Солнечная энергия в качестве топлива для силовой установки. Проект БПЛА Sunrise. США

Статья «Projekt SUNRISE» из журналов «Luftfahrt International» 20 и 22 была переведена уважаемым коллегой NF и немного доработана мной. Перевод был выполнен в сентябре 2016 года.

Sunrise (рассвет, утренняя заря) является кодовым обозначением, присвоенным беспилотным летательным аппаратам с электродвигателями, у которых необходимая для полёта электроэнергия вырабатывается не обычными аккумуляторами, а при помощи солнечных батарей, расположенных на внешней поверхности летательного аппарата. Данные БПЛА должны действовать на больших высотах; в идеальном случае – круглые сутки. В ходе работ по программе БПЛА Sunrise сначала был построен в масштабе 1:3 пригодный для полетов демонстратор технологий. Летательный аппарат, разрабатываемый в соответствии с программой Sunrise, должен будет иметь размах крыла 30 метров. Этот БПЛА планируется использовать в качестве самолета-разведчика для наблюдения за поверхностью океанов на больших – до 30 километров – высотах, где отсутствует облачность и где почти нет сильных ветров и турбулентности атмосферы. При благоприятных условиях полёт создаваемого по программе Sunrise БПЛА может быть практически непрерывным: днем летательный аппарат будет подниматься на высоту примерно 30 километров, а когда Солнце сядет за горизонт, он будет медленно со скоростью 0,30 м/с снижаться до тех пор, пока на горизонте вновь не покажется солнце, после чего возобновится набор высоты.

В рамках работ по программе Sunrise была создана демонстрационная модель, получившая название Astro Flight Model 7404. Данную модель по заказу Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) построили в компании Astro Flight, являющейся субподрядчиком концерна Lockheed Martin.

В информации, использованной при написании данной статьи, сказано, что БПЛА Model 7404 совершил много удачных полётов, в ходе которых достигалась высота более чем 18 километров. Однако точная дата этих полётов в предоставленной информации указана не была.

О программе Sunrise стало известно весной 1975 года из сообщений прессы. В феврале 1976 года в тематическом журнале «Aviation Week and Space Technology» сообщалось о закончившемся поломкой летательного аппарата полёте, во время которого последний попал в зону турбулентности. В остальном, однако, сведения о проекте оставались необычно скудными.

Концепция, в соответствии с которой разрабатывался БПЛА Sunrise, предусматривала создание летательного аппарата с экстремально большой дальностью и продолжительностью полёта на очень больших высотах. Это, якобы, указано в заявке на патент компании Astro Flight Inc.

Следует отметить, что в ФРГ разработки подобных летательных аппаратов с питанием от солнечных батарей велись уже длительное время. Возможно, в Германии разработка велась еще до начала работ над проектом Sunrise. Так Фред Милитки (Fred Militky), главный конструктор известной компании Johannes Graupner, Kirchheim/Teck, незадолго до своей смерти (16 августа 1976 года) совершил несколько полётов на самолете с электродвигателем, получавшим энергию от установленных на летательном аппарате солнечных батарей. Самолет, разработанный группой специалистов под руководством Граупнера (Graupner) и Хилмара Бентерта (Hilmar Bentert) и получивший название Militky-Modell, не был единственным в Германии. Например известно, что Гельмут Брусс (Helmut Bruss), Ульрих Стампа (Ulrich Stampa), Гельмут Шенк (Helmut Schenk) и другие разрабатывали летательные аппараты, использовавшие энергию солнца в качестве топлива для силовой установки. Захватывающим в этих самолетах было отсутствие необходимости пополнять запас топлива. Эти большие птицы могут летать до тех пор, пока светит солнце и солнечные батареи преобразовывают солнечную энергию в постоянный ток. Расходы на эксплуатацию подобных летательных аппаратов сравнительно низкие, однако распространению летательных аппаратов с подобной силовой установкой препятствуют дороговизна батарей и их сравнительно низкий КПД. Впрочем, благодаря новым разработкам в будущем можно будет значительно снизить стоимость солнечных батарей и одновременно с этим надеяться, что КПД солнечных батарей станет заметно выше.

Но вернёмся назад к программе Sunrise.

Цель программы полётов

Полеты демонстратора технологий Model 7404 должны были показать реализуемость концепции Sunrise и послужить предпосылкой к ответу на вопрос: возможно ли продолжать исследования в рамках данной концепции и приступить к постройке летательного аппарата с размахом крыла 30 метров.

В рамках исследований по данной программе следовало подтвердить, можно ли добиться следующего:

1. получить удельный вес солнечной батареи 0,62 кг/м²;
2. объединить солнечные батареи и аккумуляторы с удельной мощностью батарей 100 Ватт на фунт веса (453 г);
3. создать электродвигатель с удельным весом 3 фнт/л.с., для которого можно было бы использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями;
4. в отсутствии энергии в солнечных батареях и в аккумуляторах добиться величины снижения летательного аппарата не более 0,3 м/с;
5. набор БПЛА с установленными на него аппарате солнечными батареями высоты полёта примерно 30 километров;
6. возможность БПЛА выполнять полет без экипажа и по показаниям солнечного компаса.

Получить подтверждение всех этих требований можно было бы в ходе лётных испытаний. Так как же выглядит эта удивительная птица?

БПЛА Astro Flight Model 7404

Размах крыла модели – 10 метров – примерно такой же, как у современного двухместного спортивного самолёта, но при этом БПЛА значительно короче (4,4 м) и к тому же невероятно лёгок (всего 10 кг). Силовая установка Model 7404 развивает мощность всего 0,6 л.с. И при этом данный летательный аппарат может достигать высоты 18 километров!

Высокоплан (первоначально данный БПЛА был парасолем) Model 7404 имеет отличную устойчивость относительно всех осей и вследствие этого может бесконечно долго лететь без управления. Технические данные БПЛА Model 7404 указаны в прилагаемой ниже таблице.

Крыло

Примерно на 60 % размаха консоли крыла имеют прямоугольную форму, внешние секции консолей крыла трапециевидные (сужением примерно 1:0,6).

Поперечное V составляет 6°.

Изгибающие нагрузки воспринимаются коробчатым лонжероном из дерева и бальзы; пояса лонжерона изготовлены из ели, а полки из бальзы. D-образная передняя кромка крыла (до ¼ длины хорды) обшита бальзой и воспринимает скручивающие и продольные нагрузки. Два вспомогательных лонжерона располагаются примерно на 50 и 75 % длины хорды крыла и служат для крепления нервюр. Из-за необходимости снижения веса нервюры имеют круглые вырезы.

Трапециевидные внешние секции крыла съёмные и крепятся к основному лонжерону при помощи единственного болта диаметром 6 мм. Элероны отсутствуют.

Фюзеляж

Фюзеляж БПЛА имеет прямоугольное поперечное сечение и по свой структуре представляет собой ферменную конструкцию по типу фермы Уоррена. Лонжерон и диагональные элементы изготовлены из ели Дугласа (Douglas-Fichte). Наиболее прочные места конструкции, воспринимающие высокие нагрузки, соответствующим образом усилены изготовленными из дуба блоками (для крепления шасси, крыла и хвостового оперения).

Каркас фюзеляжа при помощи промышленного клея покрыт фольгой майлар (Mylar) и защищен от теплового воздействия.

Планер БПЛА был протестирован с нагрузками как минимум 5,3 g (крыло). Из-за сверхлёгкой конструкции на земле с крылом следует обращаться очень осторожно. Во время полёта при ветре со скоростью 40 км/ч запас прочности крыла достаточно высок.

Хвостовое оперение и отклоняемые поверхности

Летательный аппарат не имеет элеронов. Простая V-образная форма крыла с поперечным V в 6° к горизонтали вместе с уравновешенным рулём направления позволяют летать и выполнять повороты.

Продольное управление (относительно поперечной оси) осуществляется при помощи сравнительно малых рулей высоты, которые крепятся к стабилизатору обычных размеров.

Шасси

Шасси БПЛА состоит из одноколесной основной стойки, хвостового костыля и двух поддерживающих подкрыльевых стоек. Шасси показало себя с лучшей стороны; все посадки были выполнены безупречно.

Взлёт осуществляется при помощи резинового троса длиной 50 метров, крепление троса при отрыве летательного аппарата от земли разъединяется автоматически от расположенного у шпангоута шасси крепления. При взлёте БПЛА удерживается двумя помощниками в точках соединения основной и внешней секций консолей крыла.

Управление и контроль за полетом

Управление и контроль за полетом БПЛА Model 7404 при взлёте и посадке осуществляется при помощи рулей высоты и направления; при полёте в зоне видимости только при помощи руля направления.

Разницу между заданным и реальным курсом регистрируют датчики системы солнечной ориентации. Данный метод контроля за управлением при продолжительном выходе из строя наземной станции управления показал себя с лучшей стороны и позволил пилотам, управлявшим моделью с земли, возвращать модель назад на место взлёта.

Система управления и контроля за моделью состоит из двух основных систем. Система дистанционного управления представлена первоклассной R/C системой, работающей на радиоволнах с частотой волны 72 мк/с, дополненной 10-ваттным усилителем и вертикально расположенной антенной по форме подобной штоку.

Система управления состоит из следующих функциональных элементов:

• • руль направления;
• • рули высоты;
• • система запуска/отключения двигателя;
• • система подключения солнечных батарей последовательно/параллельно;
• • система включения/выключения бустерной батареи (Boosterbatterie);
• • сброс батареи (!).

Управление этими функциями осуществляется по пяти раздельным каналам и управление функциями «последовательно/параллельно» и «включение/выключение» осуществляется с общего выхода канала управления электродвигателем. Последовавшие затем исследования параметров полёта показали, что дистанционное управление без недостатков функционировало на удалении модели примерно в 80 километров от места управления ею.

Вторая система состояла из бортовой телеметрической аппаратуры и необходимых для её работы наземных приёмных устройств. При помощи находившихся на борту модели сенсоров замерялись семь следующих параметров:

• • скорость полёта;
• • обороты воздушного винта;
• • напряжение в электродвигателе;
• • величину тока в двигателе;
• • температура в отсеке с электроникой;
• • два нулевых указания положения солнца.

В последнем случае приборы показывали положение солнца «слева/справа» и «спереди/сзади». Указанные выше параметры без проблем позволяли управлять летательным аппаратом с земли при нахождении БПЛА вне зоны видимости.

Положение летательного аппарата относительно поперечной оси напрямую не замерялось; продольная балансировка рассчитывалась исходя из скорости полета БПЛА. Триммирование горизонтального оперения используется для достижения оптимальной скороподъёмности при заданной скорости полёта.

Летательный аппарат имеет отличные демпферы относительно поперечной оси; реакция на малейшие изменения положения относительно продольного тримминга быстрая.

Панели солнечных батарей

Панели солнечных батарей представляют собой четыре группы элементов, крепящихся на верхней части крыла. При нормальном угле падения солнечных лучей и отсутствии воздуха (нулевая воздушная масса) солнечные батареи вырабатывают мощность 570 Вт.

Из указанных выше двух последних функций следовало, что использование бустерной батареи – предположительно для снижения массы летательного аппарата во время взлёта с поверхности земли – было, по меньшей мере, сомнительным. После набора определённой высоты полёта данную батарею можно сбрасывать с парашютом.

Силовая установка

Силовая установка состоит из электродвигателя мощностью 0,6 л.с., работающего на постоянном токе. Привод деревянного двухлопастного воздушного винта диаметром 762 мм осуществляется через клиноременную (возможно) передачу с редукцией 1:6. Каких-либо данных о регулировке лопастей воздушного винта не сообщалось.

Рабочие характеристики

Данные о рабочих характеристиках БПЛА приведены в конце статьи.

Возможности применения и перспективы летательных аппаратов с применением солнечной энергии в качестве топлива для силовой установки

Вне всякого сомнения, очень скоро – и это не какие-то безудержные фантазии – можно будет использовать подобные летательные аппараты, которые не нуждаются в дозаправке топливом и практически бесконечно долго могут оставаться в воздухе. Такие летательные аппараты можно использовать в качестве высотных платформ для наблюдения в гражданских и военных целях, и с высокой долей вероятности можно утверждать, что данные летательные аппараты могут быть полезными.

Solaris и Sunrise являются чистыми экспериментальными летательными аппаратами, поскольку не могут нести серьезную полезную нагрузку. Однако оба летательных аппарата являются только первыми шагами в новой области техники, которые, как известно, всегда очень тяжелы. Когда братья Райт совершили свой первый полет, речи о полезной нагрузке не шло, а сегодня обсуждается создание самолетов, способных перевозить 300 000 кг грузов! То же самое можно сказать и о ракетоносителях.

Вне всяких сомнений, роль солнечной энергии в транспортных перевозках, осуществляемых с помощью летательных аппаратов, в будущем может значительно увеличиться. Для этого, с одной стороны, необходимо получить новые солнечные батареи со значительно большим КПД, а с другой стороны следует лучше использовать получаемую мощность. Это возможно за счет использования воздушных винтов с регулируемым шагом, а также за счет возможности изменения диаметра воздушного винта в зависимости от его оборотов. Несмотря на то, что сегодня уже практикуется снижение полётного веса летательных аппаратов, в дальнейшем возможно ещё большее их облегчение. При последовательном использовании всех этих идей уже в недалеком будущем станет возможным практическое применение летательных аппаратов, работающих на солнечной энергии. Также широкие перспективы открываются и у летательных аппаратов легче воздуха с комбинированными силовыми установками, использующими солнечную энергию.

Рис. 1. Представленные Родольфо и Ульрихом Штампа (Rodolfo und Ulrich Stampa) схемы БПЛА Astro Flight Model 7404 опираются на опубликованные не очень полные чертежи летательного аппарата, выполненные в трех проекциях. В многочисленных местах данные схемы, показывающие Model 7404 в четырех проекциях, исправлены и дополнены. Данный летательный аппарат в ходе испытательных полётов достиг высоты более 18 км. Model 7404 представляет собой выполненную в масштабе 1:3 летающую модель БПЛА с солнечными батареями с размахом крыла 30 м. Данный летательный аппарат должен действовать на высотах примерно 30 км и вести наблюдения за поверхностью океана или выполнять схожие задачи

Рис. 2. Летательный аппарат с солнечными батареями Graupner Solaris в полёте. При размахе крыла примерно 2 метра данный летательный аппарат весит всего 605 граммов. В данной экспериментальной модели имеются три отклоняющиеся поверхности (руль направления, рули высоты) и функция запуска и отключения двигателя. Снимки датированы августом 1976 года

Рис. 3. Разработанный Фредом Милитки (покойный) и Хилмаром Бентертом (Hilmar Bentert) БПЛА Graupner Solaris впервые однозначно подтвердил функциональность летательного аппарата, использующего солнечную энергию в качестве топлива для силовой установки. В отличие от созданного по программе Sunrise на данном БПЛА солнечные батареи были установлены не на поверхности крыльев, а на плоском «фюзеляже»; это решение, которое можно будет использовать при будущих испытаниях, но и здесь оно оправдало себя

Рис. 4. Для расположенных на верхней части «фюзеляжа» БПЛА Graupner Solaris 48 элементов солнечной батареи источником энергии служит солнечная энергия. Фред Милитки выбрал это простое и функциональное решение

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тип: Modell 7404

Назначение: экспериметнальный БПЛА

Компания-производитель: Astro Flight Inc., США

Дата изготовления: 1976 г.

Несущие поверхности:

размах крыла 9754 мм
размах средних секций крыла 6050 мм
размах внешних секций крыла 2×1852 мм
длина хорды средних секций крыла 920 мм
длина хорды на законцовке у последней нервюры 550 мм
аэродинамический профиль – нет данных
угол поперечного V крыла 6°
крутка крыла – нет данных
площадь крыла 8,35 м²

Фюзеляж:

максимальная длина 4375 мм

Горизонтальное оперение:

размах 2438 мм
длина хорды 400 мм
аэродинамический профиль – нет данных

Силовая установка: один электродвигатель, оснащенный редуктором с передаточным отношением 1:6, развивающий мощность 0,6 л.с. и вращающий двухлопастный деревянный воздушный винт фиксированного шага (относительно значения шага нет данных) с диаметром 762 мм

Вес:

взлётный 9920 г
планера прим. 5000 г
трубчатый каркас вертикального оперения 112 г

Летные характеристики:

скорость снижения 0,30 м/с
скороподъемность 0,50–2 м/с
скорость сваливания вблизи от поверхности земли: 4,30 м/с (15,5 км/ч)
Экономическая скорость у поверхности земли 6,10–9,50 м/с (22–34,2 км/ч)
экономическая скорость полёта на большой высоте 30,5 м/с (110 км/ч)
удельная нагрузка на несущую поверхность при максимальном взлётном весе 40 унций/фут²
достигнутая высота полёта 18 290 м.
высота полёта (расчетная для большого варианта БПЛА) 30 км

ПРИЛОЖЕНИЕ

Новая информация

После завершения публикации материала в выпуске «Luftfahrt International» 20 появился материал об американском БПЛА Astro-Flight Model 7404, источником энергии для которого служит солнечная энергия. В США был опубликован материал и приложение к нему, в которых имелась радующая нас информация с деталями этой примечательной программы.

Материал завершался техническими данными и временными рамками по развитию данной программы. Согласно этим данным американцем Робертом Баучером (Robert Boucher) были построены и испытаны два БПЛА, один из которых из-за сильной турбулентности был разрушен. Обе модели во многом различались друг от друга.

БПЛА с солнечными батареями Astro Flight Model 7404 во время лётных испытаний. На данном снимке можно хорошо рассмотреть в носовой оконечности над буквами GHT два сенсора, на правой для зрителей консоли крыла вблизи шасси видны маленький, предположительно служащий для замера скорости, воздушный винт с расположенной за винтом гондолой, и два темных объекта под фюзеляжем вблизи от шасси, возможно это антенны. Земля с большими трещинами позволяет рассмотреть, что правая антенна освещена солнцем, таким образом для БПЛА с солнечными батареями предложены идеальные условия эксплуатации

Model I

Первоначально БПЛА Model 7404 Model I летал при помощи электропривода с питанием от аккумуляторных батарей. Первый полёт состоялся 17 сентября 1974 года. Первый полёт с использованием солнечных батарей состоялся несколько позднее – 4 ноября этого же года.

В качестве силовой установки на данной модели служили два электродвигателя постоянного тока Astro 25. Привод воздушного винта диаметром 760 мм и шагом 400 мм осуществлялся через зубчатый редуктор передаточным отношением 5:1. Примерно через 10 часов работы редуктор был заменён зубчатую ременную передачу.

Двигатель, работавший от солнечных батарей имел удельную мощность 80 Вт/фунт, что соответствует 176,370 Вт/кг.

Model II

В некоторых узлах конструкция Model 7404 Model II была усилена, а сам БПЛА получил другую силовую установку и улучшенные солнечные батареи.

Новый двигатель Astro 40 имел специальные магниты, материал которых включал редкоземельный элемент самарий. Полезная мощность данного двигателя была равна 478 Вт при напряжении 70 В и силе тока 8 А (общая мощность 560 Вт; КПД двигателя 85 %).

Солнечные батареи изготавливались специально для программы Sunrise. Для установки на Model 7404 было использовано не менее 4480 элементов солнечных батарей размером 2×4 см каждый. Эти элементы вместе обеспечивали мощность примерно 560 Вт и их КПД был равен примерно 16 %.

Компанией Astro Flight было указано, что суммарная стоимость планера равна $46 000, или около 115 000 DM, а стоимость отдельного элемента солнечной батареи равна примерно 25 DM.

По данным Роберта Баучера, первый полёт Model II состоялся в сентябре 1975 года. Но при этом не было сказано, летал ли этот БПЛА при помощи электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, или электроэнергия поступала от аккумулятора. В 1974 и 1975 годах Model II совершил более 30 полётов, но и в данном случае не указывается, каким образом получал электроэнергию электродвигатель данного летательного аппарата.

В феврале этого же года в журнале «Model Airplane News» появилась заметка о том, что Model II во время своего первого полёта в сентябре 1975 года находился в воздухе примерно 3 часа 30 минут, и что в этом полёте была достигнута высота 17 200 футов или примерно 5250 метров. К этому времени согласно более ранним упоминаниям во время полётов уже была достигнута высота 18 290 метров, о чем свидетельствуют имеющиеся в распоряжении редакции материалы. Остается непонятным, имелись ли ограничения в круглосуточном использовании данного летательного аппарата (разрабатывающийся в рамках проекта Sunrise большой БПЛА, предназначенный для наблюдения за поверхностью океана, за 9 часов должен был набирать высоту 18 километров). Также остаётся подождать, будет ли исходная высота достаточной для 19,5-часового полёта на крейсерском режиме; до сих пор речь шла об использовании летательного аппарата на высоте 30 км.

Данные Баучера о датах первых полётов двух БПЛА Model 7404 показывают, что первый летательный аппарат, использующий в качестве топлива солнечную энергию, впервые поднялся в воздух в США, а не в ФРГ, как считалось ранее. Фредом Милитки, Хилмаром Бентертом и проектной группой специалистов под руководством Граупнера был разработан БПЛА Solaris, который привлек к себе внимание, поскольку с применением гораздо меньших издержек была экспериментально подтверждена революционная концепция новой силовой установки для летательных аппаратов, которая, возможно, уже в ближайшем будущем может иметь значительно большее значение.