В настоящее время продолжительность полета беспилотных летательных аппаратов ограничена в основном запасом энергии. Перевод на солнечную энергию позволит резко увеличить время пребывания БПЛА в воздухе.

Идея долговременного полета без использования топлива владеет не только умами конструкторов беспилотных аппаратов. С начала 1980-х годов строятся пилотируемые летательные аппараты, которые ставят все новые рекорды
Заветная мечта пилотов — беспосадочный кругосветный перелет с использованием солнечной энергии. Именно такую задачу поставила себе команда под руководством Бертрана Пикара, потомственного исследователя и искателя приключений, совершившего в 1999 году беспосадочное кругосветное путешествие на гибридном гелиево-тепловом аэростате Breitling Orbiter. Первые полеты летательного аппарата Solar Impulse («Солнечный импульс») запланированы на 2008 год
Группа студентов из израильского института Технион занимается разработкой нового БПЛА на солнечной энергии, который, как они ожидают, побьет официальный мировой рекорд 17-летней давности. Хотя «солнечная авиация» — явление далеко не новое, она еще находится в младенчестве
Работы, проводимые в Технионе и в других исследовательских центрах, начинают привлекать внимание авиационной промышленности, которая надеется со временем получить экологически чистые самолеты с большой продолжительностью полета
Представьте себе беспилотный летательный аппарат, летящий над облаками и питаемый солнечной энергией. Теоретически время полета подобного аппарата ничем не ограничено, и попытки создать «вечно летающий самолет» ведутся начиная с 1970-х годов. Вот лишь некоторые вехи этого пути
Helios — самый масштабный проект NASA, посвященный созданию самолетов на солнечной энергии
Его верхняя поверхность крыла была покрыта солнечными элементами, питающими двигатели в светлое время суток, а ночью энергию выдавали водородные топливные элементы
Земная атмосфера — чужеродная среда для швейцарского SkySailor, предназначенного для будущих исследований Марса
Подобный аппарат, питаемый энергией Солнца, сможет находиться в воздухе много месяцев

Первые шаги

Первым в мире БПЛА с солнечной энергоустановкой стал Sunrise I, который поднялся в небо 4 ноября 1974 года на полигоне Байсикл-Лейк военной базы Форт-Ирвин в Калифорнии. Аппарат построила американская компания Astro Flight, которая получила контракт от Lockheed на создание демонстрационного образца БПЛА на солнечной тяге. На крыльях Sunrise I установили 1000 солнечных элементов общей мощностью 450 Вт. Размах крыльев у Sunrise I был 9,75 м, вес — 12 кг, а практический потолок в безоблачный день — 6100 м. Через год в воздух поднялась улучшенная версия — Sunrise II, которая была оборудована 4480 солнечными элементами мощностью 600 Вт и весила всего 1,8 кг. С большей тягой и меньшей массой скороподъемность выросла до 90 м/мин, или 6,1 км/ч, а практический потолок должен быть составить 23 000 м (впрочем, проблемы с управлением значительно снизили эту величину).

Следующий этап солнечной авиации начался в 1980 году. Американская фирма AeroVironment при поддержке корпорации Dupont предприняла попытку создания пилотируемого самолета на солнечной энергии для перелета из Франции в Великобританию. Первый образец — Gossamer Penguin — был хрупким и обладал не слишком хорошими летными качествами. Второй вариант — Solar Challenger — весил 90 кг, а его крылья, размахом 14,3 м, были покрыты 16 128 солнечными элементами общей мощностью 2600 Вт. Потолок Solar Challenger составлял 3700 м, и в июле 1981 года он стал первым в истории самолетом, который пролетел 262 км от Парижа до британского Мэнстона, используя исключительно солнечную энергию.

Американские высоты

Успех Solar Challenger подстегнул интерес к использованию солнечной энергии в авиации. AeroVironment начала работу над проектом «Высотного солнечного беспилотного самолета» (High Altitude Solar, HALSOL), который впервые поднялся в небо в июне 1983 года. HALSOL представлял собой простое, очень легкое и прочное крыло с размахом 30 м, изготовленное из углепластика, кевлара, полистирола и обтянутое пленкой из майлара. Разработка проекта HALSOL проходила в режиме строгой секретности, летом 1983 года самолет осуществил девять полетов на военной базе Грум-Лейк в штате Невада (где в том же году проходили испытания легендарного самолета-«невидимки» F-117). На первом этапе HALSOL еще не оснастили солнечными элементами, для полетов использовали аккумуляторы и систему радиоуправления. Изучив аэродинамику модели, конструкторы пришли к выводу, что солнечные элементы еще недостаточно совершенны для этого проекта.

Потребовалось более 10 лет для того, чтобы проект вернули к жизни. Теперь им занялись люди из NASA. 11 сентября 1995 года солнечный самолет Pathfinder достиг высоты 15 400 м, установив таким образом новый рекорд для самолетов на солнечной энергии. Три года спустя появилась модификация Pathfinder Plus — с удлиненным крылом.

А 6 августа 1998 года этот самолет достиг высоты 24 445 м, рекордной для самолетов с винтовыми двигателями. Целью полета было оценить двигатель и солнечные элементы, а также аэродинамические и другие параметры для разработки самолета Centurion с потолком 30 000 м, который планировался на смену семейству Pathfinder. Одним из главных отличий версии Plus от обычной были новые, более мощные и эффективные (с КПД 19% против 14% у Pathfinder) солнечные батареи, разработанные калифорнийской фирмой SunPower.

В результате стало возможным увеличить максимальную мощность с 7500 Вт у Pathfinder до 12 500 Вт у Pathfinder Plus.

БПЛА следующего поколения — Centurion — легкий беспилотный самолет типа «летающее крыло» с солнечными элементами. Он стал хорошим примером того, как можно использовать солнечную энергию для длительных полетов на больших высотах. Размах крыльев Centurion (63 м) в два раза превышал размах Pathfinder (30 м). В 1998 году NASA провело испытания Centurion, а спустя год его модифицировали и переименовали в Helios, по имени греческого бога cолнца.

Helios — самый амбициозный проект NASA в области разработки солнечных БПЛА. С размахом крыла 75 м (больше, чем у Boeing 747!), 62 120 солнечными элементами и теоретическим потолком в 30 000 м, он стал вершиной 25 лет работы. Построенный фирмой AeroVironment, он использовался в программе «Самолет для исследований окружающей среды» ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology). На самом деле Helios — не совсем солнечный самолет, а гибрид: днем используется солнечная энергия, а ночью — топливные элементы. Аппарат разрабатывался как прототип для высотных БПЛА, которые могут летать очень продолжительное время и выполнять задачи по мониторингу окружающей среды, а также выступать в роли радиоретрансляторов в течение недель или даже месяцев без использования топлива и без загрязнения воздушной среды. Создатели поставили перед собой две серьезные задачи: продемонстрировать устойчивый полет на высоте около 30 000 м и достичь продолжительности полета более 24 часов (из них как минимум 14 часов на высоте более 15 000 м). Первая задача была практически выполнена: 13 августа 2001 года Helios поставил неофициальный рекорд высоты для самолетов без реактивных двигателей — 29 523 м. К сожалению, вторую задачу выполнить не удалось — 26 июня 2003 года во время испытательного полета в районе Гавайев Helios из-за проблем с системой управления вышел из-под контроля и упал в океан.

Европейские высоты

Европа заинтересовалась солнечной авиацией несколько позднее, но в последние годы быстро догоняет Америку, разрабатывая высотные солнечные БПЛА большого радиуса действия (High Altitude Long Endurance, HALE). Несколько перспективных проектов с солнечной двигательной установкой находятся в процессе работы, еще несколько — на стадии планирования. С 2000 года группа из Туринского политехнического университета из Италии совместно с группой из британского Йоркского университета разработала концепцию Heliplat. Это автономный самолет на солнечной тяге особо большого радиуса действия (Very Long Endurance Solar Powered Autonomous Aircraft, VESPAA).

Heliplat с размахом крыльев 70 м, летающий над большим городом и выполняющий функцию ретранслятора каналов связи, сможет покрывать территорию размером в 1000 км в поперечнике и, предположительно, обеспечивать поддержание почти полумиллиона каналов связи (этого должно хватить более чем для 8 млн абонентов, без учета передачи данных).

Подобные аппараты успешно могут выполнять роль «псевдоспутников», они расположены ближе к поверхности земли, более подвижны и стоят гораздо меньше, чем настоящие спутники. Причем совсем не обязательно они будут такими же большими, как Heliplat. Немецкий авиационно-космический центр (DLR) для тех же целей сейчас разрабатывает гораздо меньший самолет SOLITAIR с размахом крыльев всего 5,2 м. Его четыре солнечные панели смогут разворачиваться в сторону солнца с помощью небольших электроприводов.

Среди других разрабатываемых в Европе интересных проектов — легкий солнечный БПЛА Zephyr британской компании QinetiQ и сверхлегкий (2,5 кг) SkySailor, разрабатываемый университетом ETH в Цюрихе для возможных полетов в атмосфере Марса.

Идем на рекорд

В 1990 году Вольфганг Шапер из Германии установил мировой рекорд в полетах по кругу для малых радиоуправляемых БПЛА на солнечной энергии (категория F5). Рекорд Шапера (190 км) держится уже более 17 лет, но сейчас группа студентов института Технион разрабатывает аппарат, который, как они считают, станет новым рекордсменом.

В июле 2006 года группа провела испытания сверхлегкого БПЛА SunSailor, оснащенного 84 солнечными элементами с КПД 20% и общей мощностью 90 Вт, теоретически способного находиться в воздухе 11 часов. Во время первой попытки побить рекорд (это был седьмой по счету полет) аппарат пролетел всего 25 км и разбился из-за проблем в системе управления. Маленький экспериментальный беспилотник, сделанный Технионом, привлек интерес авиационной промышленности. Израильская корпорация IAI (Israel Aircraft Industries), один из крупнейших производителей БПЛА в мире, решила поддержать этот проект. Коллектив немедленно начал работу над вторым образцом, который назвали Son of SunSailor («Сын SunSailor»). Он поднялся в небо через два месяца. После 40-минутного испытательного полета стало понятно, что этот аппарат (улучшенная версия мощностью 140 Вт) вполне способен побить рекорд. Но очередная попытка 4 сентября 2006 года закончилась неудачей — аппарат тоже разбился. «Уже через несколько дней было начато строительство третьего аппарата SunSailor, — говорит Идан Регев, один из девяти студентов, которые начинали работать над этим проектом, а ныне сотрудник IAI. — После внесения всех исправлений наша группа уверена, что сможет побить мировой рекорд. Тем более у нас припасено еще несколько сюрпризов».

Впрочем, перед конструкторами все еще стоит множество проблем. «КПД солнечных элементов пока еще не слишком высок, всего около 20%. Для БПЛА этого, может быть, и достаточно, но для того чтобы солнечные элементы можно было использовать в гражданской авиации в широких масштабах, предстоит пройти еще долгий путь. При ярком солнце солнечные элементы с КПД 40%, полностью покрывающие крыло самолета, с трудом обеспечат потребности крейсерского режима маленького пилотируемого самолета, — объясняет Омри Ранд, декан факультета авиации и космонавтики института Технион. — Но даже для БПЛА одной только солнечной энергии недостаточно. В ночное время и даже днем аппарат должен иметь запасы энергии на борту. Если самолет летит выше облаков на небольшой высоте вокруг экватора, он не может всегда находиться в зоне, освещенной Солнцем, потому что Земля вращается быстрее, чем может лететь самолет с электродвигателем, поэтому аппарат, рассчитанный на круглосуточный полет, должен быть гибридным».

Солнечное будущее

По словам Омри Ранда, одна из целей проекта заключалась в том, чтобы инициировать лавину применения солнечных технологий во всех высокотехнологичных отраслях израильской промышленности: «То, что сегодня является достоянием исключительно авиационно-космической отрасли, завтра придет в каждый дом. Вспомните, что легкие конструкции из магниевых сплавов, установки для очистки воды и многие модели спортивной обуви пришли к нам из космической программы Apollo».

«Через пять лет мы увидим, как небольшие солнечные БПЛА военного и гражданского назначения проводят мониторинг больших территорий (лесов и сельскохозяйственных угодий), а также выполняют патрулирование, — добавляет Идан Регев. — Через десять лет мы станем свидетелями первых успешных гражданских высотных БПЛА большой дальности, которые будут выполнять функции спутников для наблюдений и обеспечения связи. В конечном счете, если солнечные элементы и устройства для хранения энергии будут развиваться такими же темпами, как сейчас, то я уверен, что через 50 лет гибридные солнечные БПЛА заменят большинство спутников».

Материал предоставлен интернет-журналом The Future of Things.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2007).