Крылья солнца: чистый полет

Крылья солнца: чистый полет

    Мысль долгосрочного полета без применения горючего обладает не только умами конструкторов беспилотных аппаратов. В первую очередь 1980-х годов строятся пилотируемые летательные аппараты, каковые ставят все новые рекорды
    Заветная мечта пилотов — беспосадочный кругосветный перелет с применением солнечной энергии.
    Как раз такую задачу поставила себе команда под управлением Бертрана Пикара, искателя приключений и потомственного исследователя, совершившего во второй половине 90-ых годов двадцатого века беспосадочное кругосветное путешествие на гибридном гелиево-тепловом аэростате Breitling Orbiter. Первые полеты летательного аппарата Solar Impulse («Солнечный импульс») запланированы на 2008 год
    Несколько студентов из израильского университета Технион занимается разработкой нового БПЛА на солнечной энергии, что, как они ожидают, побьет официальный всемирный рекорд 17-летней давности. Не смотря на то, что «солнечная авиация» — явление далеко не новое, она еще находится в младенчестве

    Работы, проводимые в Технионе и в других исследовательских центрах, начинают завлекать внимание авиационной индустрии, которая сохраняет надежду со временем взять экологически чистые самолеты с громадной длительностью полета
    Представьте себе дистанционоуправляемый самолет, летящий над тучами и питаемый солнечной энергией. Теоретически время полета аналогичного аппарата ничем не ограничено, и попытки создать «всегда летающий самолет» ведутся начиная с 1970-х годов.
    Вот только кое-какие вехи этого пути
    Helios — самый масштабный проект NASA, посвященный созданию самолетов на солнечной энергии
    Его верхняя поверхность крыла была покрыта солнечными элементами, питающими двигатели днем, а ночью энергию выдавали водородные топливные элементы
    Земная воздух — чужеродная среда для швейцарского SkySailor, предназначенного для будущих изучений Марса
    Подобный аппарат, питаемый энергией Солнца, сможет пребывать в воздухе большое количество месяцев

Первые шаги

Первым в мире БПЛА с солнечной энергоустановкой стал Sunrise I, что поднялся в небо 4 ноября 1974 года на полигоне Байсикл-Лейк военной базы Форт-Ирвин в Калифорнии. Аппарат выстроила американская компания Astro Flight, которая взяла договор от Lockheed на создание демонстрационного примера БПЛА на солнечной тяге. На крыльях Sunrise I установили 1000 солнечных элементов неспециализированной мощностью 450 Вт.

Размах крыльев у Sunrise I был 9,75 м, вес — 12 кг, а практический потолок в безоблачный сутки — 6100 м. Через год в атмосферу встала улучшенная версия — Sunrise II, которая была снабжена 4480 солнечными элементами мощностью 600 Вт и весила всего 1,8 кг. С меньшей массой и большей тягой скороподъемность выросла до 90 м/мин, либо 6,1 км/ч, а практический потолок должен быть составить 23 000 м (но, неприятности с управлением существенно снизили эту величину).

Следующий этап солнечной авиации начался в первой половине 80-ых годов двадцатого века. Американская компания AeroVironment при помощи корпорации Dupont предприняла попытку создания пилотируемого самолета на солнечной энергии для перелета из Франции в Англию. Первый пример — Gossamer Penguin — был хрупким и владел не через чур хорошими летными качествами.

Второй вариант — Solar Challenger — весил 90 кг, а его крылья, размахом 14,3 м, были покрыты 16 128 солнечными элементами неспециализированной мощностью 2600 Вт. Потолок Solar Challenger составлял 3700 м, и в июле 1981 года он стал первым в истории самолетом, что пролетел 262 км от Парижа до английского Мэнстона, применяя только солнечную энергию.

Американские высоты

Успех Solar Challenger подстегнул интерес к применению солнечной энергии в авиации. AeroVironment начала работу над проектом «Высотного солнечного беспилотного самолета» (High Altitude Solar, HALSOL), что в первый раз поднялся в небо в июне 1983 года. HALSOL воображал собой простое, весьма легкое и прочное крыло с размахом 30 м, изготовленное из углепластика, кевлара, полистирола и обтянутое пленкой из майлара.

Разработка проекта HALSOL проходила в режиме строгой секретности, летом 1983 года самолет осуществил девять полетов на военной базе Грум-Лейк в штате Невада (где в том же году проходили опробования легендарного самолета-«невидимки» F-117). На начальной стадии HALSOL еще не оснастили солнечными элементами, для полетов применяли аккумуляторная батареи и совокупность радиоуправления. Изучив аэродинамику модели, конструкторы заключили , что солнечные элементы еще не хватает идеальны для этого проекта.

Потребовалось более 10 лет чтобы проект вернули к судьбе. Сейчас им занялись люди из NASA. 11 сентября 1995 года солнечный самолет Pathfinder достиг высоты 15 400 м, установив так новый рекорд для самолетов на солнечной энергии.

Три года спустя показалась модификация Pathfinder Plus — с удлиненным крылом.

А 6 августа 1998 года данный самолет достиг высоты 24 445 м, рекордной для самолетов с винтовыми двигателями. Целью полета было оценить солнечные элементы и двигатель, и аэродинамические и другие параметры для разработки самолета Centurion с потолком 30 000 м, что планировался на смену семейству Pathfinder. Одним из основных отличий версии Plus от простой были новые, более замечательные и действенные (с КПД 19% против 14% у Pathfinder) солнечные батареи, созданные калифорнийской компанией SunPower.

В следствии произошло расширить большую мощность с 7500 Вт у Pathfinder до 12 500 Вт у Pathfinder Plus.

БПЛА нового поколения — Centurion — легкий дистанционоуправляемый летательный аппарат типа «летающее крыло» с солнечными элементами. Он стал хорошим примером того, как возможно применять солнечную энергию для долгих полетов на громадных высотах. Размах крыльев Centurion (63 м) вдвое превышал размах Pathfinder (30 м).

Во второй половине 90-ых годов двадцатого века NASA совершило опробования Centurion, а спустя год его модифицировали и переименовали в Helios, по имени греческого всевышнего cолнца.

Helios — самый амбициозный проект NASA в области разработки солнечных БПЛА. С размахом крыла 75 м (больше, чем у Boeing 747!), 62 120 теоретическим потолком и солнечными элементами в 30 000 м, он стал вершиной 25 лет работы. Выстроенный компанией AeroVironment, он употреблялся в программе «Самолет для изучений внешней среды» ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology). В действительности Helios — не совсем солнечный самолет, а гибрид: днем употребляется солнечная энергия, а ночью — топливные элементы.

Аппарат разрабатывался как прототип для высотных БПЛА, каковые смогут летать весьма продолжительное время и делать задачи по мониторингу внешней среды, и выступать в роли радиоретрансляторов в течение недель либо кроме того месяцев без применения горючего и без загрязнения воздушной среды. Создатели поставили перед собой две важные задачи: показать устойчивый полет на высоте около 30 000 м и достигнуть длительности полета более 24 часов (из них как минимум 14 часов на высоте более 15 000 м). Первая задача была фактически выполнена: 13 августа 2001 года Helios поставил неофициальный рекорд высоты для самолетов без реактивных двигателей — 29 523 м. К сожалению, вторую задачу выполнить не удалось — 26 июня 2003 года на протяжении испытательного полета недалеко от Гавайев Helios из-за неприятностей с совокупностью управления вышел из-под контроля и упал в океан.

Европейские высоты

Европа заинтересовалась солнечной авиацией позднее, но сейчас скоро догоняет Америку, разрабатывая высотные солнечные БПЛА громадного радиуса действия (High Altitude Long Endurance, HALE). Пара перспективных проектов с солнечной двигательной установкой находятся в ходе работы, еще пара — на стадии планирования.

С 2000 года группа из Туринского политехнического университета из Италии совместно с группой из английского Йоркского университета создала концепцию Heliplat. Это независимый самолет на солнечной тяге очень громадного радиуса действия (Very Long Endurance Solar Powered Autonomous Aircraft, VESPAA).

Heliplat с размахом крыльев 70 м, летающий над громадным городом и делающий функцию ретранслятора каналов связи, сможет покрывать территорию размером в 1000 км в поперечнике и, предположительно, снабжать поддержание практически полумиллиона каналов связи (этого должно хватить более чем для 8 млн абонентов, не учитывая передачи данных).

Подобные аппараты удачно смогут делать роль «псевдоспутников», они расположены ближе к поверхности почвы, более подвижны и стоят значительно меньше, чем настоящие спутники. Причем совсем не обязательно они будут такими же громадными, как Heliplat. Германский авиакосмический центр (DLR) для тех же целей на данный момент разрабатывает намного меньший самолет SOLITAIR с размахом крыльев всего 5,2 м. Его четыре солнечные панели смогут разворачиваться в сторону солнца посредством маленьких электроприводов.

Среди вторых разрабатываемых в Европе увлекательных проектов — легкий солнечный БПЛА Zephyr английской компании QinetiQ и сверхлегкий (2,5 кг) SkySailor, разрабатываемый университетом ETH в Цюрихе для вероятных полетов в воздухе Марса.

Идем на рекорд

В первой половине 90-ых годов XX века Вольфганг Шапер из Германии установил всемирный рекорд в полетах по кругу для малых радиоуправляемых БПЛА на солнечной энергии (категория F5). Рекорд Шапера (190 км) держится уже более 17 лет, но на данный момент несколько студентов университета Технион разрабатывает аппарат, что, как они вычисляют, станет новым рекордсменом.

В июле 2006 года несколько совершила опробования сверхлегкого БПЛА SunSailor, оснащенного 84 солнечными элементами с КПД 20% и неспециализированной мощностью 90 Вт, теоретически талантливого пребывать в воздухе 11 часов. На протяжении первой попытки побить рекорд (это был седьмой по счету полет) аппарат пролетел всего 25 км и разбился из-за неприятностей в совокупности управления. Мелкий экспериментальный беспилотник, сделанный Технионом, привлек внимание авиационной индустрии.

Израильская корпорация IAI (Israel Aircraft Industries), один из наибольших производителей БПЛА в мире, решила поддержать данный проект. Коллектив срочно начал работу над вторым примером, что назвали Son of SunSailor («Сын SunSailor»). Он поднялся в небо через два месяца. По окончании 40-минутного испытательного полета стало ясно, что данный аппарат (улучшенная версия мощностью 140 Вт) в полной мере способен побить рекорд.

Но попытка 4 сентября 2006 года закончилась неудачей — аппарат также разбился. «Уже через пара дней было начато строительство третьего аппарата SunSailor, — говорит Идан Регев, один из девяти студентов, каковые начинали трудиться над этим проектом, а сейчас сотрудник IAI. — По окончании внесения всех исправлений отечественная несколько уверена, что сможет побить всемирный рекорд. Тем более у нас припасено еще пара сюрпризов».

Но, перед конструкторами все еще стоит множество неприятностей. «КПД солнечных элементов до тех пор пока еще не через чур высок, всего около 20%. Для БПЛА этого, возможно, и достаточно, но чтобы солнечные элементы возможно было применять в гражданской авиации в широких масштабах, предстоит пройти еще продолжительный путь.

При ярком солнце солнечные элементы с КПД 40%, всецело покрывающие крыло самолета, еле обеспечат потребности крейсерского режима мелкого пилотируемого самолета, — растолковывает Омри Ранд, космонавтики факультета института и декан авиации Технион. — Но кроме того для БПЛА одной лишь солнечной энергии не хватает. Ночью а также днем аппарат должен иметь запасы энергии на борту. В случае если самолет летит выше туч на маленькой высоте около экватора, он не имеет возможности постоянно находиться в зоне, освещенной Солнцем, по причине того, что Почва вращается стремительнее, чем может лететь самолет с электродвигателем, исходя из этого аппарат, рассчитанный на круглосуточный полет, должен быть гибридным».

Солнечное будущее

По словам Омри Ранда, одна из целей проекта заключалась в том, дабы инициировать лавину применения солнечных разработок во всех высокотехнологичных отраслях израильской индустрии: «То, что сейчас есть достоянием только авиационно-космической отрасли, на следующий день придет в любой дом. Вспомните, что легкие конструкции из магниевых сплавов, установки для очистки воды и многие модели спортивной обуви пришли к нам из космической программы Apollo».

«Через пять лет мы заметим, как маленькие солнечные БПЛА гражданского назначения и военного выполняют мониторинг громадных сельскохозяйственных (угодий и территорий лесов), и делают патрулирование, — додаёт Идан Регев. — Через десятилетие мы станем свидетелями первых успешных гражданских высотных БПЛА громадной дальности, каковые будут делать функции спутников для обеспечения и наблюдений связи. В конечном итоге, в случае если устройства и солнечные элементы для хранения энергии будут развиваться такими же темпами, как на данный момент, то я уверен, что через 5 десятилетий гибридные солнечные БПЛА заменят большая часть спутников».

Материал предоставлен интернет-изданием The Future of Things.

Всевышний западного ветра

10 сентября 2007 года аппарат Zephyr («Зефир») английской компании QinetiQ, относящийся к классу HALE (High Altitude Long Endurance), побил рекорд длительности полета для БПЛА. На протяжении испытательного полета на полигоне White Sands в штате Нью-Мексико он продержался в воздухе 54 ч, большая высота полета составила 17 800 м (в следующем полете — 33 ч 43 мин и 15 930 м). Прошлый рекорд был установлен 22 марта 2001 года, в то время, когда RQ-4A Global Hawk компании Northrop Grumman установил официальный рекорд 30 ч 24 мин.

Новый рекорд не есть официальным, поскольку представители Интернациональной федерации аэронавтики (FAI) на опробованиях не находились. Zephyr — сверхлегкий аппарат из углепластика с размахом крыльев 18 м и массой 18 кг. Поверхность крыла покрыта тонкопленочными солнечными элементами из аморфного кремния, каковые питают двигатели и подзаряжают литий-серные батареи компании Sion Power, служащие источником питания ночью.

Плотность энергии в таких батареях образовывает 350 Вт*ч/кг, что вдвое превышает подобные показатели самых лучших литий-ионных батарей.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№62, декабрь 2007).

<

h4>

Операция Пластилин — Чистый полет (Live)

Статьи, которые будут Вам интересны: