Стратосферные дирижабли: Конкурент спутникам связи

Почему именно 20−22 км, а не 10−12 км? Дело в том, что сила ветра, достигая своего максимума на высотах порядка 10 км (более 30 м/с), к высотам 20 км спадает и составляет около 10 м/c. Кроме того, там воздух имеет меньшую плотность и нагрузки, воздействующие на конструкцию в 30−40 раз меньше. Это значит, что можно создать легкую и эффективную платформу. Также важно то, что пассажирские самолеты летают на высотах до 12 км и, следовательно, дирижабли не будут мешать воздушному движению. Но за все приходится платить, и платой станут размеры аэростатов, достигающие объема в сотни тысяч кубометров гелия или водорода и длины порядка сотни метров, а то и нескольких сотен метров.

На главный вопрос «зачем» есть простой ответ — есть необходимость в передаче громадных потоков информации. Но существуют же спутниковые и кабельные системы, которые вроде бы справляются со своими задачами? Справляются сегодня, но в последние годы происходит взрывной рост мобильной телефонии и интернета и существующие технологии подходят к пределу своих возможностей. Есть и еще один важный фактор — это цена. Так, запуск одного спутника стоит недешево, а после завершения срока службы спутник остается на орбите бесполезным хламом. Альтернатива — стратосферные дирижабли.

В ряде стран существуют проекты стратосферных дирижаблей (Skynet, Stratsat, Hale, Sky Station и ряд других). Опишем самые интересные из них.

Фирма Sky Station исследует возможность создания стратосферных аэростатов, предназначенных для широкополосной связи, мониторинга местности и разведки. В качестве несущего газа используется гелий, который, в отличие от водорода, не взрывоопасен, хотя и имеет несколько меньшую подъемную силу. Аэростаты будут базироваться на высоте 21 км, обеспечивая высокую пропускную способность и плотность передачи данных при низком потреблении энергии. Планируется, что срок службы аэростатов будет составлять 5−10 лет. Платформа несет на себе топливные баки, солнечные батареи и полезную нагрузку до 1000 кг. Дирижабль выполнен в хорошо обтекаемой каплевидной форме при длине 160 м и диаметре 62 м.

Система состоит из 250 стратосферных платформ, каждая сможет предоставлять услуги связи на территории площадью около 19 тыс. кв. км (примерно Московская область). Абоненты передают данные при помощи маломощных передатчиков прямо на аэростат, а бортовой ретранслятор аэростата посылает сигналы другим пользователям. Ретранслятор сможет принимать данные со скоростью 2 Мб/с и передавать их абонентам со скоростью 10 Мб/с. Это позволяет предоставлять пользователям широкий спектр услуг, таких как высокоскоростной доступ в интернет, web-телевидение, проведение видеоконференций, мобильная телефония. Предполагается, что стоимость доступа в интернет составит несколько центов в минуту.

Стратосферный дирижабль предназначен в основном для мобильной телефонии. Запуск прототипа уже состоялся. Беспилотная платформа сможет базироваться на высоте 21 км и будет располагать аппаратурой для мобильной телефонии, телевидения, интернета, а также средствами наблюдения. На большей части верхней поверхности аэростата расположены солнечные батареи. Электроэнергия приводит в действие пропеллеры, которые позволяют удерживать аппарат с точностью позиционирования до 0,5 км над пунктом назначения. Система сможет обеспечивать около 1000 миллиардов минут разговоров в год. Для сравнения, оператор мобильной телефонии фирма Orange обеспечивает 40 миллиардов минут в год. Длина аэростата равна 200 м, что эквивалентно трем самолетам «Боинг-747», а объем составляет 269 тыс. куб. м.

Схожую со Sky Station систему разрабатывает группа профессора Б.Х. Креплина из Аэрокосмического института в Штутгарте (Германия). Одна воздушная платформа позволит одновременно поддерживать до 100 тыс. телефонных переговоров. Аэростаты используют солнечную энергию и крейсируют на высоте 20 км. Диаметр охвата составит 400 км, что соответствует площади 20 тыс. кв. км. Первый прототип планируется запустить в воздух в 2003—2004 годах, а их серийный выпуск начать после 2009 года.

В настоящее время создан прототип аэростата Lotte, длиной 16 метров, функционирующий на солнечных батареях.

В течение дня солнечные элементы снабжают энергией двигатели, которые удерживают аппараты в заданном месте, а также коммуникационную аппаратуру. Но ночью солнечные батареи бесполезны и приходится использовать запасенную энергию. Энергию можно запасать и в аккумуляторных батареях, но они имеют очень большую массу, поэтому сейчас самым перспективным считается использование топливных элементов (ячеек).

Принцип работы бортовой системы энергообеспечения выглядит следующим образом. Днем солнечные батареи напрямую питают двигательную установку и аппаратуру, а часть энергии идет на расщепление воды (на борту аэростата расположен бак с водой) в электролизере на водород и кислород.

Ночью в игру вступают запасенные водород и кислород. В топливных ячейках они превращаются в воду. При этом получается электрическая энергия, а образовавшаяся вода запасается в емкости. На следующие сутки процесс повторяется. На первый взгляд, казалось бы, логично использовать воду (воздушный пар) из атмосферы, но на высотах в 20 км влажность равна нулю.

Другой возможностью энергообеспечения беспилотных летательных аппаратов или свободных аэростатов является использование СВЧ-излучения (грубым аналогом является обычная микроволновая печка), передаваемого на борт аппарата с земли. Были проведены испытания этой технологии с передачей энергии на расстояние с мощностью 30 кВт. Эффективность передачи — 54%.

Недостатками такой технологии, прежде всего, является необходимость создания зон отчуждения, катастрофическая экологичность. (Только подумайте, что случится с птицей при попадании в зону излучения!)

Проблема энергообеспечения очень легко решается для привязных аэростатов. Полезная нагрузка размещена на борту привязного дирижабля. Энергетическое обеспечение осуществляется по кабелю с земли. При помощи челночной системы, можно снабжать аэростат несущим газом, можно доставлять аппаратуру, а можно и туристов.

При крейсировании на высоте 20 км и полезной нагрузке 200 кг общая масса системы составляет 4 т, масса троса — 2400 кг при длине 30 км. Трос выполнен из кевлара, и его диаметр составляет 9 мм. Наиболее критичным участком при подъеме аэростатов является участок 10−13 км.

Но «бесплатный сыр бывает только в мышеловке» и за все приходится платить. Платой будет создание зон отчуждения, в которых будет введен запрет на полеты других летательных аппаратов, так как при столкновении троса с самолетом последний будет просто перерезан. Это обстоятельство ограничивает применение привязных дирижаблей в центральной Европе, но может быть весьма перспективно в северной Европе, Америке и России, то есть в странах с большими территориями, но с относительно низкими потоками воздушного транспорта.

Все стратосферные платформы имеют практически одинаковую архитектуру: летательный аппарат играет роль вершины беспроводной широкополосной сети, обслуживающей заданный район. Например, в каждый момент времени один высотный дирижабль, расположенный над Москвой, сможет обслужить до десяти миллионов телефонных абонентов.

Успешная реализация проекта даст скачок в развитии информационных технологий. Можно сказать, что стратосферные платформы станут прорывным достижением для человечества, сравнимым с запуском первого спутника или появлением интернета.