Источник: https://www.kp.ru/daily/26676/3699473/
Аппаратами на солнечных батареях сегодня никого не удивишь. Тем не менее первый тестовый полет стратосферного самолета SolarStratos на солнечной энергии, который состоялся 5 мая, можно назвать знаменательным событием.
Вы спросите, чем этот швейцарский SolarStratos отличается от своего собрата солнечного планера , известного тем, что он за год обогнул земной шар, сделав 16 посадок? Или от аппарата на солнечной тяге Федора Конюхова , который намерен облететь на нем Землю без посадки за 120 часов?
Отличие в том, что SolarStratos рассчитан на бОльшую высоту. Если Федор Конюхов планирует забраться на 16 километров вверх, то стратосферный самолет швейцарцев предназначен для полетов на высоте 25 километров и выше. Невесомости там еще нет, однако специалисты называют эти слои стратосферы уже ближним космосом. Освоение этой области считается очень перспективным направлением. Дело в том, что здесь можно запускать атмосферные спутники связи, которые в несколько раз дешевле космических. Или спутники наблюдения, они не только будут экономить деньги, но и давать более точную информацию. Ведь с высоты в 20-30 километров можно точнее определить, например, границы лесного пожара, чем с околоземной орбиты (свыше 160 км).
Кстати, не так давно Россия приступила к тестированию атмосферного спутника на солнечных батареях «Сова». Но это небольшой беспилотник весом 12 килограмм и размахом крыла 9 метров.
А SolarStratos — это первый в мире полноценный двухместный стратосферный самолет. Он весит 450 килограммов, длина фюзеляжа 8,5 метров, размах крыльев равен 25 метрам. Причем 22 квадратных метра поверхности занимают солнечные панели.
Весной Федеральное управление гражданской авиации Швейцарии выдало руководителю проекта SolarStratos Рафаэлю Домьяну разрешение на проведение летных испытаний. И в начале мая чудо-самолет совершил первый полет. Летчик-испытатель Дамиан Хишье за время короткого 7-минутного полета поднял аппарат на скромную высоту — 300 метров. Подниматься в стратосферу самолет начнет, когда конструкторы убедятся, что аппарат работает идеально.
Проблема в том, что летчик не имеет права на ошибку: чтобы максимально облегчить самолет, инженеры не стали оборудовать кабину системами поддержания нормального давления и температуры. Чтобы выжить при температуре минус 56 градусов и атмосферном давлении в десятки и сотни раз ниже, чем на поверхности Земли, оба летчика надевают скафандры. Что интересно: швейцарцы среди разных вариантов выбрали российский скафандр «Сокол», он не предназначен для выходов в космос, но позволяет выдерживать условия межзвездного пространства. Единственный минус — это невозможность использования парашюта в случае нештатной ситуации. Поэтому к безопасности стратосферного самолета предъявляются повышенные требования.
Мы очень довольны, что можем продемонстрировать работающую технологию, которая позволяет достичь большего, чем аппараты на ископаемых видах топлива, — заявил Рафаэль Домьян. — Электрические и солнечные автомобили вытеснят двигатели внутреннего сгорания с рынка в XXI веке. А наши самолеты могут летать на высоте 25000 метров и это открывает двери для возможностей коммерческой электрической и солнечной авиации в пределах ближнего космоса.
Домьян рассчитывает, что полеты в стратосферу можно будет продавать туристам.
ТТХ SolarStratos
- Длина – 8,5 метра
- Размах крыльев – 24,9 метра
- Вес – 450 килограммов
- Запас автономности – более 24 часов
- Привод – 4-лопастной пропеллер, диаметр – 2,2 метра
- Мотор – электрический мощностью 32кВт,
- КПД мотора – 90%
- Количество пилотов – 2
- Питание – солнечная энергия
- Площадь солнечной батареи – 22 квадратных метра
В наше время учёные не забывают хотя бы раз в месяц упомянуть, что нефть заканчивается, газ на исходе, энергия атома опасна, и вообще, через двести лет человечество перейдёт на так как мировая экономика и производство встанут без топлива. В противовес этому в средствах массовой информации много статей о развитии технологий воздуха, воды, отходов животных и человека и другие разные варианты. Некоторые из них похожи на фантастику, иные имеют реальные технические наработки и уже вовсю используются, как, например, энергия солнца.
Солнечная энергия
Мы привыкли, что любимое светило дарит нам тепло и свет, помогает выращивать урожай, греет воду в озёрах, реках и морях. Но, помимо этого, энергия солнечных лучей может использоваться иначе. Уже несколько десятков лет назад на рынке появились калькуляторы с солнечной батарейкой. Сейчас этим никого не удивишь. Есть готовые проекты: по ним уже построены первые дома, которые обогреваются за счёт солнечной энергии и эксплуатируются в России в условиях зимы. Проект предусматривает резервное отопление, так как в наших краях солнце может закрыть тучами надолго.
Каждый обыватель может купить солнечные батареи, вот только цена очень кусается. Кроме того, дешевле получать энергию и тепло привычным способом. Однако в условиях отсутствия обычных источников энергии, например в далёких экспедициях или в космосе, солнечные батареи являются основными. В Европе жильцы частного сектора располагают их на крышах собственных домов и продают излишки электроэнергии своему же государству. А ведь Германия не самая солнечная страна. Плюс солнечной энергии ещё в том, что она возобновляемая. Хоть учёные и говорят, что Солнце не всегда будет светить, но, по сравнению с человеческой жизнью, наше светило вечно.
Самолёт на солнечных батареях
В наше время построили такое воздушное судно. Пусть оно не очень быстрое и манёвренное, зато его топливо ничего не стоит, вредных выбросов нет. расположены по всей поверхностям крыльев и самого корпуса. На испытательном перелёте самолёт преодолел 1541 км из Феникса в Даллас. Максимальная высота составляла 8200 метров, а средняя скорость - 84 км/ч.
Самолёт на пилотировал один из его создателей — Андрэ Боршерг. Этот перелёт - один из его очередных рекордов, ранее он совершил путешествие в 26 часов на этом же самолёте под названием Solar Impulse. Сейчас испытатель активно строит планы пересечь всю Америку, а потом совершить кругосветный перелёт.
Вся команда, которая создавала судно и готовила его к эксплуатации, старается сделать всё возможное, чтоб её работа максимально освещалась в средствах массовой информации. Ведь основная задача таких мероприятий - показать всему миру, что энергия солнечных лучей имеет большие перспективы и может максимально использоваться человеком.
История создания
Solar Impulse представляет собой планер с размахом крыльев в 63,4 метра, его масса - 1,5 тонны, имеет четыре электрических двигателя с общей мощностью в 7 киловатт. Предусмотрено, что освещение солнечных батарей может быть неравномерным. Больше четырёхсот кг приходится на литиевые аккумуляторы, которые заряжаются на стоянке. Любой прежний самолёт на солнечных батареях летал только за счёт подзарядки от солнца, аккумуляторы если и были, то небольшие.
Сейчас создан Solar Impulse 2, он гораздо крупнее своего предшественника, имеет больше солнечных ячеек — целых 17 тысяч. Размах крыльев - больше 70 метров. Его сделали из углеводородного волокна, чтобы уменьшить массу. Тем не менее он весит 2,3 тонны. Благодаря мощным аккумуляторам он может лететь в течение нескольких дней и ночей со скоростью от 50 до 100 км/ч.
Перспективы солнечного топлива
Существует огромное количество примеров использования солнечной энергии. Самый простой был показан ещё в советском фильме «3+2», где доктор физических наук выложил в зонтике зеркала и отражённым светом подогревал еду в котелке. Сейчас в науке развивается технология использования теплоизоляции, которая имеет поверхность, воспринимающую солнечную энергию.
По той же технологии уже выпускаются и работают установки для просушки сельскохозяйственных культур и обогрева домов. Чтобы не делать их слишком большими по площади, в поверхности нагревателей делают канавки, которые увеличивают площадь материала, воспринимающего солнечную энергию.
В регионах нашей планеты, где суровые зимы, большая часть энергии уходит именно на отопление. Для экономии энергии развивают пассивные солнечные системы, которые имеют большую площадь, обращённую к солнцу, собирают энергию и прогревают дом. Идея хороша, но сложна в исполнении. Дом должен иметь отличную изоляцию, необходимо регулировать вентиляцию, при использовании только солнечной энергии оптимальная температура в доме достигается только к середине дня, а летом в нём слишком жарко.
Самолёт на солнечной энергии является прекрасным примером нераскрытых возможностей. На нём установлен некий прототип пассивной системы. Но существуют и активные. В них нагревается вода или воздух. Уже потом они, как теплоносители, поступают в дом. Их проще контролировать, можно устанавливать на уже построенные дома, но их эффективность недостаточна для суровых зим России. Однако в гибридных системах при совмещении с привычными источниками энергии активные солнечные системы позволяют экономить до 60 процентов энергоносителей.
Солнцемобиль
Самолёт на солнечных батареях - это не единственный современный транспорт на таком типе энергии. Существует солнцемобиль, и даже не один. Каждый год в Швейцарии проводится соревнование между такими машинами, называется оно «Тур де сол». Гонка длится шесть суток. Каждый день участникам надо преодолеть от 80 до 150 км по дорогам Швейцарии и Австрии.
Несколько лет назад такой солнцемобиль совершил проезд через Россию. Оказалось, что его колёса не могут проехать по нашим просёлочным дорогам, и движение шло по магистралям. Россия велика, и не везде достаточно солнца. Но, несмотря на все трудности, солнцемобиль завершил свой маршрут. Максимальная скорость такого транспорта составляет 170 км/ч. Использование солнечной энергии в виде солнцемобиля получило ещё одно положительное подтверждение. В Европе некоторые модели уже вошли в серию.
Солнечные батареи. Цена. Производство
Солнечные батареи, по сути, являются фотоэлементами, которые преобразуют солнечную энергию. В фильме «Марсианин» они наглядно показаны, когда главный герой после катастрофы очищает их от пыли. В России они не пользуются популярностью и не производятся. Обычный минимальный частный заказ формируют на сумму от 9 тыс. рублей. Сами солнечные батареи, цена которых колеблется в зависимости от размеров товара, стоят от полутора тысяч рублей до 15 тыс.
Использование в России
В нашей стране солнце светит регулярно, но не очень сильно. Примеры использования солнечной энергии, изложенные выше, могут быть применены и на просторах нашей страны. К сожалению, эксплуатация батарей окупится только в долгосрочной перспективе. Но если учитывать не только количество денег, но и экономию природных ресурсов, то можно уверенно сказать, что эту технологию необходимо максимально развивать и активно использовать.
Электросамолеты, летающие за счет энергии солнечного света, — товар штучный. Каждый уникален и создается на частные инвестиции, скорее с имиджевыми и исследовательскими целями, чем с намерением запускать такой агрегат в серийное производство. Пожалуй, самые известные проекты в области солнечного воздухоплавания создают сейчас в Швейцарии — это самолеты SolarImpuls и SolarStratos . На первом из них три года назад облетел вокруг света Бертран Пикар, внук изобретателя стратостата Огюста Пикара. О SolarStratos «Чердак» уже — на нем швейцарские пилоты планируют подняться в стратосферу. Летом 2018 года американская компания Bye Aerospace испытала летательный аппарат StratoAirNet семейства Solesa — подобные самолеты, по мнению компании, можно будет использовать для военного патрулирования, картографирования и поисково-спасательных работ. Российский промышленный холдинг «РОТЕК» решил не отставать от мировых трендов и тоже занялся разработкой «солнечного» самолета. Проект получил название «Альбатрос».
Что полетит?
Проект «Альбатрос» состоит из двух этапов. Первый — создание и испытание летающей лаборатории фотовольтаики, которая соберет информацию о работе солнечных батарей, накопителей энергии и других систем во время полета. На втором этапе будет построен собственно, самолет, на котором пилот облетит вокруг Земли за пять дней, ни разу не приземляясь.
Летающая лаборатория — это немецкий моторный двухместный планер Stemme S12, оснащенный солнечными фотоэлементами, гибридной системой накопления энергии (суперконденсатор и литий-ионный аккумулятор) и научным оборудованием.
— В силу того, что это лаборатория, нам нужно было очень высокое аэродинамическое качество, чтобы летать долго, и достаточно места для размещения оборудования плюс возможность высоких полетов. Поэтому был выбран самолет, соединяющий в себе эти качества, — рассказывает председатель совета директоров АО «РОТЕК», руководитель проекта «Альбатрос», летчик Михаил Лифшиц. — Аэродинамическое качество этого планера 1-53 на сегодня лучшее в мире. Оборудование — нагрузочные устройства, измерительные системы, позиционирование — находится в заднем отсеке. Все, что касается науки и измерений, сделано в России. А платформа испытания немецкая.
Евгения Щербина / Chrdk.
Аэродинамическое качество можно примерно представить как расстояние, которое самолет способен преодолеть в штиль за счет одного только планирования. Его значение 1-53 означает, что самолет может с высоты одного километра планировать 53 километра, постепенно снижаясь. Например, альбатрос, умеющий ловить теплые восходящие воздушные потоки и за счет них долго парить над поверхностью океана, имеет аэродинамическое качество 1-20 — больше, чем у большинства самолетов. Дольше альбатроса могут планировать только некоторые бомбардировщики и специально спроектированные планеры, такие как «Вояджер», совершивший первый беспосадочный и без дозаправки перелет вокруг Земли.
По словам Лифшица, несмотря на то что конструкторы «Альбатроса» учитывают мировой опыт перелетов на электросамолетах, у них все же не оказалось достоверных данных о том, как ведут себя солнечные модули и накопители энергии при разных типах освещенности, на разных высотах и в разных климатических условиях, поэтому и возникла необходимость в летающей лаборатории.
— Есть научно-практические центры в Петербурге, Владивостоке, Москве, но там элементы фотовольтаики находятся на земле. Но вот сколько мы соберем на разных углах атаки, на разных положениях солнца, на разных широтах, высотах, при разных подстилающих поверхностях, в разное время суток? По сути, нет системного ответа. А чтобы спроектировать летательный аппарат правильно, нужно иметь расчетные базы. Поэтому мы спроектировали летающую лабораторию. Это первый этап проекта, и он уже уникален, потому что в мире настолько качественных исследований еще не было, — говорит Лифшиц.
Солнечные модули для самолета сделает российская группа компаний Hevel . Их КПД — 22,5% — не такой высокий, как у SolarStratos (24,6%), но выше КПД обычных монокристаллических кремниевых батарей (до 20%). Однако, по словам Лифшица, для полета гораздо важнее дневная выработка и способность ячеек работать в рассеянном свете, потому что обеспечить прямое солнечное освещение довольно проблематично. На «Альбатросе» будут использоваться не обычные монокремниевые фотоэлементы, которые используют на солнечных электростанциях, а гетеропереходные , более эффективные и способные работать в рассеянном свете. Подобные полупроводниковые фотоэлементы используют в конструкции космических аппаратов .
Солнечные модули закреплены как на верхней, так на нижней поверхности крыла планера-лаборатории, чтобы собирать отраженный от поверхности земли солнечный свет. От накопленных данных зависит облик будущего самолета, но уже сейчас ясно, что крылья ему нужны большой площади. Примерный размах крыльев самолета, который пока существует только на бумаге, — 30 метров.
Как полетит?
Сейчас лаборатория фотовольтаики проходит серию испытаний: уже прошли полеты в районе аэродрома «Северка» в Московской области, но планируются и перелеты по всей России. А с января 2019 года начнется проектирование самого летательного аппарата, «Альбатроса». К разработке двигателя авторы намерены привлечь конструкторов из Австралии и Британии. В полет «Альбатрос» отправится в 2020 году, пилотировать его будет известный российский путешественник Федор Конюхов. Сейчас он тренируется и учится на пилота планера и малой авиации в Белоруссии.
— Видите, мне 67 лет, а я все еще учусь, — смеется Конюхов. — К 2020 году, когда предстоит лететь на «Альбатросе», у меня уже будет много часов налета на обычных самолетах. Я знаю небо, я летал на воздушном шаре вокруг света.
Федор Конюхов перед стартом кругосветного полета на воздушном шаре «Мортон» Павел Ваничкин / ТАСССвою кругосветку российский «солнечный» самолет будет делать на высоте полета обычных пассажирских самолетов — около 11 километров. Скорость самолета будет достигать примерно 200-220 километров в час.
— На высоте, соответственно, 300 километров в час ветер и наша скорость 200 километров в час — вот и будем двигаться со скоростью примерно 500 километров в час, — рассуждает путешественник.
Данные о поведении ветра на разных высотах Конюхов собирал во время путешествия вокруг Земли на воздушном шаре — они тоже будут использованы при расчете полета «Альбатроса».
Предполагается, что днем самолет будет набирать максимальную высоту, а ночью несколько сотен километров планировать, к утру достигая отметки в 8-10 километров над уровнем моря. Большая высота для полета нужна не только из-за сильного ветра, но и потому, что на такой высоте нет гроз. Попадать в грозовые тучи очень опасно.
— Когда я летал на воздушном шаре, у меня была установка: «Ночью ты должен видеть звезды, днем — солнце. Если не видишь, значит ты падаешь», — говорит Конюхов.
Он также тренируется, чтобы выдержать пять дней почти неподвижного пребывания в маленькой кабине самолета. Отвлечься от управления и отдохнуть позволит автопилот. У путешественника также будет специальное жидкое питание, легкое и сбалансированное. На случай эвакуации на парашюте будет спускаться весь самолет.
Фото предоставлено пресс-службой фонда «Сколково»
Проводить полет планируется в Южном полушарии, так как в Северном слишком много суши и, соответственно, стран, с которыми пришлось бы договариваться о пролете в их воздушном пространстве, а это сложно. Так что большую часть пути под крылом «Альбатроса» будет океан. Сейчас авторы проекта договариваются с правительством Австралии для пролета над ней, также «Альбатрос» пролетит над Новой Зеландией, Чили, Аргентиной, Бразилией и ЮАР.
В том же 2020 году самолет SolarStratos тоже отправится в свой первый полет. Но, по словам Лифшица, никакой конкуренции у проектов нет. Швейцарцы планируют подняться на максимальную высоту в 25 километров, а полет будет длиться всего несколько часов. Для облегчения конструкции кабина самолета будет негерметичной, так что пилот проведет эти часы в скафандре, который, кстати, разрабатывает российское предприятие «Звезда». «Альбатрос» же будет находиться в полете пять дней, и пилот будет пребывать в герметичной кабине без скафандра.
Зачем полетит?
По словам Михаила Лифшица, для «РОТЭК» в проекте «Альбатрос» важна не финансовая, а скорее исследовательская составляющая.
— Понятно, что мы не первые, кто замахнулся на такой проект. Мы внимательно смотрели на то, что в мире происходило, начиная с Пикара, который облетел вокруг света. У него ушло на это два года, 17 посадок, каждая из которых была сопряжена с ремонтом самолета. После этого были попытки. Мы знаем об этих проектах, со всеми в той или иной степени дружим. И первое, что мы решили сделать, — это учесть их ошибки. Даже не столько ошибки, сколько попробовать сделать проект более прикладным, техническим, научным, — говорит летчик.
По его словам, серийное производство пилотируемых «солнечных» самолетов, способных облететь за раз вокруг Земли, никому не нужно. С коммерческой точки зрения перспективнее питаемые от солнца беспилотные летательные аппараты.
— Сейчас много проектов атмосферных и стратосферных спутников на солнечных батарейках, но пока они тащат только сами себя. Мы пытаемся сделать полноценный летательный аппарат с самой высокой полезной нагрузкой, — объясняет Лифшиц.
— Кроме того, с помощью такого аппарата можно будет обкатать некоторые технологии в сфере накопителей энергии, топливных элементов, новых покрытий и материалов, — добавляет к этому Олег Дубнов, вице-президент, исполнительный директор кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково».
Также создатели «Альбатроса» надеются, что успех проекта поднимет престиж страны и стимулирует развитие бестопливной авиации. Они рассчитывают, что в будущем автономные летательные аппараты заменят спутники в ряде отраслей, их можно будет использовать для мониторинга поверхностей океанов, лесов и земель сельского хозяйства.
— Этими полетами и решениями будет показано, насколько можно использовать солнечную энергетику сейчас, настало ли то время и достигли ли технологии того развития, когда это возможно делать, — говорит Дубнов.
С легкой руки журналистов летательные аппараты на солнечной энергии, способные находиться в воздухе неограниченное время, стали называть атмосферными спутниками, хотя это понятие вмещает в себя гораздо больше объектов, например аэростаты. Наиболее распиаренным проектом в этой области стал Solara 50 американской компании Titan Aerospace, картинки которого заполонили интернет и страницы журналов. Но реальных полетов так никто и не дождался. Концепция провалилась из-за того, что большой самолет нельзя сделать таким же, как маленький. Ролик получился очень красивым, но такой самолет, увы, не смог полететь.
Ночь продержались
С некоторой натяжкой «отцом» атмосферных спутников можно назвать беспилотный аппарат на солнечных батареях NASA Helios, который 3 августа 2001 года достиг высоты 29 524 м, что остается действующим на текущий момент мировым рекордом высоты устойчивого горизонтального полета для крылатых летательных аппаратов без реактивных двигателей, и провел на высоте более 29 км более 40 минут. Однако продержаться хотя бы сутки в воздухе ему не удалось, и в 2003 году в ходе испытательного полета на максимальную длительность нахождения в воздухе на высоте 850 м Helios попал в зону сильной турбулентности, разрушился и упал в Тихий океан.
Гораздо бóльших успехов добился разработанный британской компанией QinetiQ сверхлегкий беспилотник Zephyr, поставивший в 2007 году неофициальный мировой рекорд длительности полета для БПЛА — 54 часа. В 2008 году 30-килограммовый Zephyr-6 провел в воздухе 82,5 часа, а в 2010 году уже 30-килограммовый Zephyr-7 продержался над аризонской пустыней две недели, причем максимальная высота полета составляла 18 км. После этого компанию QinetiQ приобрела Airbus Defence and Space, и проект стал полностью военным и секретным. Новый Zephyr-8 в 2015 году продержался в воздухе те же две недели, но уже с полезной нагрузкой в 5 кг. И в этом году сообщается о начале испытаний Zephyr S с 22,5-метровым размахом крыльев. Проект Zephyr получил доступ к самым последним технологиям. Например, он использует литий-серные аккумуляторы Li-S, которые имеют удельную емкость в два раза выше, чем те, которые доступны на рынке.
В этом году в игру вступил могущественный Facebook, который ранее приобрел британскую компанию Ascenta, разработавшую гигантский высотный дрон Aquila. В июне 2016 года Aquila совершил первый, пока 90-минутный полет. О российских разработках в области атмосферных спутников долгое время не было слышно ничего до августа 2016 года.
2 августа 2016 года появилась новость, что в России удачно испытан беспилотный аппарат, который продержался в воздухе более 50 часов на высотах до 9 км. Заместитель генерального директора Фонда перспективных исследований Игорь Денисов объявил, что был совершен экспериментальный полет масштабной модели в рамках проекта «Сова», реализуемого Фондом перспективных исследований и компанией «Тайбер». И через неделю мы сидели в московском офисе «Тайбера» и расспрашивали руководителя проекта Юрия Тыцыка и главного конструктора Вячеслава Шпилевского о технических подробностях.
Новый подход
Мысль о самолете с гибким крылом пришла Юрию в голову два года назад. Он поделился идеей со своими друзьями по планерному спорту: почти вся команда разработчиков «Совы» — выходцы из планерных клубов, и это видно по проекту. Друзья его поддержали, и, не откладывая в долгий ящик, Юрий и Вячеслав из пенопласта смастерили первую модель с размахом крыльев под два метра. Сохранились трогательные кадры первых пусков, которые проходили во дворе дома. Модель полетела, да еще как! Так сформировался костяк команды — Юрий стал руководителем проекта, Вячеслав Шпилевский — главным конструктором, а Алексей Стратилатов взялся за интеграцию своей системы управления в новую схему летательного аппарата, электронную начинку и автопилоты. За прошедшие пару лет ребята сделали около двадцати прототипов. Год назад проект поддержал Фонд перспективных исследований, и в сентябре в воздух должен подняться полноразмерный аппарат с размахом крыльев в 28,5 м.
Связанные одной нитью
Как ведут себя в небе атмосферные спутники, которые должны находиться в воздухе месяцами? Днем они заряжают через солнечные панели свои аккумуляторные батареи и набирают максимально возможную высоту, накапливая потенциальную энергию. После захода солнца они должны как можно медленнее терять высоту, экономно расходуя электроэнергию, — летающих энергозаправщиков еще не придумали. Поэтому аппараты должны иметь аэродинамику на уровне самых лучших планеров, а еще лучше — превосходить их. Один из главных приемов увеличения аэродинамического качества (сколько метров может пролететь летательный аппарат при снижении на один метр) — удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней ширине). Только у трех в мире рекордных планеров это значение превышает 50 единиц, и это практически предел. При классической компоновке сломаться крылу не дает лонжерон — мощный силовой элемент, располагающийся по всей длине крыла и воспринимающий изгибающий момент. Чем длиннее крыло, тем тяжелее лонжерон, и даже современные углепластики не спасают ситуацию. А от скручивания крыло спасает мощная обшивка. В любом учебнике по проектированию самолетов четко написано, что при увеличении линейных размеров самолета его масса растет в кубе, из-за чего масштабирование красивых ажурных моделей-прототипов на реальные размеры часто приводит к катастрофам. Именно поэтому мы не увидели полноразмерного спроектированного по классической схеме Solara.
Идея Юрия Тыцыка была необычной — сделать гибкое крыло без классических лонжеронов и работающей на кручение обшивки. Кто-нибудь слышал, чтобы у альбатроса в полете от нагрузок сломались крылья? А ведь эти птицы летают в штормовой ветер. Обычные самолеты избегают этого, не говоря уж об экспериментальных или рекордных аппаратах. Природа явно подсказывает применение «гибких решений». Также у птиц нет элеронов — для поворота они закручивают все крыло.
«Вот мы на фотографии втроем держим самолет, — Юрий открывает файл на компьютере. — Если два человека по краям отпустят, он сломается. Аппарат гибкий и непрочный. Мы его даже несколько раз ломали при переноске. Но в полете такого не происходит». Вячеслав Шпилевский пытается объяснить мне идею доступными образами: «Наш аппарат подобен косяку птиц, кончики крыльев которых связаны, чтобы им проще было держать дистанцию». По сути «Сова» — это три самолета, летящих в очень-очень плотном строю. Более плотном, чем летают легендарные «Стрижи». И если они сломают строй, самолет развалится. Полет данной схемы аппарата стал возможен благодаря электронике, на базе автопилота, созданного Алексеем, и уникальных алгоритмов, написанных Вячеславом.
У «Совы» нет и элеронов — классических аэродинамических органов управления на задней кромке крыла, регулирующих угол крена самолета. Креном управляют горизонтальные стабилизаторы на хвостовой части фюзеляжей боковых корпусов. За курс и тангаж отвечает оперение центрального корпуса. На «Сове» два электромотора. «Чем больше моторов, тем больше винтов, а чем их больше, тем меньше их диаметр и они легче. — У Юрия на все есть простые и логичные ответы. — К тому же моторы компенсируют вес хвостовых балок со стабилизаторами».
Планерные гены
Напоминая о планерных корнях создателей, спрашиваю, использует ли аппарат восходящие потоки. Набирает ли в них высоту в автоматическом режиме? «Сейчас у нас реализован алгоритм центрирования восходящего потока. Если аппарат натыкается на зону восходящих потоков, то закладывает вираж, смещаясь в область, где скороподъемность выше, — Юрий руками наглядно показывает маневр планера, — и в автоматическом режиме отрабатывает поток до самой кромки облаков. Восходящие потоки работают до высоты нижней кромки кучевой облачности — около 2000 м. Если поток пропадает, он продолжает лететь дальше по программе. Пока еще он не умеет самостоятельно искать восходящие потоки, да и никто сейчас не умеет. Но это скорее наш интерес как планеристов, ведь бóльшую часть времени «Сова» проводит выше облаков, где термические восходящие потоки почти отсутствуют. Мы использовали термики еще и для того, чтобы проверить живучесть аппарата в неспокойной атмосфере, — в них ощутимо трясет».
За все время полета заряд аккумуляторных батарей «Совы» не опускался ниже 30%, и я задаю вопрос, который собирался задать в самом начале беседы: если был такой запас по энергии, почему не установили новый рекорд? «Такой задачи у нас просто не было, — улыбается Юрий Тыцык. — А для того чтобы выяснить способность энергетической системы работать автономно, достаточно двух циклов зарядки-разрядки».
В апреле 2017-го миллиардер Виктор Вексельберг заверил Владимира Путина, что группе компаний «Ренова» под силу создать летательный аппарат, работающий исключительно на энергии Солнца, а заодно и установить с его помощью мировой рекорд. Что изменилось за прошедший год?
Федор Конюхов на борту летающей лаборатории Stemme 12. Фото Денис Белозеров
26 июля 2016 года Андре Боршберг и Бертран Бекар завершили первый в истории кругосветный полет на летательном аппарате, работающем исключительно на солнечной энергии, - Solar Impulse 2. Чтобы облететь земной шар, экипажу Solar Impulse 2 потребовалось чуть больше года, а 117 часов и 51 минута перелета из Японии на Гавайи стали рекордом по продолжительности полета на солнечных батареях. Побить рекорд швейцарцев намерена российская команда проекта «Альбатрос». Пролететь 33 000 км вокруг света исключительно на энергии солнца без использования ископаемого топлива и без остановок планируют за неделю.
Когда ждать полета
Проект реализуется в три этапа, и сейчас «Альбатрос» находится на первом из них: команда проекта испытывает технологические решения на летающей лаборатории - самолете Stemme S12. Ключевыми технологическими составляющими будущего солнечного планера станут гибкие солнечные гетеропереходные панели и гибридные накопители энергии. Эти панели, установленные на самолете Stemme S12, в течение года будут тестироваться на устойчивость к разным погодным условиям, низким температурам и давлению. Затем настанет черед второго этапа - проектирования и строительства планера для рекордного полета с учетом полученных в ходе испытаний данных. Наконец, третьим, заключительным, этапом станет сам кругосветный полет.
Российский планер должен стартовать в 2020 году, а пилотировать его будет путешественник Федор Конюхов, который уже совершил пять кругосветных плаваний и, в частности, установил рекорд, облетев на воздушном шаре вокруг Земли за 268 часов. Сейчас Конюхов осваивается в статусе авиатора и проходит обучение на пилота в минском Авиационном учебном центре «Даймонд».
Стоимость проекта пока прогнозировать сложно, бюджет может измениться из-за многих причин, главные из них - технологическая составляющая и непредвиденные логистические расходы. Технологическим инвестором проекта выступила группа компаний «Ренова».
Летающая лаборатория Stemme S12. Фото Денис Белозеров
«Мы создаем первую в мире летающую лабораторию в области фотовольтаики. В этом году мы планируем полеты в самых разных условиях: в предгорьях Эльбруса, на Камчатке, Урале, в Подмосковье. Все это поможет собрать больше данных о работе гибких солнечных панелей в самых разных и неожиданных условиях», - говорит директор по развитию высокотехнологичных активов группы компаний «Ренова», председатель совета директоров АО «Ротек» Михаил Лифшиц.
Летающая лаборатория - уникальный испытательный комплекс, который позволяет наблюдать за работой солнечных панелей и накопителей в условиях, в которых никто ранее их не испытывал. Фактически команда проекта «Альбатрос» выступает сегодня в роли первопроходцев.
Какие технологии применяются
Для создания энергетически автономного летательного аппарата необходим в первую очередь высокоэффективный источник энергии. Специально для проекта «Альбатрос» Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при МФТИ им. Иоффе разработал технологию изготовления так называемых гибких гетеропереходных солнечных ячеек с КПД более 22%. Такие ячейки сочетают преимущества тонкопленочной и поликристаллической технологий - они способны улавливать рассеянный солнечный свет и могут быть установлены на всей поверхности самолета.
Система хранения энергии будет основана на гибридных накопителях, которые состоят из литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. Первые обеспечат высокую емкость накопителя, а вторые будут эффективным буфером для предохранения от повышенных нагрузок и перегрева литий-ионных АКБ. Суперконденсаторы разрабатывает и производит компания «ТЭЭМП», входящая в группу «Ренова». Благодаря особой конструкции, использованию специально разработанных электролитов и катодного материала суперконденсаторы «ТЭЭМП» обладают малым весом и работают при экстремальных температурах (до -65 °C).
Такие высокоэффективные источники энергии позволят избежать довольно распространенной в авиации неполадки - «теплового разгона», при котором происходит короткое замыкание накопителя из-за его высокой температуры. Перегрев аккумуляторов на маршруте Япония - Гавайи стал причиной приостановки полета Solar Impulse 2 почти на 9 месяцев.
Что потом
Беспилотные летательные аппараты, использующие энергию Солнца, могут прийти на замену спутникам. Источником энергии для электрических систем авиадвижения станет сочетание солнечных панелей и небольшого, но эффективного двигателя. Дальнейшее развитие такого рода технологий позволит применять разработки электродвижения для грузовых и пассажирских перевозок, что, в свою очередь, приведет к экономии ресурсов и сохранению окружающей среды.