Фотоэлементарно, Ватсон!
Из журнала ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 2010 09
Размах крыла — как у межконтинентального пассажирского «Боинга», а полётная масса — как у довоенного истребителя И-16. Суммарная мощность двигателей — как у средней руки мотоцикла, а дальность полёта… дальность полёта почти неограниченная. Это — «солнечный» самолёт Solar Impulse. 9 июля этого года он доказал, что способен летать на солнечной энергии круглые сутки — и ночью тоже. То есть, фактически, бесконечно долго. Первый в мире!
…Похоже, вскоре и пилотам начнут попадаться на заоблачных трассах своего рода «летучие голландцы». Странного вида самолёты с множеством бесшумно вращающихся винтов. Чёрные, с фиолетовым отблеском, они будут едва заметны на фоне темно-синего, с яркими звёздами, неба больших высот.
Первые «птенцы»
Если быть точным, самый первый в мире БПЛА с солнечной энергоустановкой, разработанный конструктором Р. Баучером из компании Astro Flight по контракту с ARPA (исследовательским агентством Пентагона), поднялся в воздух 4 ноября 1974 г. на полигоне Байсикл-Лейк военной базы Форт-Ирвин в Калифорнии. Крылья Sunrise I были обклеены 4096 фотоэлементами, дававшими суммарную мощность 450 Вт. Этого оказалось достаточно, чтобы аппарат с размахом крыла 9,75 м и массой 12 кг достиг высоты 6100 м. Правда, взлетал он не сам, а запускался с помощью своеобразной «рогатки».
Спустя год в воздух поднялся Sunrise II, имевший 4480 фотоэлементов, дававших уже 580 Вт. А весил он, благодаря использованию новейших композиционных материалов, всего 10,2 кг. Конструкторы надеялись, что аппарат поднимется на высоту 23 000 м, однако проблемы с управлением так и не позволили этого достичь.
Следующим стал Gossamer Penguin, построенный в 1980 г. фирмой AeroVironment при участии химической компании Dupont. Его конструктор, знаменитый Пол Мак-Криди ранее построил самолёт-велосипед Gossamer Albatros, совершивший в 1979 г. первый в мире перелёт через Ла-Манш на мускульной силе человека. Теперь Мак-Криди взял слегка уменьшенный вариант того же «Альбатроса» и заменил велосипедные педали на электромотор и солнечные панели, установленные на высоких стойках над фюзеляжем. 3920 фотоэлементов давали мощность 541 Вт. При размахе крыла 21,66 м аппарат имел собственный вес 30,87 кг. Это был, вероятно, первый взлетевший пилотируемый солнцелёт. Он тоже должен был перелететь Ла-Манш, однако оказался хрупким и летал плохо. Во время первых испытаний он почти не отрывался от земли, а после доработок летал не дальше, чем на 3 км.
Второй вариант назывался Solar Challenger, и он сделал своё дело: стал первым в истории самолётом, который в 1981 г. пролетел 262 км через пролив от Парижа до Мэнстона в графстве Кент, «питаясь» исключительно Солнцем. Конструкция была радикально переработана: изменилось расположение двигателя, винта, киля, панелей фотоэлементов. Суммарная их мощность была доведена до 2,6 кВт. Два двигателя разгоняли аппарат до 65 км/ч, высоту он набирал со скоростью 0,76 м/с.
За дело берётся НАСА
Возможность полёта на солнечной энергии была убедительно доказана, и ему стали искать практическое применение. При этом само по себе отсутствие потребности в топливе было не столь уж важно; гораздо большее значение имела перспектива почти сколь угодно долгого нахождения в воздухе. Она же направляла внимание специалистов к беспилотным аппаратам — ведь в такой ситуации фактором, ограничивающим длительность полёта, становился человек.
Получив финансирование от одного из правительственных ведомств США, в AeroVironment начали работу над проектом «Высотного солнечного беспилотного самолёта» (HALSOL — High Altitude Solar). Аппарат, начавший полёты в июле 1983 г., представлял собой «летающее крыло» размахом 30 м и шириной 2,44 м, сделанное из композитов и пластмасс. Под центральной секцией (всего их было пять) смонтировали две гондолы, в которых размещалась целевая нагрузка, система радиоуправления и телеметрическая аппаратура, а также шасси. Почти равномерно по размаху размещались восемь двигателей с винтами переменного шага. HALSOL весил 185 кг, из чего примерно 10% составляла полезная нагрузка.
Загвоздка была в том, что для аппарата не нашлось подходящих солнечных элементов. Поэтому полёты, проходившие в районе военной базы Грум-Лейк, штат Невада, осуществлялись при запитке моторов от аккумуляторов. Естественно, полноценных испытаний быть не могло; но проведённые девять полётов дали уверенность в том, что аэродинамические решения выбраны правильно. Оставалось ждать прогресса электроники… а пока HALSOL был поставлен на хранение.
Прошло более 10 лет, прежде чем проект вернули к жизни специалисты НАСА. Они призвали его на службу в ERAST — «Программу использования авиационных и сенсорных технологий в области охраны окружающей среды». Вместе с новым именем — Pathfinder — аппарат получил космические фотоэлементы, причём теперь они занимали практически всю верхнюю поверхность крыла. Ещё на нём была аккумуляторная батарея, обеспечивавшая полёт в течение двух-пяти часов — на случай необходимости долететь куда-нибудь после наступления темноты. А количество двигателей вскоре уменьшили до шести. Для управления по тангажу самолёт имел узкие рули на задней кромке крыла; управление по курсу и крену осуществлялось за счёт дифференциального регулирования оборотов внешних двигателей.
Первой задачей Pathfinder'а было доказать, что столь лёгкая конструкция с таким большим удлинением крыла (отношение размаха крыла к его хорде) может эксплуатироваться с обычного аэродрома и способна забираться на очень большие высоты. Что ж, с этим солнцелёт справился: 11 сентября 1995 г. в 12-часовом полёте с авиабазы Драйден он достиг высоты 15 400 м, что стало неофициальным рекордом — пока только для самолётов, приводимых в действие энергией Солнца.
А в июле 1997-го зафиксировано новое достижение: высота полёта 21 800 м. Это был уже рекорд не только для солнцелётов, но и вообще для летательных аппаратов, приводимых в движение воздушными винтами.
В следующем, 1998 г., на арену вышел усовершенствованный Pathfinder Plus. Основных изменений было два. Во-первых, сделали новую центральную секцию крыла — со специальным высотным профилем и вдвое большего размаха; общий размах увеличился до 36,9 м. Во-вторых, на эту секцию поставили новейшие фотоэлементы фирмы Sun Power. Имея КПД 19% против 14% у «старых», они увеличили максимальную мощность системы электропитания с 7,5 до 12,5 кВт. На самолёте опять было восемь двигателей.
6 августа 1998 г. Pathfinder Plus потеснил с пьедестала своего предшественника, установив новый рекорд высоты полёта для солнцелётов и винтовых аппаратов: 24 445 м. В 2002-м аппарат участвовал в исследованиях по программе «атмосферных спутников» — изучалась эффективность высотных самолётов в качестве ретрансляторов телекоммуникационных сетей в сравнении с геостационарными спутниками аналогичного назначения.
Впрочем, специалистов интересовала в первую очередь эффективность нового поколения фотоэлементов, которые предполагалось использовать при разработке самолёта Centurion с практическим потолком в 30 000 м. Этот аппарат уже не был «сделан из» Pathfinder'а, хотя в нём использована та же концепция — летающее крыло. Это крыло имело размах уже 62,8 м и значительно более прочную конструкцию, число двигателей увеличилось до 14. Машина имела четыре подкрыльные гондолы для оборудования и шасси, а её полезная нагрузка доходила до 272,5 кг. Это был уже настоящий беспилотный самолёт, пригодный к практической работе.
В честь бога Солнца
Но заниматься таковой Centurion'у не пришлось. Он выполнил всего три полёта, причём не под солнечной батареей, а с использованием аккумуляторов. Однако правильность избранного пути была доказана, и в 1999 г. аппарат стали дорабатывать уже под новым именем — Helios.
Тенденция продолжилась — крыло новой машины, состоящее из шести одинаковых секций, имело длину 75,3 м — больше, чем у самых крупных американских «транспортников» — гражданского Boeing 747 (65,6 м) и военного С-5 Galaxy (67,9 м). И это при максимальном взлётном весе всего 272,4 кг! В названных самолётах тонн больше, чем в Helios'е — килограммов…
Хорда крыла была такой же, как у Centurion'а и Pathfinder'а — 2,44 м; за счёт большего размаха количество фотоэлементов было доведено до 62 120. Внешние секции, для повышения устойчивости по крену, устанавливались с углом поперечного V = 10ο. Пять подкрыльевых гондол располагались в местах стыка секций крыла. Количество двигателей уменьшили до 10.
В рамках программы ERAST Helios должен был продемонстрировать возможность достижения двух целей: (1) установившийся полёт на высоте порядка 30 км и (2) полёт длительностью не менее 24 ч, из которых не менее 14 на высоте не менее 15 км. Вторая задача определила состав энергетической системы: это была комбинация из солнечных батарей, аккумуляторов и воздушно-водородных топливных элементов для полёта ночью.
Что ж, с первой из задач Helios практически справился: 13 августа 2001 г. была достигнута высота 29 523 м — новый рекорд для нереактивных аппаратов. При этом более 40 мин он летел выше 29,3 км, доказывая, что может стать прототипом воздушного ретранслятора или разведчика, способного очень долго находиться на очень большой высоте — во всяком случае, по своим аэродинамическим решениям.
Однако едва ли не те же решения привели этот действительно многообещающий прототип к печальному концу. 26 июня 2003 г., во время второго предварительного полёта по программе подготовки к 40-часовому испытанию, аппарат потерял управление, частично разрушился и упал в Тихий океан.
А длительность — за Европой!
В Европе занялись «солнечной авиацией» сравнительно поздно. Цели для разрабатываемых аппаратов заявляются примерно те же — мониторинг окружающей среды, ретрансляция сигналов в линиях связи (в этом качестве их часто называют «псевдоспутниками»). Соответственно, и основные требования к аппаратам такие же, как и у заокеанских конструкторов: большие потолок и продолжительность полёта.
В 2000-03 гг. группа специалистов Туринского политехнического университета (Италия) совместно с коллегами из британского Йоркского университета разработала концепцию аппарата Heliplat — крупной машины, построенной по двухбалочной схеме, с размахом крыла 70 м и восемью двигателями. Система питания, как и у «американцев», комбинированная — солнечная батарея плюс топливные элементы. Самолёт должен кружить над большим городом, покрывая территорию размером в 1000 км в поперечнике. 425 тыс. преобразователей, установленных на нём, по расчёту, должно хватить для обслуживания 8,5 млн абонентов сотовой связи. Практические шаги этой итало-британской программы пока скромны: в 2007 г. совершил серию испытательных полётов малоразмерный демонстратор, предназначенный для тестирования солнечных элементов и электрической силовой установки.
Он сделан из модели мотопланера Super Dimona 2400 с размахом крыла 7 м. Панели с монокристаллическими кремниевыми фотоэлементами поставили поверх обшивки, в дополнение к ним аппарат нёс литиевые аккумуляторы, так что возможность полётов в тёмное время суток тоже была обеспечена. Полезной нагрузкой служили ИК-прибор и видеокамера; вместо «штатной» аппаратуры дистанционного управления на модели был установлен автопилот. По заявлению руководителя исследований, профессора Джулио Ромео, это были первые полёты солнцелёта в Италии…
Даже раньше, чем итальянцы, солнцелётами занялись англичане: компания QinetiQ провела первые испытания своего БЛА Zephyr ещё в 2006 г. Zephyr — это не отдельный образец, а программа, в ходе которой создаются аппараты, сходные по аэродинамике и конструкции, но различающиеся в размерах. Схема у них вполне классическая — моноплан с рейкой-фюзеляжем и обычным хвостовым оперением, двигатели — на крыле, винты тянущие. Внешние части консолей примерно на 40% размаха установлены с положительным V для повышения поперечной устойчивости, на верхней поверхности крыла — солнечные батареи толщиной в лист бумаги, внутри — литиевые аккумуляторы. Основные силовые элементы сделаны из углеродных композитов.
Первые два аппарата испытывались на американском полигоне Уайт Сэндз в марте 2006 г. Это были машины с размахом 12 м, весом 27 кг. Лучшие результаты — 6 ч в воздухе, высота 8,2 км. А в сентябре следующего года был установлен рекорд. Если американский Helios достиг рекордных показателей по одному из двух главных направлений — высоте полёта, — то Zephyr стал лидером по другому — его продолжительности.
Рекорд был поставлен аппаратом следующего поколения — весом 31 кг, с размахом крыла 18 м. Zephyr летал 54 ч — это больше, чем официальный мировой рекорд продолжительности полёта, остающийся пока за «обычным» американским беспилотником Global Hawk — 31ч 30 мин.
Zephyr взлетает под управлением оператора, а в некоторый момент времени управление берёт на себя автопилот, направляющий путь аппарата с помощью спутниковой навигационной системы.
У программы Zephyr есть практическое будущее. Поверив в возможности электролёта — а разработчики обещают 30 км высоты и три месяца продолжительности, — этот аппарат выбрали в качестве воздушной платформы европейского проекта Pegasus. Проект подразумевает создание Европой собственной системы сбора визуальной информации — картография, погода, урожай, рост лесов, пожары. Помимо беспилотнков, нём будут работать спутники и, конечно, наземные станции приёма и обработки информации. Если всё получится, оснащённый целевой аппаратурой Zephyr получит «штатное» название Mercator.
Пока же… Пока аппарат перекрыл своё же достижение. Стартовав 28 июля 2008 г., Zephyr летал до 31-го и налетал 82 ч 37 мин. Этот рекорд тоже был неофициальным, так как не регистрировался ФАИ; но разработчики говорили, что это их не очень заботит — они делают технику для будущего практического использования, а не для сегодняшних формальных рекордов.
Наконец, в июле нынешнего года Zephyr показал совсем уж заоблачную цифру — 336 ч 21 мин! На этот раз официальный рекорд должен быть зафиксирован. И это будет не только «беспилотная» победа над Global Hawk, давно заслуженная. Теперь, похоже, это будет абсолютный рекорд продолжительности беспосадочного полёта неорбитального аппарата тяжелее воздуха. Потому что перекрыто достижение рутановского Voyager'а — 216 ч 3 мин. 44 с, — время его кругосветного перелёта в 1986 г. (см. «ТМ» 12 за 2007 г.).
…Надо сказать, что далеко не все группы разработчиков считают, что «псевдоспутник» обязательно должен быть большим. Так, Немецкий авиационно-космический центр работает над аппаратом такого же назначения Solitair, размах крыла которого — всего 5,2 м. Сравнимой величины машину делают студенты и преподаватели израильского технологического института «Технион». Конечная цель усилий — кругосветный перелёт, но до этого, похоже, ещё довольно далеко. Их сверхлёгкий БЛА Sun Sailor с солнечными элементами общей мощностью 90 Вт начал летать в июле 2006 г. Правда, вместо побития рекорда самолётик пролетел всего 25 км и упал из-за плохой работы системы управления. Следующий аппарат, Son of Sun Sailor, создавался уже в сотрудничестве с Israel Aircraft Industries, испытывался в том же году; но и он разбился. Работа продолжается…
В мире ведутся и другие работы по маленьким аппаратам на солнечной энергии, естественно, беспилотным. С другой стороны, строятся более крупные пилотируемые мотопланеры, такие, как Sunseeker II — мы писали о нём в 12 за 2009 г. Но самое, наверное, интересное, — это возможность длительного, в несколько суток, полёта человека на самолёте, не требующем для работы ничего, кроме энергии нашего дневного светила. И сегодня это становится реальностью.
Автор: Станислав Славин, Владимир Мейлицев
Год: 2010
Номер: 09
http://technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/tehnika_i_tehnologii/fotoelementarno_vatson
