САМОЛЕТ, В КОТОРОМ НЕТ ТОПЛИВА

Мы уже писали о применении на велосипеде солнечных батарей (см. "Двигатель" № 1, 2005), писали и о велосипедисте, поднявшемся в небо благодаря силе своих мускулов. Настал черед статьи о самолете, поднявшем в небо человека, благодаря силе солнечных лучей.

Мысль об использовании электродвигателя в качестве силовой машины для привода винта самолета существовала давно. Но реализовать ее длительное время не удавалось. Основных причин всего две: низкая удельная мощность как электродвигателей, та и бортовых источников тока - аккумуляторов и солнечных батарей. Но идею, как известно, убить нельзя: не рано и не поздно, а точно в свое время она все равно материализуется. И для ее воплощения в жизнь требуется выполнение третьего условия: наличие энтузиастов. Один из них - наш знакомый по прошлому номеру Пол Маккриди.

После своего успеха в создании мускулолета Маккриди решил создать пилотируемый самолет с электродвигателем, получающим питание от солнечных батарей. Взяв Gossamer Albatros, он установил над крылом панель солнечных батарей, вместо велосипедного привода смонтировал электродвигатель и в 1980 г. предпринял попытку поднять самолет, названный Gossamer Penguin - "Пингвин", в небо. Но, видимо из-за названия (как известно, пингвины не летают) самолет не захотел подняться в воздух. Мощности энергосистемы самолета оказалось недостаточно для осуществления настоящего полета, а не подскоков: самолету удавалось только ненадолго отрываться от земли. После некоторых доработок, впрочем, ему удалось пролететь 3 км. Но для того, чтобы сказать: "Самолет с солнечными батареями создан", надо летать гораздо дальше.

И тогда Маккриди решает вновь изменить аэродинамическую компоновку самолета. Кабину и крыло он позаимствовал от Gossamer Albatros, винт с электродвигателем установил впереди, а киль и стабилизатор сзади. Блоки фотоэлементов разместились внутри крыла и стабилизатора под прозрачной обшивкой. Маккриди увеличил и число фотоэлементов. Их стало 16 тысяч, а максимальная мощность, отдаваемая ими, достигла 2,67 кВт. Для размещения дополнительных элементов пришлось увеличить размах крыльев до 14,3 м. Несмотря на это, их масса составила всего 21 кг, а общая масса самолета без пилота - 56 кг при длине 8,3 м.

Специально был разработан сверхлегкий двигатель, развивающий мощность в 2,5 л.с. Расчеты показывали, что с нововведениями самолет мог подняться до высоты 2 км и лететь со скоростью 56 км/ч. На всякий случай, чтобы не повторилась история "Пингвина", П. Маккриди заменил название самолета на Solar Challenger.

После нескольких удачных и не совсем удачных полетов в 1981 г. самолет Маккриди перелетел Па-де-Кале за 5 ч 23 мин. До сегодняшнего дня это единственный в мире пилотируемый самолет, который летал благодаря "даровой" энергии Солнца. Именно пилотируемый, ибо за семь лет до этого полета был создан первый в мире беспилотный радиоуправляемый самолет Sanrisel, поднявшийся в небо в ноябре 1974 г. И хотя взлет был осуществлен с помощью резинового корда, Sanrisel, на котором была установлена тысяча солнечных элементов, самостоятельно достиг высоты 1200 м.

Несомненно, "беспилотники", по мнению специалистов, имеют отличные перспективы. Такие самолеты могут нести радиоретрансляционную, телекоммуникационную, разведывательную аппаратуру, системы для осуществления мониторинга атмосферы и т.д. Именно для выполнения этих задач компания SkyTower по заданию NASA разработала самолет Pathfinder. Этот самолет, представляющий собой летающее крыло, сплошь покрытое солнечными элементами, впервые поднялся в воздух 11 сентября 1995 г. Ему и его модификациям удалось достичь огромной высоты - сначала 15392 м, затем 21336 м и даже 24384 м.
Pathfinder мог летать только днем, вечером он вынужден был приземляться. Для обеспечения круглосуточного полета необходимо часть энергии от солнечных батарей использовать для работы электродвигателей, а часть запасать. Для этих целей компания SkyTower предполагает установить на летающее крыло топливные элементы. И тогда новая модификация - Pathfinder-Plus - сможет непрерывно находиться в воздухе в течение шести месяцев.

Кстати, компания SkyTower является подразделением компании AeroVironment, которая тоже занимается самолетами на солнечных батареях. AeroVironment построила самолет Helios, очень похожий на Pathfinder-Plus. Helios имел размах крыльев около 74 м, а его масса составляла 700 кг. Каждый из его 14 электродвигателей имел мощность 2 л.с., а энергия, необходимая для них, поступала от 62 (по некоторым сведениям 65) тысяч солнечных элементов, расположенных на верхней поверхности крыла. Helios был рассчитан на выполнение горизонтального полета на высоте порядка 30 км в течение суток. Но в августе 2001 г. ему удалось продержаться только 40 минут на высоте 28,8 км. В том же месяце он поднялся на высоту 29500 м. Для обеспечения ночного полета планировалось оснастить Helios водородными топливными элементами, но в июне 2003 г. во время очередных испытаний Helios развалился в воздухе.

Пока в NASA собирались создать еще один аналог самолета Helios, известный ученый и путешественник Бернтран Пикар спроектировал пилотируемый самолет, способный находится в воздухе так долго, как только сможет находиться в нем человек. Макет этого самолета, получившем название Solar Impulse, был представлен на прошедшем в 2005 г. авиакосмическом салоне в Ле Бурже. Планируется в 2008 г. совершить первые испытательные полеты в дневное и ночное время, а уже в 2009 г. перейти к полетам продолжительностью в несколько дней. Кругосветный перелет, как конечная цель программы, должен состояться в 2010 г. Перелет будет состоять из пяти этапов, каждый из которых продлится от трех до пяти дней. Пилотировать самолет кроме самого Бертрана Пиккара попеременно будут еще два летчика.

Solar Impulse представляет собой двухмоторный одноместный самолет с размахом крыла 80 м и массой две тонны. Крылья покрыты солнечными панелями из монокристаллов кремния общей площадью 250 м2. Для использования солнечной энергии, отраженной от поверхности Земли, и лучей солнца, падающих под небольшим углом при восходе и закате, нижняя поверхность самолета будет покрыта особыми фотоэлементами, содержащими двуокись титана и органического красителя и располагающимися внутри тонкой и гибкой полимерной пленки. По сравнению с кремниевыми элементами они лучше работают при непрямом освещении.

В дневное время солнечные элементы самолета будут выдавать пиковую мощность 30 кВт, или 40 л.с., часть которой будет идти на зарядку новейших литий-ионных аккумуляторов общей массой около 380 кг. Остальная энергия пойдет на два высокоэффективных электродвигателя постоянного тока.

В течение дня Solar Impulse будет подниматься на расчетную высоту 12000 метров. При полете на меньших высотах для снижения энергии, необходимой на преодоление сопротивления воздуха, скорость самолета будет порядка 45 км/ч. Пропеллеры диаметром 3,66 м будут вращаться со скоростью всего 500 об/мин. После захода солнца энергия от аккумуляторов будет направляться на двигатели только для обеспечения такой скорости вращения пропеллеров, что бы они не создавали сопротивления полету. Самолет превратится в планер, имеющий очень высокое аэродинамическое качество, равное 40 (это означает, что за время снижения на один метр, летательный аппарат пролетит 40 м).

Помня о том, что Helios не выдержал аэродинамических нагрузок, конструкторы Solar Impulse планируют сделать конструкцию значительно более прочной благодаря использованию углепластика. Для снижения общей массы солнечные элементы будут встроены непосредственно в несущую раму из композиционных материалов. В результате должна быть получена нагрузка на крыло (отношение массы летательного аппарата к площади крыла) порядка 1,5 кг/м2.

Пока Пиккар создает пилотируемый Solar Impulse, во многих странах мира продолжается разработка беспилотных самолетов на солнечных батареях. Так, израильская компания Israel Aircraft Industries разрабатывает проект самолета-гиганта, который будет использовать солнечные батареи в качестве источника питания. На его борту планируется установить оборудование для связи и фотосъемки, которое позволит выполнять как гражданские, так и военные задачи.

Этот самолет станет самым большим в мире. Его длина составит 200 м, размах крыла - 60 м, масса 10 т. Самолет должен будет совершать беспосадочные полеты продолжительностью до трех лет на высоте 21 километр. Он будет сделан из легких полимерных материалов. Его поделят на секции, в одной из которых разместят баллоны со сжатым гелием. После взлета гелий заполнит секцию, что позволит уменьшить вес самолета. Получится некий гибрид самолета и дирижабля. В этом случае он сможет брать на борт до 1,9 т оборудования.

Во Франции уже в 2002 г. был продемонстрирован разведывательный летательный аппарат на солнечных батареях. Это небольшой, около 90 см длиной летательный аппарат оборудован и обычной, и инфракрасной камерами. Аппарат собирается за 3...4 минуты и может совершать полет в радиусе 800 м от оператора. Прототип такого самолета имел размах крыльев 2 м и весил 2 кг. Запущенный с рук, он мог подниматься на высоту до 12000 м.

Разрабатываются летательные аппараты на солнечных элементах не только большие и маленькие, но и микроскопических размеров. Так, группа инженеров из Калифорнийского университета работает над созданием летающего микроробота, который будет весить около четверти грамма. Его крылья размером 2,5 сантиметра должны приводятся в движение пьезокристаллами, на которые подается ток высокой частоты. Энергия должна поступать от трех солнечных батарей, одновременно выполняющих функции посадочных опор.