Солнечный экспресс: Вокруг света – на силе света

Нынешняя затея зародилась в голове сорокасемилетнего Пикара в то время, когда он занимался проектом Breitling Orbiter — воздушным шаром с гелием и горячим воздухом, на котором в 1999 году вместе с другим пилотом, Брайаном Джонсом, совершил первый в мире кругосветный перелет. «Все журналисты тогда говорили, что это последнее приключение в атмосфере, — говорит Пикар. — Но я не из тех, кто согласится с утверждением, что приключения закончились».

Хотя Breitling Orbiter не имел реактивного движителя, он требовал большого количества пропана, для того чтобы шар мог набирать высоту ночью. Пикар задался вопросом: а можно ли осуществить подобный перелет, вообще не сжигая никакого горючего? Он представил себе самолет, который, используя только солнечную энергию, самостоятельно взлетает, набирает высоту и находится в воздухе неограниченное время. Ночью самолет будет лететь, используя энергию, накопленную в бортовых аккумуляторах.

Летательные аппараты на солнечной энергии — не новость. В 1981 году самолет Solar Challenger — изобретение Пола Маккриди — перелетел через пролив Ла-Манш, а в 2001-м беспилотный самолет на солнечных батареях Helios, разработанный NASA, поднялся до высоты 29 500 м. Однако возможность оставаться в воздухе всю ночь — беспрецедентное техническое достижение. Будущий самолет должен собирать максимальное количество солнечной энергии, хранить ее в особо емких, легких аккумуляторах, суперэффективно превращать энергию в движущую силу и иметь минимальные аэродинамические потери. Когда все эти задачи будут решены, а компоненты самолета будут собраны вместе, то получится совершенный с инженерной точки зрения летательный аппарат. Даже одежда пилота будет сделана из специального, особо легкого, материала. Когда у Пикара зародилась эта идея, нужных технологий еще не существовало.

Однако это не поколебало его веру в то, что все получится. На авиасалоне в Ле-Бурже в июне этого года Пикар продемонстрировал концепт-макет своего детища Solar Impulse («Солнечный импульс»). Он надеется начать строительство аппарата в 2007 году и провести небольшие пробные полеты в 2008-м. Критическим моментом станет первый ночной полет. Когда этот этап будет пройден, начнется подготовка к более продолжительным полетам. Если все сложится удачно, то к 2010 году «Солнечный импульс» сможет облететь земной шар.

Пикар, отпрыск семьи известных исследователей, влюбился в небо и полеты в возрасте 16 лет, когда увлекся дельтапланеризмом и сверхлегкой авиацией в своей родной Швейцарии. В 1985 году Пикар стал чемпионом Европы по аэробатике на дельтаплане, а одно время ему принадлежал рекорд максимально достигнутой высоты на дельтаплане. В 1992 году его пригласили принять участие в первых трансатлантических соревнованиях на воздушных шарах. Пикар и его партнер-пилот победили, создав, таким образом, основу для будущего кругосветного проекта Breitling Orbiter.

Напряженный ритм жизни Пикара, который совмещал основную работу психиатра и психотерапевта с гонками на воздушных шарах, заставил отложить идею о солнечном самолете в дальний ящик на несколько лет. Но в 2003 году он смог закончить научное обоснование проекта, которое проводилось под патронажем швейцарской Федеральной политехнической высшей школы Лозанны, Ecole Polytechnique Federal De Lausanne — EPFL (швейцарский вариант МГТУ имени Баумана. — Редакция «ПМ»). В результате получился двухмоторный одноместный самолет с размахом крыла 80 м, как у Airbus А380, только массой в 300 раз меньше — всего две тонны, как автомобиль среднего размера. Окрестив будущий самолет «Солнечным импульсом», Пикар начал создавать международное объединение спонсоров, консультантов и ветеранов разработок в этой области, включающее Dassault Aviation, Европейское Космическое Агентство, EPFL. Консультанты помогали проводить термодинамические исследования проекта Breitling Orbiter. Пикар уже собрал четвертую часть необходимой для проекта суммы (40 млн. евро) и в 2007 году планирует силами 120 человек начать строительство, которое продлится полтора года.

После нескольких поправок концепция «Солнечного импульса» приобрела нынешний вид — стрекозоподобные обтекаемые формы с низко расположенной кабиной — для того, чтобы избежать срывов воздушного потока с крыла. «Изначально конструкция аппарата предполагала расположение кабины в носовой части фюзеляжа, как у мотопланера, — говорит Пикар. — Но с точки зрения аэродинамики такая компоновка была не очень удачной. В этом самолете все должно быть оптимизировано на 100 процентов — энергетическая цепочка, аэродинамика, проработка конструкции».

Вопрос, достижима ли мечта Пикара при существующих технологиях, остается открытым. Однако Пол Маккриди, ветеран и авторитет солнечного авиастроения, убежден, что Пикар должен попробовать. «Это будет нелегко, — говорит Пол, — однако я уверен, что у Пикара достаточно мозгов, чтобы сделать это». С того момента как Пикар набросал свой первый эскиз, единственное, что осталось в проекте неизменным, это солнце. В яркий день солнце несет большое количество энергии — в полдень в тропиках с одного квадратного метра площади теоретически можно получить 1,3 л.с. Но даже самые современные солнечные элементы имеют КПД 20−30%. Для того чтобы получить энергию, достаточную для работы двух электродвигателей по 20 л.с. каждый, огромные крылья «Солнечного импульса» будут покрыты солнечными панелями из монокристаллов кремния общей площадью 250м2 — то есть размером с теннисный корт. Для использования лучистой энергии, отраженной от поверхности Земли, и лучей солнца, падающих под небольшим углом при восходе и закате, нижняя поверхность самолета будет покрыта особыми солнечными элементами. Эти так называемые элементы Гретцеля, разработанные в Швейцарии, содержат двуокись титана и органические красители и располагаются внутри тонкой и гибкой полимерной пленки. «По сравнению с кремниевыми элементами они лучше работают при непрямом освещении», — утверждает Йан-Андерс Мансон, руководитель лаборатории полимерных и композиционных технологий EPFL.

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 общим весом около 380 кг. Остальная энергия пойдет на два высокоэффективных бесщеточных электродвигателя постоянного тока. Они будут разработаны швейцарской фирмой Etel, той самой фирмой, которая создавала электродвигатели для беспилотного космического зонда Huygens («Гюйгенс»), приземлившегося на Титане — спутнике Сатурна.

В течение дня «Солнечный импульс» будет подниматься на расчетную высоту 12 000 метров. Поддержание нормальных условий для человеческого организма на такой высоте требует дополнительной энергии и, что еще хуже, — увеличивает вес аппарата. По сравнению с беспилотным Helios, «Солнечный импульс» вынужден будет нести 150−200 кг дополнительной нагрузки в виде пилота, его вещей, систем жизнеобеспечения и спасательного оборудования. Для минимизации веса кабина должна иметь столько места, чтобы пилот мог сидеть или лежать согнувшись. Для снижения энергопотребления будут использованы наработки, полученные во время создания Breitling Orbiter. «Нам необходимо найти умные решения для потребления минимально возможного количества энергии, — говорит Андре Боршберг, генеральный директор проекта ‘Солнечный импульс'. — Например, вместо того, чтобы подогревать кабину, мы ее тщательно теплоизолируем. Для отвода влаги, выделяемой пилотом, мы планируем либо использовать силикагель, либо осушать воздух в системе активного наддува кабины».

Лаборатория интеллектуальных систем EPFL работает над «симбиозом», который обеспечит взаимодействие человека с самолетом. Биометрический костюм будет считывать физиологические параметры тела и передавать их на бортовой компьютер, следящий за состоянием пилота и его деятельностью. Например, если полет проходит штатно, система позволит пилоту спокойно отдыхать во время фазы глубокого сна и разбудит его тогда, когда потребуется непосредственное участие в управлении. А специальные приводы обратной связи дадут пилоту возможность «почувствовать» состояние самолета. «Если на одном крыле возникнет перегрузка, то пилот почувствует вибрацию или тепло в соответствующей руке, — объясняет Пикар. — Это позволит создать полное единение пилота и самолета».

«Солнечный импульс» не будет долго находиться на максимальной высоте. После захода солнца самолет начнет потреблять энергию из своих запасов — столько, чтобы пропеллеры продолжали вращаться. Кроме того, он будет использовать второй по важности запас энергии — гравитацию. Самолет будет плавно снижать высоту с соотношением 40:1 — это аэродинамическое качество, доступное на сегодняшний день самым лучшим планерам.

Для того чтобы добиться такого уровня эффективности, «Солнечный импульс» должен иметь очень большие, но очень легкие крылья. Helios добился малого веса за счет гибкой силовой рамы, которая, впрочем, сломалась в полете, после того как турбулентный поток вызвал ее колебания и изгиб. Разработчики «Солнечного импульса» планируют сделать конструкцию значительно более прочной, используя углепластик. Для снижения веса инженеры собираются встроить солнечные элементы непосредственно в несущую раму из композиционных материалов, что добавит прочности. «Наша цель, — говорит Мансон, — создать конструкцию, которая будет весить около 1,5 кг/м2». Это очень легкая конструкция. Для сравнения: самый современный композитный корпус победителя гонки «Кубок Америки» яхты Alinghi, который помогала разрабатывать EPFL, имеет удельный вес в пять раз больше.

Для снижения сопротивления воздуха самолет будет лететь на низких высотах со скоростью около 45 км/ч. Специально разработанные пропеллеры диаметром 3,66 м будут вращаться с небольшой скоростью — 500 об./мин. для большей эффективности. Черепаший темп движения помогает сохранить энергию, но при этом создает проблемы. Одна из них — рыскание по направлению движения. Когда самолет накреняется при заходе в поворот, элерон внешнего крыла создает большую подъемную силу, чем элерон внутреннего крыла. Чем больше подъемная сила, тем больше сопротивление, которое имеет тенденцию уводить нос самолета от нужного направления движения в повороте. Традиционное решение этой проблемы заключается в том, что нос самолета направляют в нужную строну с помощью руля направления на киле. (Изобретение этого приема сделало самолет братьев Райт первым управляемым самолетом в истории.) Однако огромный размах крыльев и малая скорость «Солнечного импульса» усиливают негативный эффект рыскания по направлению движения настолько, что, возможно, килевой руль будет неэффективен. «Это может стать камнем преткновения, — говорит Боршберг. — Частично проблему можно решить за счет конструкции элеронов, которые будут создавать одинаковое сопротивление на обоих крыльях».

Другим недостатком малой скорости самолета является то, что на кругосветный полет может потребоваться около 15 дней. Чем больше полетное время, тем больше требуется еды, воды и прочих запасов. Больший вес полезной нагрузки означает, что силовую конструкцию самолета придется сделать еще прочнее, а крылья — еще больше. Эти новые дополнения, в свою очередь, потребуют дополнительного усиления. Таким образом, нести полную нагрузку, достаточную для беспосадочного кругосветного перелета, может оказаться невозможным. В этом случае перелет разделят на пять этапов по два-три дня каждый. На сегодняшний день в команде «Солнечного импульса» три пилота: Пикар, Боршберг и Джонс (второй пилот Пикара во время полета на Breitling Orbiter), которые будут пилотировать аппарат на разных этапах перелета.

К концу светового дня «Солнечный импульс» будет снижаться до высоты 3000−4500 м, то есть ниже того уровня, где обычно формируются облака. Если во время восхода солнца самолет все еще будет бороться с плотной облачностью, то это может стать для него концом полета. Единственный вариант избежать этой неприятности — положиться на прогноз погоды и тщательно выбирать маршрут подальше от облаков.

Если метеорологический прогноз обещает облачность по курсу движения, то, возможно, самолету придется замедлить движение или даже временно вернуться назад. Для того чтобы максимально использовать преобладающие попутные ветры, придется двигаться с запада на восток. «Кроме того, — говорит Боршберг, — пилотам придется идти в южных широтах, обходя опасные штормы с помощью наземной службы. Лучше лететь чуть севернее 10 градуса широты, чтобы обойти "внутритропический фронт" в области экватора, где образуются многие штормы. Однако заходить дальше 20-го градуса северной широты нежелательно, потому что там могут быть горы, и кроме того, там меньше мощность солнечного излучения».

А если погодные условия сложатся идеально и «Солнечный импульс» успешно завершит свою амбициозную миссию? Даже автор проекта признаёт, что еще далек тот день, когда самолет на солнечной тяге сможет приносить реальную практическую пользу. Он предпочитает акцентировать внимание на том, что самолет покажет новые направления развития высоких технологий, которые снизят отрицательное воздействие человека на окружающую среду. «Это своего рода рекламная кампания источников возобновляемой энергии», — утверждает Пикар.

При всем том идея самолета с солнечной установкой, который может бесконечно долго находиться в полете, достаточно нова, и ее потенциал еще полностью не раскрыт. Наверное, когда-нибудь автономные солнечные аппараты будут работать как суборбитальные спутники связи, наматывающие круги высоко в атмосфере несколько месяцев подряд. А может быть, сами технологии подскажут такие новые пути их применения, о которых еще никто и не догадывается. Как замечает Боршберг: «Кто мог предположить в 1903 году, когда братья Райт пролетели на своем самолете 36 метров, что когда-нибудь самолет сможет перевозить по 800 человек через океан?»