والبطاريات ونظام أجهزة القياس ثلاثي النسخ الاحتياطي، بالإضافة إلى حاسوبي تحكم طيران ثنائيي النسخ الاحتياطي. وبحلول الوقت الذي تم فيه دمج الطائرة في مشروع إيراست في أواخر عام 1993، أُضيفت إليها خلايا شمسية، لتغطي في النهاية السطح العلوي للجناح بالكامل. ^{[ 1 ]} توفر الألواح الشمسية الطاقة لمحركات الطائرة الكهربائية، وأنظمة الملاحة الجوية، والاتصالات، والأنظمة الإلكترونية الأخرى. كما احتوت باثفايندر على نظام بطاريات احتياطي يمكنه توفير الطاقة لمدة تتراوح بين ساعتين وخمس ساعات، مما يسمح برحلات قصيرة بعد حلول الظلام. ^{[ 3 ]} 

تحلق طائرة باثفايندر بسرعة جوية تتراوح بين 24 و 40 كيلومترًا في الساعة . ويتم التحكم في ميل الطائرة باستخدام أسطح توجيه صغيرة على الحافة الخلفية للجناح. أما التحكم في الانعطاف والدوران فيتم عن طريق إبطاء أو تسريع المحركات الموجودة على الأجزاء الخارجية من الجناح. ^{[ 3 ]}  

شملت الأنشطة العلمية الرئيسية لبعثات باثفايندر رصد حالة المغذيات في الغابات، وإعادة نمو الغابات بعد الأضرار التي سببها إعصار إينيكي عام 1992، وتركيزات الرواسب/الطحالب في المياه الساحلية، وتقييم صحة الشعاب المرجانية. ويتولى مركز أبحاث ناسا أميس تنسيق هذه الأنشطة العلمية ، بمشاركة باحثين من جامعة هاواي وجامعة كاليفورنيا . وقد اختبرت باثفايندر خلال رحلاتها الجوية جهازين علميين طُوِّرا بواسطة برنامج ERAST، وهما: مقياس التداخل الرقمي الماسح الضوئي عالي الدقة الطيفية (DASI)، ونظام التصوير الجوي الفوري عالي الدقة المكانية (ARTIS)، وكلاهما طُوِّر في مركز أميس. أُجريت هذه الرحلات على ارتفاعات تتراوح بين 6700 متر (22000 قدم) و 15000 متر (49000 قدم) عام 1997. ^{[ 3 ]}  

في 11 سبتمبر 1995، سجلت طائرة باثفايندر رقماً قياسياً غير رسمي في الارتفاع للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية، حيث وصلت إلى 15,000 متر (50,000 قدم) خلال رحلة استغرقت 12 ساعة من مركز درايدن التابع لناسا . ^{[ 1 ] [ 4 ]} ولا يزال هذا الرقم القياسي، والأرقام القياسية اللاحقة التي ادعت ناسا أنها حققتها باثفايندر، غير رسمية، لعدم اعتمادها من قبل الاتحاد الدولي للطيران (FAI )، الهيئة الدولية المعترف بها لتوثيق الأرقام القياسية في مجال الطيران. وقد منحت الرابطة الوطنية للملاحة الجوية (NAA) فريق ناسا-صناعة الطيران (ERAST) جائزةً لواحدة من "أكثر 10 رحلات قياسية لا تُنسى" في عام 1995. ^{[ 3 ]} 

بعد إجراء تعديلات إضافية، نُقلت الطائرة إلى منشأة نطاق الصواريخ في المحيط الهادئ التابعة للبحرية الأمريكية (PMRF) في جزيرة كاواي في هاواي . وفي إحدى رحلاتها السبع هناك خلال ربيع وصيف عام 1997، حطمت طائرة باثفايندر الرقم القياسي للارتفاع للطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية - وكذلك الطائرات ذات المحركات المروحية - إلى 71,530 قدمًا (21,800 مترًا) في 7 يوليو 1997. وخلال تلك الرحلات، حملت باثفايندر جهازي تصوير خفيفي الوزن لدراسة النظم البيئية البرية والساحلية للجزيرة بشكل أعمق، مما يُظهر إمكانات هذه الطائرات كمنصات للبحث العلمي. ^{[ 1 ]} 

في يوليو 2002، حملت طائرة باثفايندر-بلس معدات ترحيل اتصالات تجارية طورتها شركة سكاي تاور، التابعة لشركة أيروفايرونمنت ، في تجربة لاستخدام الطائرة كمنصة بث. اختبرت سكاي تاور، بالتعاون مع وكالة ناسا ووزارة الاتصالات اليابانية ، مفهوم " القمر الصناعي الجوي " بنجاح باستخدام الطائرة لبث إشارة تلفزيونية عالية الوضوح (HDTV ) وإشارة اتصالات لاسلكية IMT-2000 من ارتفاع 20,000 متر (65,000 قدم) ، ما يعادل ارتفاع برج إرسال بارتفاع 19 كيلومترًا (12 ميلًا) . وبفضل زاوية الرؤية العالية للطائرة، لم يستهلك الإرسال سوى واط واحد من الطاقة، أي ما يعادل 1/10,000 من الطاقة التي يحتاجها برج أرضي لبث الإشارة نفسها. ^{[ 6 ]} ووفقًا لستيوارت هيندل، نائب رئيس قسم الاستراتيجية وتطوير الأعمال في سكاي تاور، "تُعد منصات سكاي تاور في الأساس أقمارًا صناعية ثابتة بالنسبة للأرض، ولكن بدون تأخير زمني". وأضاف هيندل أن هذه المنصات التي تحلق في طبقة الستراتوسفير، على عكس الأقمار الصناعية الفعلية، يمكنها تحقيق مستويات استخدام تردد أعلى بكثير. "يمكن لمنصة سكاي تاور واحدة أن توفر أكثر من 1000 ضعف سعة الوصول المحلي الثابت للنطاق العريض التي يوفرها قمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض باستخدام نفس نطاق التردد، وذلك على أساس بايت في الثانية لكل ميل مربع." ^{[ 7 ]}  

وصف راي مورغان، رئيس شركة AeroVironment، المفهوم على النحو التالي: "ما نحاول القيام به هو إنشاء ما نسميه "قمرًا جويًا"، والذي يعمل ويؤدي العديد من الوظائف التي يؤديها القمر الصناعي في الفضاء، ولكنه يفعل ذلك على مقربة شديدة، في الغلاف الجوي" ^{[ 8 ].}