Comment fabriquer un avion à énergie solaire. De belles perspectives. Quelles technologies sont utilisées

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Aujourd’hui, vous ne surprendrez personne avec des appareils fonctionnant à l’énergie solaire. Néanmoins, le premier vol d'essai de l'avion stratosphérique à énergie solaire SolarStratos, qui a eu lieu le 5 mai, peut être qualifié d'événement important.

En quoi ce SolarStratos suisse est-il différent de son homologue planeur solaire, célèbre pour avoir fait le tour du monde avec 16 atterrissages en un an, demandez-vous ? Ou de l'appareil à énergie solaire de Fedor Konyukhov, qui a l'intention de faire le tour de la Terre sans atterrir en 120 heures ?

La différence est que SolarStratos est conçu pour des altitudes plus élevées. Si Fedor Konyukhov envisage de grimper à 16 kilomètres, l'avion stratosphérique suisse est conçu pour les vols à une altitude de 25 kilomètres et plus. Il n'y a pas encore d'apesanteur là-bas, mais les experts appellent ces couches de la stratosphère déjà proches de l'espace. Le développement de cette zone est considéré comme une direction très prometteuse. Le fait est qu'ici, vous pouvez lancer des satellites de communication atmosphérique, qui sont plusieurs fois moins chers que les satellites spatiaux. Ou les satellites de surveillance, ils permettront non seulement d'économiser de l'argent, mais fourniront également des informations plus précises. Après tout, à partir d'une hauteur de 20 à 30 kilomètres, il est possible de déterminer avec plus de précision, par exemple, les limites d'un incendie de forêt qu'à partir d'une orbite proche de la Terre (plus de 160 km).

À propos, il n’y a pas si longtemps, la Russie a commencé à tester le satellite atmosphérique solaire Sova. Mais il s'agit d'un petit drone pesant 12 kilogrammes et d'une envergure de 9 mètres.

Et SolarStratos est le premier avion stratosphérique biplace à part entière au monde. Il pèse 450 kilogrammes, la longueur du fuselage est de 8,5 mètres et l'envergure est de 25 mètres. De plus, 22 mètres carrés de surface sont occupés par des panneaux solaires.

Au printemps, l'Administration fédérale de l'aviation civile a accordé à Rafael Domian, chef de projet de SolarStratos, l'autorisation d'effectuer des essais en vol. Et début mai, l'avion miracle a effectué son premier vol. Le pilote d'essai Damian Hichier a élevé l'appareil à une altitude modeste de 300 mètres au cours d'un court vol de 7 minutes. L'avion commencera à monter dans la stratosphère lorsque les concepteurs seront convaincus que l'appareil fonctionne parfaitement.

Le problème est que le pilote n'a pas le droit à l'erreur : afin de rendre l'avion le plus léger possible, les ingénieurs n'ont pas équipé la cabine de systèmes de maintien d'une pression et d'une température normales. Pour survivre à une température de moins 56 degrés et une pression atmosphérique des dizaines et des centaines de fois inférieure à celle de la surface de la Terre, les deux pilotes ont enfilé des combinaisons spatiales. Ce qui est intéressant : les Suisses ont choisi parmi diverses options la combinaison spatiale russe « Falcon » ; elle n'est pas destinée aux sorties dans l'espace, mais lui permet de résister aux conditions de l'espace interstellaire. Le seul point négatif est l'impossibilité d'utiliser un parachute en cas d'urgence. Par conséquent, des exigences accrues sont imposées à la sécurité d’un avion stratosphérique.

"Nous sommes très heureux de pouvoir démontrer une technologie fonctionnelle qui nous permet de réaliser bien plus que des appareils utilisant des combustibles fossiles", a déclaré Rafael Domyan. — Les voitures électriques et solaires supplanteront les moteurs à combustion interne du marché au 21e siècle. Et nos avions peuvent voler à des altitudes de 25 000 mètres, ce qui ouvre la porte à des opportunités d’aviation commerciale électrique et solaire dans l’espace proche.

Domyan espère que les vols vers la stratosphère pourront être vendus aux touristes.

TTX SolarStratos

• Longueur – 8,5 mètres
• Envergure – 24,9 mètres
• Poids – 450 kilogrammes
• Réserve d'autonomie – plus de 24 heures
• Entraînement – ​​hélice à 4 pales, diamètre – 2,2 mètres
• Moteur – puissance électrique 32 kW,
• Efficacité du moteur – 90 %
• Nombre de pilotes – 2
• Énergie – énergie solaire
• Surface de la batterie solaire – 22 mètres carrés

De nos jours, les scientifiques n'oublient pas de mentionner au moins une fois par mois que le pétrole s'épuise, que le gaz s'épuise, que l'énergie atomique est dangereuse, et en général, dans deux cents ans, l'humanité passera à une économie et une production mondiales qui s'arrêteront. sans carburant. En revanche, les médias publient de nombreux articles sur le développement des technologies liées à l'air, à l'eau, aux déchets animaux et humains et à d'autres options diverses. Certaines d’entre elles ressemblent à de la science-fiction, d’autres ont de réelles évolutions techniques et sont déjà exploitées de toutes leurs forces, comme l’énergie solaire.

Énergie solaire

Nous sommes habitués au fait que notre étoile préférée nous apporte chaleur et lumière, nous aide à faire pousser nos cultures et réchauffe l’eau des lacs, des rivières et des mers. Mais à part cela, l’énergie des rayons du soleil peut être utilisée d’autres manières. Il y a déjà plusieurs décennies, des calculateurs fonctionnant à l’énergie solaire sont apparus sur le marché. Maintenant, cela ne surprendra personne. Il existe des projets prêts à l'emploi : les premières maisons y ont déjà été construites, chauffées à l'énergie solaire et utilisées en Russie dans des conditions hivernales. Le projet prévoit un chauffage d'appoint, car dans notre région, le soleil peut être longtemps couvert par les nuages.

Chaque personne moyenne peut acheter des panneaux solaires, mais le prix est très élevé. De plus, il est moins coûteux d’obtenir de l’énergie et de la chaleur de la manière habituelle. Cependant, dans des conditions où les sources d'énergie conventionnelles ne sont pas disponibles, par exemple lors d'expéditions longue distance ou dans l'espace, les panneaux solaires sont les principales. En Europe, les résidents du secteur privé les placent sur le toit de leur propre maison et vendent l'électricité excédentaire à leur propre État. Mais l’Allemagne n’est pas le pays le plus ensoleillé. Un autre avantage de l’énergie solaire est qu’elle est renouvelable. Bien que les scientifiques disent que le Soleil ne brillera pas toujours, comparé à la vie humaine, le nôtre a brillé pour toujours.

Avion à énergie solaire

A notre époque, un tel avion a été construit. Il n'est peut-être pas très rapide et maniable, mais son carburant ne coûte rien et il n'y a aucune émission nocive. situé sur toute la surface des ailes et du corps lui-même. Lors d'un vol d'essai, l'avion a parcouru 1 541 km de Phoenix à Dallas. L'altitude maximale était de 8 200 mètres et la vitesse moyenne était de 84 km/h.

L'avion n'était pas piloté par l'un de ses créateurs, André Borcherg. Ce vol est l'un de ses prochains records ; il avait déjà effectué un voyage de 26 heures sur le même avion appelé Solar Impulse. Désormais, le testeur envisage activement de traverser toute l’Amérique, puis de faire le tour du monde.

Toute l'équipe qui a créé le navire et l'a préparé à l'exploitation essaie de faire tout son possible pour que son travail soit couvert autant que possible par les médias. Après tout, la tâche principale de tels événements est de montrer au monde entier que l'énergie des rayons solaires a de grandes perspectives et peut être utilisée au maximum par l'homme.

Histoire de la création

Solar Impulse est un planeur d'une envergure de 63,4 mètres, sa masse est de 1,5 tonne et il dispose de quatre moteurs électriques d'une puissance totale de 7 kilowatts. Il est entendu que l'éclairage des panneaux solaires peut être inégal. Plus de quatre cents kg représentent les batteries au lithium, qui sont chargées sur le parking. Tous les avions solaires précédents volaient uniquement en se rechargeant à partir du soleil ; même s’il y avait des batteries, elles étaient petites.

Maintenant que Solar Impulse 2 a été créé, il est beaucoup plus grand que son prédécesseur et possède plus de cellules solaires - jusqu'à 17 000. L'envergure est supérieure à 70 mètres. Il a été fabriqué à partir de fibres d'hydrocarbures pour réduire le poids. Cependant, il pèse 2,3 tonnes. Grâce à des batteries puissantes, il peut voler plusieurs jours et nuits à des vitesses de 50 à 100 km/h.

Perspectives pour les combustibles solaires

Il existe un grand nombre d'exemples d'utilisation de l'énergie solaire. Le plus simple a été montré dans le film soviétique « 3+2 », dans lequel un docteur en sciences physiques disposait des miroirs dans un parapluie et réchauffait des aliments dans une casserole avec de la lumière réfléchie. Aujourd'hui, la science développe une technologie permettant d'utiliser l'isolation thermique, dont la surface reçoit l'énergie solaire.

Grâce à la même technologie, des installations de séchage des cultures agricoles et de chauffage des maisons sont déjà en cours de production et fonctionnent. Afin de ne pas rendre leur surface trop grande, des rainures sont pratiquées dans la surface des radiateurs, ce qui augmente la surface du matériau qui reçoit l'énergie solaire.

Dans les régions de notre planète où les hivers sont rigoureux, la majeure partie de l’énergie est consacrée au chauffage. Pour économiser l'énergie, des systèmes solaires passifs sont en cours de développement, qui disposent d'une grande surface exposée au soleil, collectent l'énergie et réchauffent la maison. L'idée est bonne, mais difficile à mettre en œuvre. La maison doit avoir une excellente isolation, la ventilation doit être régulée, lorsqu'on utilise uniquement l'énergie solaire, la température optimale dans la maison n'est atteinte qu'au milieu de la journée et en été, il y fait trop chaud.

Les avions fonctionnant à l’énergie solaire sont un excellent exemple de potentiel inexploité. Un prototype de système passif y est installé. Mais il y en a aussi des actifs. Ils chauffent de l'eau ou de l'air. Ce n'est qu'alors qu'ils entrent dans la maison en tant que liquides de refroidissement. Ils sont plus faciles à contrôler et peuvent être installés sur des maisons déjà construites, mais leur efficacité n'est pas suffisante pour les hivers rigoureux de la Russie. Cependant, dans les systèmes hybrides, lorsqu'ils sont combinés avec des sources d'énergie conventionnelles, les systèmes solaires actifs peuvent économiser jusqu'à 60 % d'énergie.

Sunmobile

Un avion fonctionnant à l’énergie solaire n’est pas le seul moyen de transport moderne alimenté par ce type d’énergie. Il y a une voiture solaire, et même pas une. Chaque année en Suisse, il y a une compétition entre ces voitures, elle s'appelle le « Tour de Sol ». La course dure six jours. Chaque jour, les participants doivent parcourir de 80 à 150 km sur les routes de Suisse et d'Autriche.

Il y a plusieurs années, une telle voiture solaire a fait son chemin en Russie. Il s'est avéré que ses roues ne pouvaient pas circuler sur nos routes de campagne et que la circulation se faisait sur les autoroutes. La Russie est grande et il n’y a pas assez de soleil partout. Mais malgré toutes les difficultés, la voiture solaire a bouclé son parcours. La vitesse maximale d'un tel transport est de 170 km/h. L’utilisation de l’énergie solaire sous forme de voiture solaire a reçu une nouvelle confirmation positive. En Europe, certains modèles sont déjà entrés dans la série.

Panneaux solaires. Prix. Production

Les panneaux solaires sont essentiellement des cellules photovoltaïques qui convertissent l'énergie solaire. Dans le film «Le Martien», ils sont clairement montrés lorsque le personnage principal les nettoie de la poussière après la catastrophe. En Russie, ils ne sont pas populaires et ne sont pas produits. La commande privée minimale habituelle est constituée de 9 000 roubles. Les panneaux solaires eux-mêmes, dont le prix varie en fonction de la taille du produit, coûtent entre mille et demi de roubles et 15 000 roubles.

Utilisation en Russie

Dans notre pays, le soleil brille régulièrement, mais pas très fort. Les exemples d’utilisation de l’énergie solaire présentés ci-dessus peuvent être appliqués dans tout notre pays. Malheureusement, l’utilisation de piles ne sera payante qu’à long terme. Mais si nous prenons en compte non seulement le montant d'argent, mais également l'économie de ressources naturelles, nous pouvons alors affirmer avec certitude que cette technologie doit être développée et utilisée activement autant que possible.

Les avions électriques, qui volent grâce à l’énergie du soleil, sont un produit d’une seule pièce. Chacune est unique et est créée grâce à un investissement privé, plutôt à des fins d'image et de recherche que dans l'intention de lancer une telle unité dans une production de masse. Les projets les plus célèbres dans le domaine de l'aéronautique solaire sont peut-être en train d'être créés en Suisse: ce sont les avions. Impulsion Solaire Et SolarStratos. Sur le premier d'entre eux, Bertrand Piccard, le petit-fils de l'inventeur du ballon stratosphérique, Auguste Piccard, a fait le tour du monde il y a trois ans. À PROPOS SolarStratos Le "Grenier" est déjà là - avec lui, les pilotes suisses envisagent de monter dans la stratosphère. À l'été 2018, la société américaine Bye Aerospace a testé la famille d'avions StratoAirNet Solesa— ces avions, selon la compagnie, peuvent être utilisés pour des patrouilles militaires, des opérations de cartographie et de recherche et de sauvetage. Le holding industriel russe ROTEC a décidé de suivre les tendances mondiales et a également commencé à développer un avion « solaire ». Le projet s'appelait "Albatros".

Qu'est-ce qui volera ?

Le projet Albatross se compose de deux étapes. Le premier est la création et le test d'un laboratoire photovoltaïque volant, qui collectera des informations sur le fonctionnement des panneaux solaires, des dispositifs de stockage d'énergie et d'autres systèmes pendant le vol. Dans un deuxième temps, sera construit l'avion proprement dit, sur lequel le pilote fera le tour de la Terre en cinq jours, sans jamais atterrir.

Le laboratoire volant est un planeur biplace motorisé allemand Stemme S12, équipé de cellules solaires photovoltaïques, d'un système de stockage d'énergie hybride (supercondensateur et batterie lithium-ion) et d'équipements scientifiques.

« Etant donné qu'il s'agit d'un laboratoire, nous avions besoin d'une très haute qualité aérodynamique pour pouvoir voler longtemps, et de suffisamment d'espace pour accueillir l'équipement, ainsi que de la possibilité de vols à haute altitude. Par conséquent, un avion a été choisi qui combine ces qualités », explique Mikhail Lifshits, président du conseil d'administration de ROTEC JSC, chef du projet Albatross, pilote. — La qualité aérodynamique de ce planeur 1-53 est aujourd'hui la meilleure au monde. Les équipements - dispositifs de chargement, systèmes de mesure, positionnement - sont situés dans le compartiment arrière. Tout ce qui concerne la science et les mesures est fabriqué en Russie. Et la plateforme de test est allemande.

Evgenia Shcherbina / Chrdk.

L’efficacité aérodynamique peut être grossièrement considérée comme la distance qu’un avion peut parcourir dans un environnement calme en planant seul. Sa valeur de 1 à 53 signifie que l'avion peut planer sur 53 kilomètres à partir d'une altitude d'un kilomètre, en descendant progressivement. Par exemple, un albatros capable de capter les courants d'air chaud ascendants et, grâce à eux, de planer longtemps au-dessus de la surface de l'océan, a un rapport portance/traînée de 1 à 20, supérieur à celui de la plupart des avions. Seuls certains bombardiers et planeurs spécialement conçus peuvent planer plus longtemps qu'un albatros, comme le Voyager, qui a effectué le premier vol sans escale et sans ravitaillement autour de la Terre.

Selon Lifshits, bien que les concepteurs de l'Albatros prennent en compte l'expérience mondiale du vol d'avions électriques, ils ne disposaient toujours pas de données fiables sur le comportement des modules solaires et des dispositifs de stockage d'énergie sous différents types d'éclairage, à différentes altitudes et dans différentes conditions. conditions climatiques, c'est pourquoi le besoin d'un laboratoire volant s'est fait sentir.

— Il existe des centres scientifiques et pratiques à Saint-Pétersbourg, Vladivostok, Moscou, mais là-bas les éléments photovoltaïques sont situés au sol. Mais combien allons-nous collecter sous différents angles d’attaque, à différentes positions du soleil, à différentes latitudes, altitudes, avec différentes surfaces sous-jacentes, à différents moments de la journée ? En fait, il n’y a pas de réponse systémique. Et pour concevoir correctement un avion, il faut disposer de bases de calcul. C'est pourquoi nous avons conçu un laboratoire volant. Il s’agit de la première étape du projet, et c’est déjà unique, car il n’y a jamais eu de recherche d’une telle qualité dans le monde », explique Lifshitz.

Les modules solaires pour l'avion seront fabriqués par un groupe d'entreprises russe Hével. Leur rendement - 22,5% - n'est pas aussi élevé que celui des SolarStratos(24,6%), mais supérieur à l'efficacité des batteries au silicium monocristallin classiques (jusqu'à 20%). Cependant, selon Lifshitz, la puissance diurne et la capacité des cellules à fonctionner dans une lumière diffuse sont beaucoup plus importantes pour le vol, car l'apport direct de la lumière solaire est assez problématique. L'Albatros n'utilisera pas de photocellules monosilicium classiques, utilisées dans les centrales solaires, mais des cellules à hétérojonction, plus efficaces et capables de fonctionner en lumière diffuse. Des photocellules à semi-conducteurs similaires sont utilisées dans la conception des engins spatiaux.

Des modules solaires sont fixés sur les surfaces supérieure et inférieure de l'aile du planeur de laboratoire pour collecter la lumière solaire réfléchie par la surface de la Terre. L'apparence du futur avion dépend des données accumulées, mais il est déjà clair qu'il a besoin de grandes ailes. L'envergure approximative de l'avion, qui n'existe jusqu'à présent que sur papier, est de 30 mètres.

Comment va-t-il voler ?

Le laboratoire photovoltaïque subit actuellement une série de tests : des vols ont déjà eu lieu dans la zone de l'aérodrome de Severka, dans la région de Moscou, mais des vols dans toute la Russie sont également prévus. Et à partir de janvier 2019, la conception de l'avion lui-même, l'Albatros, commencera. Les auteurs ont l'intention d'impliquer des concepteurs australiens et britanniques dans le développement du moteur. L'Albatros prendra son envol en 2020 et sera piloté par le célèbre voyageur russe Fiodor Konyukhov. Il suit actuellement une formation et étudie pour devenir pilote de planeur et de petit avion en Biélorussie.

"Vous voyez, j'ai 67 ans et j'étudie toujours", rit Konyukhov. — D'ici 2020, lorsque je devrai voler sur l'Albatros, j'aurai déjà de nombreuses heures de vol sur des avions conventionnels. Je connais le ciel, j'ai fait le tour du monde en montgolfière.

L’avion « solaire » russe effectuera son tour du monde à l’altitude de vol des avions de ligne conventionnels, soit environ 11 kilomètres. La vitesse de l'avion atteindra environ 200 à 220 kilomètres par heure.

"En altitude, respectivement, le vent est de 300 kilomètres par heure et notre vitesse est de 200 kilomètres par heure - nous nous déplacerons donc à une vitesse d'environ 500 kilomètres par heure", explique le voyageur.

Konyukhov a collecté des données sur le comportement du vent à différentes altitudes lors de son voyage autour de la Terre en montgolfière - elles seront également utilisées pour calculer le vol de l'Albatros.

On suppose que pendant la journée, l'avion gagnera une altitude maximale et que la nuit, il planera plusieurs centaines de kilomètres, atteignant 8 à 10 kilomètres au-dessus du niveau de la mer le matin. Une altitude élevée pour le vol est nécessaire non seulement à cause du vent fort, mais aussi parce qu'il n'y a pas d'orages à une telle altitude. Être pris dans des nuages ​​d’orage est très dangereux.

— Quand je volais en montgolfière, j'avais l'attitude suivante : « La nuit il faut voir les étoiles, le jour il faut voir le soleil. Si vous ne voyez pas, vous tombez », explique Konyukhov.

Il s'entraîne également pour survivre cinq jours en mouvement rapproché dans une petite cabine d'avion. Le pilote automatique vous permettra de ne plus contrôler votre esprit et de vous détendre. Le voyageur bénéficiera également d’un régime liquide spécial, léger et équilibré. En cas d'évacuation, l'ensemble de l'avion sera descendu en parachute.

Photo gracieuseté du service de presse de la Fondation Skolkovo

Le vol devrait être effectué dans l'hémisphère sud, car il y a trop de terres dans l'hémisphère nord et, par conséquent, de pays avec lesquels il serait nécessaire de négocier un vol dans leur espace aérien, ce qui est difficile. Ainsi, la majeure partie du trajet sera l'océan sous l'aile de l'Albatros. Les auteurs du projet négocient actuellement avec le gouvernement australien pour le survoler, et l'Albatros survolera également la Nouvelle-Zélande, le Chili, l'Argentine, le Brésil et l'Afrique du Sud.

En 2020 également, l'avion SolarStratos effectuera également son premier vol. Mais selon Lifshitz, ces projets n’ont pas de concurrence. Les Suisses prévoient de monter à une altitude maximale de 25 kilomètres et le vol ne durera que quelques heures. Pour alléger la structure, la cabine de l'avion ne sera pas pressurisée, le pilote passera donc ces heures dans une combinaison spatiale, qui est d'ailleurs développée par la société russe Zvezda. L'Albatros sera en vol pendant cinq jours et le pilote restera dans une cabine pressurisée sans combinaison spatiale.

Pourquoi va-t-il voler ?

Selon Mikhaïl Lifshits, pour ROTEC dans le projet Albatross, ce n'est pas la composante financière qui est importante, mais plutôt la composante recherche.

— Il est clair que nous ne sommes pas les premiers à nous lancer dans un tel projet. Nous avons regardé de près ce qui se passait dans le monde, à commencer par Picard, qui a fait le tour du monde en avion. Cela lui a pris deux ans, 17 atterrissages, chacun impliquant des réparations sur l'avion. Après, il y a eu des tentatives. Nous connaissons ces projets et sommes amis avec tout le monde à un degré ou à un autre. Et la première chose que nous avons décidé de faire a été de prendre en compte leurs erreurs. Pas tant d'erreurs que d'essayer de rendre le projet plus appliqué, technique et scientifique », explique le pilote.

Selon lui, personne n’a besoin de produire en masse des avions « solaires » habités capables de voler autour de la Terre à la fois. D’un point de vue commercial, les véhicules aériens sans pilote à énergie solaire sont plus prometteurs.

— Il existe aujourd'hui de nombreux projets de satellites atmosphériques et stratosphériques à énergie solaire, mais jusqu'à présent, ils ne se réalisent qu'eux-mêmes. Nous essayons de fabriquer un avion à part entière avec la charge utile la plus élevée », explique Lifshitz.

"De plus, avec l'aide d'un tel dispositif, il sera possible de tester certaines technologies dans le domaine des dispositifs de stockage d'énergie, des piles à combustible, de nouveaux revêtements et matériaux", ajoute Oleg Dubnov, vice-président et directeur exécutif du cluster de l'énergie. technologies efficaces de la Fondation Skolkovo.

Les créateurs d’Albatros espèrent également que le succès du projet rehaussera le prestige du pays et stimulera le développement d’une aviation sans carburant. Ils s’attendent à ce qu’à l’avenir, les avions autonomes remplacent les satellites dans un certain nombre d’industries et puissent être utilisés pour surveiller la surface des océans, des forêts et des terres agricoles.

"Ces vols et ces solutions montreront quelle quantité d'énergie solaire peut être utilisée maintenant, si le moment est venu et si les technologies ont atteint le niveau de développement où cela est possible", explique Dubnov.

Avec la main légère des journalistes, les avions à énergie solaire capables de rester dans les airs pendant une durée illimitée ont commencé à être appelés satellites atmosphériques, bien que ce concept inclut beaucoup plus d'objets, tels que des ballons. Le projet le plus médiatisé dans ce domaine a été le Solara 50 de la société américaine Titan Aerospace, dont les images ont inondé Internet et les pages des magazines. Mais personne n'attendait de vrais vols. Le concept a échoué car un grand avion ne peut pas être fabriqué de la même manière qu’un petit. La vidéo s'est avérée très belle, mais un tel avion, hélas, ne pouvait pas voler.

A duré la nuit

Avec un certain étirement, le « père » des satellites atmosphériques peut être appelé le véhicule sans pilote à énergie solaire Helios de la NASA, qui a atteint le 3 août 2001 une altitude de 29 524 m, ce qui reste l'actuel record mondial d'altitude pour un vol horizontal soutenu pour des avions ailés. sans réacteurs, et a passé plus de 40 minutes à plus de 29 km d'altitude. Cependant, il n'a pas réussi à rester en l'air pendant au moins une journée, et en 2003, lors d'un vol d'essai pour la durée maximale de séjour en l'air à une altitude de 850 m, Helios est tombé dans une zone de fortes turbulences, s'est effondré et est tombé dans l'océan Pacifique.

Un succès bien plus grand a été obtenu par le drone ultra-léger Zephyr développé par la société britannique QinetiQ, qui a établi en 2007 un record du monde non officiel de durée de vol pour un drone - 54 heures. En 2008, le Zephyr-6 de 30 kilogrammes a passé 82,5 heures dans les airs, et en 2010, le Zephyr-7 de 30 kilogrammes a survolé le désert de l'Arizona pendant deux semaines, avec une altitude de vol maximale de 18 km. Après cela, QinetiQ a été racheté par Airbus Defence and Space, et le projet est devenu complètement militaire et secret. Le nouveau Zephyr-8 de 2015 est resté dans les airs pendant les mêmes deux semaines, mais avec une charge utile de 5 kg. Et cette année, il est rapporté que les tests du Zephyr S avec une envergure de 22,5 mètres ont commencé. Project Zephyr a accès aux dernières technologies. Il utilise par exemple des batteries Li-S lithium-soufre, qui ont une capacité spécifique deux fois supérieure à celles disponibles sur le marché.

Cette année, le puissant Facebook est entré dans le jeu, après avoir acquis la société britannique Ascenta, qui a développé le drone géant de haute altitude Aquila. En juin 2016, l'Aquila a effectué son premier vol, d'une durée de 90 minutes jusqu'à présent. Pendant longtemps, jusqu'en août 2016, on n'a pas entendu parler des développements russes dans le domaine des satellites atmosphériques.

Le concepteur en chef a commencé à voler et à concevoir des avions à l'âge de 14 ans. Algorithmes de base du système de contrôle, problèmes de stabilité et de contrôlabilité.

Le 2 août 2016, la Russie a testé avec succès un véhicule sans pilote qui restait en l'air pendant plus de 50 heures à des altitudes allant jusqu'à 9 km. Le directeur général adjoint de la Fondation pour la recherche avancée, Igor Denisov, a annoncé qu'un vol expérimental d'un modèle réduit avait été réalisé dans le cadre du projet Owl, mis en œuvre par la Fondation pour la recherche avancée et la société Tiber. Et une semaine plus tard, nous nous sommes assis dans le bureau moscovite de Tiber et avons interrogé le chef de projet Yuri Tytsyk et le concepteur en chef Vyacheslav Shpilevsky sur les détails techniques.

Nouvelle approche

L’idée d’un avion doté d’une aile flexible est venue à l’esprit de Yuri il y a deux ans. Il a partagé l'idée avec ses amis planeurs : la quasi-totalité de l'équipe de développement de Sova était issue de clubs de vol à voile, et cela se voit dans le projet. Ses amis l'ont soutenu et sans tarder, Yuri et Vyacheslav ont fabriqué le premier modèle en mousse de polystyrène d'une envergure de deux mètres. Des images touchantes des premiers lancements, qui ont eu lieu dans la cour de la maison, ont été conservées. Le modèle a volé, et comment ! C'est ainsi que s'est formé le noyau de l'équipe - Yuri est devenu chef de projet, Vyacheslav Shpilevsky est devenu le concepteur en chef et Alexey Stratilatov a pris en charge l'intégration de son système de contrôle dans le nouveau circuit de l'avion, les composants électroniques et les pilotes automatiques. Au cours des deux dernières années, les gars ont réalisé une vingtaine de prototypes. Il y a un an, le projet était soutenu par la Fondation pour la Recherche Avancée, et en septembre, un appareil grandeur nature d'une envergure de 28,5 m devrait décoller.

Attaché par un fil

Comment se comportent dans le ciel les satellites atmosphériques, qui doivent rester dans les airs pendant des mois ? Pendant la journée, ils rechargent leurs batteries grâce à des panneaux solaires et atteignent la plus haute altitude possible, accumulant ainsi de l'énergie potentielle. Après le coucher du soleil, ils doivent perdre de l’altitude le plus lentement possible, en utilisant leur énergie avec parcimonie – les pétroliers volants n’ont pas encore été inventés. Les appareils doivent donc avoir une aérodynamisme au niveau des meilleurs planeurs, et mieux encore, les surpasser. L'une des principales méthodes pour augmenter l'efficacité aérodynamique (combien de mètres un avion peut voler en descendant d'un mètre) est l'extension de l'aile (le rapport entre l'envergure de l'aile et la largeur moyenne). Seuls trois planeurs records au monde ont cette valeur supérieure à 50 unités, et c'est pratiquement la limite. Avec la disposition classique, l'aile ne peut pas se briser grâce au longeron - un élément de force puissant situé sur toute la longueur de l'aile et absorbant le moment de flexion. Plus l'aile est longue, plus le longeron est lourd, et même les composites modernes en fibre de carbone ne sauvent pas la situation. Et l'aile est protégée de la torsion par une peau puissante. Tout manuel sur la conception d'avions indique clairement qu'à mesure que les dimensions linéaires d'un avion augmentent, sa masse augmente dans un cube, c'est pourquoi la mise à l'échelle de beaux prototypes ajourés à des tailles réelles conduit souvent à des catastrophes. C'est pourquoi nous n'avons pas vu de Solara grandeur nature conçue selon le schéma classique.

L'idée de Yuri Tytsyk était inhabituelle : créer une aile flexible sans longerons classiques ni peau sensible à la torsion. Quelqu'un a-t-il entendu parler des ailes d'un albatros qui se brisent à cause du stress en vol ? Mais ces oiseaux volent dans un vent orageux. Les avions conventionnels évitent cela, sans parler des avions expérimentaux ou battant des records. La nature suggère clairement le recours à des « solutions flexibles ». Les oiseaux n'ont pas non plus d'ailerons : ils tordent toute l'aile pour tourner.

"Ici, sur la photo, nous tenons tous les trois l'avion", Yuri ouvre le fichier sur l'ordinateur. "Si les deux personnes sur les bords lâchent prise, ça va se briser." L'appareil est flexible et fragile. Nous l'avons même cassé plusieurs fois en le portant. Mais cela n’arrive pas en vol. Viatcheslav Shpilevsky essaie de m'expliquer l'idée dans des images accessibles : "Notre appareil est comme un banc d'oiseaux, les extrémités de leurs ailes sont liées ensemble pour leur permettre de garder plus facilement leurs distances." Essentiellement, le « Owl » est constitué de trois avions volant en formation très, très serrée. Plus dense que le légendaire vol des Martinets. Et s’ils rompent la formation, l’avion s’effondrera. Le vol de cette conception de l'appareil est devenu possible grâce à l'électronique basée sur le pilote automatique créé par Alexey et aux algorithmes uniques écrits par Vyacheslav.

Le Owl n'a pas non plus d'ailerons - les commandes aérodynamiques classiques situées sur le bord de fuite de l'aile qui régulent l'angle de roulis de l'avion. Le roulis est contrôlé par des stabilisateurs horizontaux situés sur les fuselages arrière des bâtiments latéraux. La queue du corps central est responsable du cap et du tangage. Le Sova dispose de deux moteurs électriques. « Plus il y a de moteurs, plus il y a d'hélices, et plus il y en a, plus leur diamètre est petit et plus elles sont légères. — Yuri a des réponses simples et logiques à tout. « De plus, les moteurs compensent le poids des poutres de queue grâce à des stabilisateurs. »

Gènes planeurs

Rappelant les racines des planeurs des créateurs, je demande si l'appareil utilise les courants ascendants. Est-ce qu'ils prennent de l'altitude automatiquement ? « Nous avons désormais mis en place un algorithme de centrage du flux amont. Si l'appareil rencontre une zone de courants ascendants, il effectue un virage, se déplaçant vers une zone où le taux de montée est plus élevé », Yuri démontre clairement la manœuvre du planeur avec ses mains, « et calcule automatiquement le flux vers le même bord des nuages. Les courants ascendants opèrent jusqu'à la hauteur du bord inférieur des cumulus - environ 2000 m. Si le flux disparaît, il continue de voler plus loin dans le programme. Il ne sait toujours pas comment rechercher de manière indépendante les courants ascendants, et personne ne sait comment le faire maintenant. Mais c'est plutôt notre intérêt en tant que pilotes de planeurs, car la Chouette passe la plupart de son temps au-dessus des nuages, où il n'y a quasiment pas de courants thermiques ascendants. Nous avons également utilisé des tests thermiques pour tester la capacité de survie de l'appareil dans une atmosphère turbulente : ils tremblent sensiblement.

Pendant tout le vol, la charge des batteries du Hibou n'est pas descendue en dessous de 30 %, et je pose la question que j'allais poser au tout début de la conversation : s'il y avait une telle réserve d'énergie, pourquoi n'ont-elles pas établir un nouveau record ? "Nous n'avions tout simplement pas une telle tâche", sourit Yuri Tytsyk. "Et pour connaître la capacité du système énergétique à fonctionner de manière autonome, deux cycles de charge-décharge suffisent."

En avril 2017, le milliardaire Viktor Vekselberg a assuré à Vladimir Poutine que le groupe de sociétés Renova était capable de créer un avion alimenté exclusivement par l'énergie solaire, tout en établissant un record mondial avec son aide. Qu’est-ce qui a changé au cours de la dernière année ?

Fedor Konyukhov à bord du laboratoire volant Stemme 12. Photo de Denis Belozerov

Le 26 juillet 2016, André Borschberg et Bertrand Becard ont réalisé le tout premier tour du monde à bord d'un avion propulsé uniquement à l'énergie solaire, Solar Impulse 2. Il a fallu à l'équipage de Solar Impulse 2 un peu plus d'un an, 117 heures et 51 minutes, pour faire le tour du monde, le vol du Japon à Hawaï a établi le record du plus long vol à énergie solaire. L'équipe russe du projet Albatross entend battre le record suisse. Ils prévoient de parcourir 33 000 km autour du monde uniquement grâce à l'énergie solaire, sans utiliser de combustibles fossiles et sans s'arrêter en une semaine.

Quand s’attendre à un vol

Le projet est mis en œuvre en trois étapes, et maintenant Albatross est dans la première d'entre elles : l'équipe du projet teste des solutions technologiques sur un laboratoire volant - l'avion Stemme S12. Les composants technologiques clés du futur planeur solaire seront des panneaux solaires flexibles à hétérojonction et des dispositifs hybrides de stockage d’énergie. Ces panneaux, installés sur l'avion Stemme S12, seront testés pour leur résistance à différentes conditions météorologiques, basses températures et pressions tout au long de l'année. Ce sera ensuite le tour de la deuxième étape : la conception et la construction d'un planeur pour un vol record, en tenant compte des données obtenues lors des essais. Enfin, la troisième et dernière étape sera le tour du monde lui-même.

Le planeur russe devrait être lancé en 2020 et sera piloté par le voyageur Fiodor Konyukhov, qui a déjà réalisé cinq tours du monde et notamment établi un record en faisant un tour de la Terre en montgolfière en 268 heures. Konyukhov s'habitue désormais au statut d'aviateur et suit une formation de pilote au Diamond Aviation Training Center de Minsk.

Le coût du projet est encore difficile à prévoir ; le budget peut changer pour de nombreuses raisons, les principales étant la composante technologique et les coûts logistiques imprévus. L'investisseur technologique du projet était le groupe d'entreprises Renova.

Laboratoire volant Stemme S12. Photo de Denis Belozerov

« Nous créons le premier laboratoire volant au monde dans le domaine du photovoltaïque. Cette année, nous prévoyons des vols dans diverses conditions : dans les contreforts de l'Elbrouz, au Kamtchatka, dans l'Oural et dans la région de Moscou. Tout cela contribuera à collecter davantage de données sur le fonctionnement des panneaux solaires flexibles dans une grande variété de conditions inattendues », déclare Mikhaïl Lifshits, directeur du développement des actifs de haute technologie du groupe d'entreprises Renova, président du conseil d'administration de JSC Rotek.

Le laboratoire volant est un complexe de tests unique qui permet d'observer le fonctionnement des panneaux solaires et des dispositifs de stockage dans des conditions dans lesquelles personne ne les a testés auparavant. En fait, l’équipe du projet Albatross fait aujourd’hui office de pionnier.

Quelles technologies sont utilisées

Pour créer un avion autonome en énergie, vous avez d’abord besoin d’une source d’énergie très efficace. Notamment pour le projet Albatross, le Centre Scientifique et Technique des Technologies des Couches Minces dans l'Energie du MIPT. Ioffe a développé une technologie de fabrication de cellules solaires dites flexibles à hétérojonction avec un rendement de plus de 22 %. De telles cellules combinent les avantages des technologies à couches minces et polycristallines : elles sont capables de capter la lumière diffuse du soleil et peuvent être installées sur toute la surface de l'avion.

Le système de stockage d’énergie sera basé sur des dispositifs de stockage hybrides, constitués de batteries lithium-ion et de supercondensateurs. Le premier offrira une capacité de stockage élevée et le second constituera un tampon efficace pour protéger les batteries lithium-ion des charges accrues et de la surchauffe. Les supercondensateurs sont développés et produits par la société TEEMP, qui fait partie du groupe Renova. Grâce à leur conception spéciale et à l'utilisation d'électrolytes et de matériaux cathodiques spécialement développés, les supercondensateurs TEEMP sont légers et fonctionnent à des températures extrêmes (jusqu'à -65 °C).

De telles sources d'énergie très efficaces permettront d'éviter un problème assez courant dans l'aviation : « l'emballement thermique », dans lequel le dispositif de stockage court-circuite en raison de sa température élevée. Une surchauffe des batteries sur la route Japon - Hawaï a provoqué la suspension du vol Solar Impulse 2 pendant près de 9 mois.

Quoi alors

Les véhicules aériens sans pilote utilisant l’énergie solaire peuvent remplacer les satellites. La source d’énergie des systèmes de propulsion électrique des avions sera une combinaison de panneaux solaires et d’un moteur petit mais efficace. Le développement ultérieur de ce type de technologie permettra d'appliquer les développements de la propulsion électrique au transport de marchandises et de passagers, ce qui permettra d'économiser des ressources et de préserver l'environnement.