Фотоэлементарно, Ватсон! (окончание)
Из журнала ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 2010 10
(Окончание. Начало в 9/2010)
За 35 лет своего существования аппараты, использующие для полёта исключительно энергию Солнца, уже достигли впечатляющих успехов — мы описали их в первой части статьи. Они поднимали в воздух человека — правда, невысоко и ненадолго. Они летали высоко, летали долго, но — без человека на борту. И только теперь, в этом году, мир, наконец, получил надежду на то, что нормальные, полноценные полёты людей на самолётах с «солнечным горючим» станут когда-нибудь реальностью.
Прорыв Solar Impuls'а
Эту реальность воплощают не американцы со своим большим, грузоподъёмным, но по самой идее беспилотным Helios'ом. И не англичане, чей Zephyr тоже велик, но слишком лёгок для того, чтобы поднять человека. Это делает швейцарец Бертран Пикар — человек, который любит летать. Настолько, что 1999 г. вместе со своим компаньоном Брайаном Джонсом совершил первое в мире беспосадочное кругосветное путешествие на гибридном гелиево-тепловом аэростате Breitling Orbiter.
Первый эскиз его солнцелёта появился в 2003 г. Интересно, что тогда он был совсем не похож на тот Solar Impulse, который в июле этого года сделал принципиально значимый шаг в деле «солнечного летания». Это был аппарат, очень похожий на классический планер с Т-образным хвостовым оперением, только с двумя двигателями с пропеллерами, установленными на концах стабилизатора.
Почему Пикар передумал, решительно переработал проект? Наверное, потому, что двигатели, установленные на крыле, в полёте разгружают и без того сильно нагруженные узлы крепления крыла к фюзеляжу – ведь так их тяжесть уже расположена на крыле, а фюзеляж становится легче. А нагружать двигателями оперение, создающее лишь малый процент от общей подъёмной силы (или не создающее её вовсе) — бессмысленно. Подъёмная сила горизонтального оперения предназначена для балансировки самолёта, а не для подъёма его в воздух.
Как бы то ни было, в 2007 г. Модель будущего самолёта выглядела уже иначе. Пожалуй, главным её отличием от взлетевшей конструкции можно назвать расположение крыла на пилоне да фюзеляж в виде гондолы с длинной и тонкой хвостовой балкой. Можно снова сделать предположение — почему отказались от пилона. Преимущество пилона в том, что в месте стыка крыла с ним обтекание ухудшается значительно меньше, чем если бы крыло было прикреплено к фюзеляжу. Кроме того, исключается надобность в сложном и «неудобном» элементе конструкции — центроплане, необходимом для силового сопряжения крыла с фюзеляжем.
Однако есть и минус. При установке крыла на пилоне центр тяжести всего аппарата перемещается вниз относительно точки приложение подъёмной силы, а это увеличивает момент инерции вокруг продольной оси (по крену). Но у солнцелёта очень длинное крыло, то есть этот момент и так очень велик. Наверное, уточнив расчёты, пришли к выводу, что делать его ещё больше не нужно. Возможна и другая причина отказа от пилона. У построенного аппарата, как легко видеть, имеется фюзеляж — довольно тонкий, но всё же значительно более «объёмный», чем стержнеобразная хвостовая балка «пилонного» варианта. А «толстая» конструкция позволяет достичь необходимой прочности ценой меньшего веса, чем «тонкая». В ещё большей степени это относится к жёсткости — способности конструкции не гнуться, не скручиваться под воздействием внешних нагрузок. Поэтому, например, толстые крылья тихоходных самолётов весят значительно меньше, чем сравнимой величины крылья сверхзвуковых аппаратов – последние в два, а то и в три раза тоньше, этого требует аэродинамика. Наконец, большая площадь «толстой» конструкции в месте соединения её с другой частью аппарата позволяет разнести «отламывающие» усилия на большие расстояния, что снижает нагрузки на узлы крепления — их можно проектировать более лёгкими.
Так что почти реечная хвостовая балка предварительного «пилонного» варианта Solar Impuls'а может быть не легче, а как раз тяжелее объёмного фюзеляжа, такого, казалось бы, громоздкого по сравнению с нею. Для полноты картины отметим, что фюзеляж солнцелёта сделан в основном из плоских панелей — это технологически проще, чем «модная» каплеобразная гондола плюс пилон с крылоподобным профилем и тонкая круглая хвостовая балка. И, кстати, тоже может быть более выгодно с точки зрения массы конструкции. Ещё стоит обратить внимание на Т-образное хвостовое оперение. Нагрузка от стабилизатора передаётся на хвостовую ферму через киль; это значит, что киль должен иметь прочность большую, чем нужно ему для выполнения его собственных функций. На «финальном», летающем самолёте стабилизатор лежит непосредственно на фюзеляже, и киль не испытывает дополнительного обременения, его конструкция может быть облегчена.
В конце концов HB-SIA – такое официальное обозначение имеет первый экземпляр машины – получился почти обычным четырёхмоторным высокопланом, единственная «нетрадиционная» деталь – крестообразное оперение, в котором киль имеется не только сверху фюзеляжа, но и снизу. Самолёт, сделанный из композиционных материалов, очень лёгок — всего 1600 кг; и это при размахе крыла 63,40 м (площадь 200 м2) и длине 21,85 м. Показатель нагрузки на крыло — 8 кг/м2, как у лучших планеров. Двигатели имеют мощность по 7,35 кВт (примерно 10 л.с.).
Естественно, аппарат получил комбинированную систему питания — как иначе летать ночью? Фотоэлектрические панели включают в себя суммарно 11 628 монокристаллов с КПД преобразования 22,5%. Часть элементов установлена на нижней поверхности крыла, и они несколько другого типа, чем верхние; это сделано для улавливания излучения, идущего под очень маленьким углом и отражённого от земной поверхности. Литий-полимерная аккумуляторная батарея «съедает» четверть максимальной взлётной массы — 400 кг. Но ночной полёт возможен не только благодаря аккумулятору. Как уже упомянуто, Solar Impulse имеет характеристики прекрасного планера, и потому может далеко лететь за счёт сравнительно медленного снижения. Так и планируется управлять им в многосуточном полёте: днём поднимать на максимальную высоту, ночью – опускать до безопасной, которая определяется во многом турбулентностью, свойственной нижним, приземным, слоям атмосферы.
…До рекордного старта самолёт сделал порядка 10 пробных полётов, самый долгий был 14-часовым. Но это происходило при свете дня; а самое интересное — проверка конструкции и всей концепции в темноте ночи. И вот, 8 июля сего года, в 6 ч 51 мин по местному времени, Solar Impulse, ведомый Андре Боршбером, поднялся в воздух с аэродрома в городке Паерне, в 50 км от Берна, Швейцария. Проведя в воздухе 26 ч 9 мин, он приземлился на том же аэродроме. В полёте была достигнута высота 8,7 км, что является рекордом для пилотируемых солнцелётов. Но главное — теперь практически доказано, что человек может летать на аппарате тяжелее воздуха, используя только энергию Солнца. Впрочем, 26 ч – это тоже рекорд для пилотируемых солнцелётов; мы же не забыли, что Zephyr, налетавший несколько суток, является беспилотником, неприемлемо лёгким даже для фантазий о том, чтобы посадить на него лётчика.
Что дальше?
Что касается Пикара, то дальше — кругосветный полёт. Для этого разрабатывается следующая модификация Solar Impuls'а — HB-SIВ, которая должна быть построена в следующем году. Этот вариант будет иметь размах уже 80 м — больше, чем у самого большого в мире лайнера Airbus А380. Машина будет иметь более серьёзное оборудование: навигационный комплекс, систему жизнеобеспечения для полёта на высоте 12 км. По расчётам, в процессе «кругосветки» потребуется сделать пять посадок для смены лётчика, поскольку даже при наличии автопилота один человек вряд ли сможет выдержать в кабине больше трёх-четырёх суток. Это свершение запланировано на 2012 г. В более отдалённых планах — беспосадочное кругосветное путешествие. Но для этого нужно будет сделать ряд технических усовершенствований, в первую очередь – повысить удельную ёмкость аккумуляторов, чтобы сэкономить вес для второго члена экипажа.
В США тоже не оставляют тему «солнечного летания», но продолжают делать упор на беспилотных разработках. Одна из наиболее амбициозных — программа Vulture («Гриф»). Она ведётся под эгидой DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency — Агентство передовых оборонных исследовательских проектов, одно из ведомств Министерства обороны США). Сказать, что Агентству нужен аппарат с высокими характеристиками — значит сильно приуменьшить впечатление от его требований. Беспилотный самолёт, использующий в качестве источника энергии знакомое нам уже по Helios'у сочетание солнечных батарей и топливных элементов, должен будет находиться в воздухе… 5 лет — всё время своей эксплуатации! Назначение обычное для военных — разведка, ретрансляция. Это уже почти совсем спутник — ведь время его единственного полёта вполне сопоставимо с временем существования орбитальных космических аппаратов. Да и летать он должен на высотах порядка 20-30 км. Его иногда так и называют: «стратосферный спутник».
Понятно, что условия работы этого БЛА очень жёсткие: холод верхних слоёв атмосферы, мощный поток ультрафиолетового излучения. Известно, что аппарат должен нести полезную нагрузку 454 кг (1000 фунтов) и обеспечивать её бесперебойным питанием мощностью 5 кВт. А мощность двигателей должна дать ему способность, не «отступая», сопротивляться ветрам на рабочих высотах в течение 99% всего полётного времени.
Очень непростой проблемой оказался выбор подрядчика по программе Vulture. Первой получила грант от военного ведомства компания Boeing. Для того чтобы избежать лишних ошибок, Boeing наладил сотрудничество с уже известной нам QinetiQ с её опытом, накопленным во время создания рекордного «фотоэлектрического» Zephyr'а. Представления о будущем стратосферном беспилотнике, которыми пару лет назад поделилась с общественностью QinetiQ, не вызывают удивления: тот же Zephyr, только сильно увеличенный и с десятью моторами. А вот другой разработчик, компания Aurora Flight Science, предлагает нечто, ранее невиданное. Её аппарат называется Odysseus.
Собственно, это сцепка из трёх отдельных аппаратов с размахом по 50 м, способных работать вместе. Каждый из них поднимается на рабочую высоту самостоятельно и там сцепляется с «сотрудниками» — крылом к крылу. В случае необходимости аппарат может также отцепиться и спуститься на землю — например для ремонта или оснащения новой целевой аппаратурой. Хорошо, но зачем им сцепляться? А вот зачем.
Части сцепки могут поворачиваться друг относительно друга на осях, проходящих через торцы крыльев. Это позволяет всей конструкции принимать такую конфигурацию, которая даёт наилучшую энергоэффективность в данное время суток, при данной освещённости. Процессом, конечно, управляет компьютер; интересный пример «коллективной робототехники», когда группа аппаратов, действуя сообща, достигает результата лучшего, чем механическая сумма результатов каждого отдельного «индивидуума».
***
Ну, а что же наши конструкторы? По имеющимся у нас сведениям, пока их разработки не идут дальше создания экспериментальных авиамоделей с фотоэлементами, которым до рекордов — ох, далеко! Причина нашего отставания банальна — нет денег, нужных материалов и оборудования. Или, может, наши сведения не точны и где-то в нашей стране уже создаётся солнцелёт с небывалыми характеристиками? Ау, энтузиасты!..
Автор: Станислав Славин, Владимир Мейлицев
Год: 2010
Номер: 10
