На энергии Солнца

Одно из перспективных направлений развития беспилотной авиации — высотные аппараты, работающие на солнечной энергии. Благодаря большой высоте и практически неограниченной продолжительности полета их иногда именуют «псевдоспутниками» или «атмосферными спутниками». Проекты, связанные с данной тематикой, имеются в нескольких технологически развитых государствах мира. Россия в их числе.

В нашей стране ведутся работы сразу по нескольким беспилотным аппаратам на солнечной энергии. Принцип действия беспилотных «псевдоспутников» состоит в том, чтобы при помощи панелей солнечных батарей получать электроэнергию за счет света Солнца в дневное время суток и запасать ее в аккумуляторных батареях для полета в ночное время.

Чтобы обеспечить оптимальные условия энергоэффективности, «солнцелеты» должны выполнять полеты на высотах выше коммерческого авиатрафика, там, где отсутствует облачность и минимальна ветровая нагрузка.

Предназначение таких беспилотных летательных аппаратов — самое широкое. Особенно они востребованы при решении задач, требующих длительных полетов. Например, барражируя над заданными районами, они могут обеспечивать разведку и наблюдение, обеспечивать покрытие территорий связью и т.д.

То есть работающие на солнечной энергии летательные аппараты способны взять на себя решение части тех задач, которые сегодня решаются космическими аппаратами спутниковой группировки, дополнив их или даже заменив.

При этом, в отличие от спутника, на таком аппарате в случае выхода из строя оборудования его можно заменить, вернув дрон на базу и проведя соответствующие ремонтные работы на земле. Таким же образом можно проводить и работы по модернизации.

«Сова»

Один из перспективных российских беспилотных «солнцелетов» — аппарат «Сова». Работы по этой теме велись компанией «Тайбер» совместно с Фондом перспективных исследований. В качестве демонстратора технологий, используемых в перспективном аппарате, реализована масштабная модель дрона.

Аппарат построен по многофюзеляжной схеме с крылом большого удлинения размахом 9,5 м. Конструктивные особенности беспилотника и использованные при его изготовлении материалы позволили создать аппарат взлетной массой порядка 11,8 кг.

Мощность солнечных батарей, панели которых установлены на верхней поверхности крыла, превышает 270 Вт. Емкость установленных на борту литий-ионных батарей — 1272 Вт/ч. Беспилотный аппарат может выполнять полет со скоростью порядка 9 метров в секунду, или более 30 километров в час.

На аппарате «Сова» реализована распределенная система управления с несколькими синхронизированными автопилотами. Это избавило от необходимости обеспечивать высокую жесткость крыла на изгиб и кручение и в итоге позволило добиться снижения массы летательного аппарата.

По информации компании-разработчика, использованные технические решения обеспечили устойчивость аппарата к атмосферным возмущениям благодаря активному контролю деформации элементов конструкции. Это, в частности, позволило осуществлять полеты в сложных метеоусловиях без риска разрушения аппарата из-за критического изгиба крыла.

Компания провела серию испытаний на активное удержание заданной формы конструкции в пределах неразрушающей деформации. Тестирование проводилось при относительно турбулентной погоде, высокой термической активности и скорости ветра у земли 5–8 м/с с порывами до 12 м/с.

В ходе летных испытаний аппарат был потерян. Несмотря на это проект получил в целом положительную предварительную оценку.

Ла-251 и Ла-252

Занимается тематикой высотных беспилотников на солнечной энергии и космическая фирма — НПО имени С.А.Лавочкина. Работы велись с 2012 года. Созданы по крайней мере два демонстратора технологий. Несколько лет назад компания впервые показала их на открытых мероприятиях.

Летательный аппарат Ла-251 конструктивно похож на «Сову». Полноразмерный беспилотник имеет размах крыла 15 метров и взлетную массу около 150 килограммов, треть которой приходится на панели солнечных батарей. Аккумуляторные батареи, установленные на борту беспилотного аппарата, имеют емкость около 7000 Вт/ч.

В конструкцию крыла интегрированы четыре мотогондолы с электродвигателями, вращающими тянущие воздушные винты. Скорость полета аппарата — до 35 км/ч. Выход на рабочую высоту производится на вторые сутки после взлета с земли.

В развитие первой версии «солнцелета» НПО имени Лавочкина создало второй беспилотный аппарат Ла-252. Он почти в полтора раза больше первого и во столько же раз легче. Размах крыла беспилотника составляет 25 метров, а взлетная масса — 115 килограммов.

Добиться улучшения весовых характеристик удалось за счет оптимизации конструкции, применения новых углепластиковых материалов, а также новых панелей солнечных батарей. Два двигателя, приводящие в движения тянущие винты, имеют суммарную мощность около 2400 Вт.

Ла-252 проектировался для выполнения полетов на высотах до 18–25 тысяч метров. Крейсерская скорость — 30 км/ч. Продолжительность полета может быть ограничена только ресурсом подсистем.

Оптимизация конструкции и энергетических параметров позволит иметь значительно более тяжелую полезную нагрузку — около 25 кг. Во время полета дрон может вести наблюдение за территорией площадью в 900 кв. км.

Сообщалось, что Ла-251 и Ла-252 прошли цикл летных испытаний на подмосковных аэродромах. Насколько известно, беспилотный аппарат Ла-251 в ходе испытаний выполнил 32 полета, наибольшая длительность пребывания в воздухе составила 72 часа, то есть трое суток.

Предварительно обе модели получили положительное заключение, в том числе от Воздушно-космических сил и Военно-морского флота, что дает разработчикам надежды на дальнейшее развитие данной темы.

Перспективы «солнцелетов»

Беспилотные аппараты, выступающие в роли атмосферных спутников, должны обладать рядом выдающихся характеристик. Как связанных непосредственно с планером, так и с используемыми на беспилотнике подсистемами, включая двигатели, панели солнечных батарей, аккумуляторы, системы связи и полезной нагрузки.

В технологически развитых государствах на протяжении последних нескольких десятков лет ведутся работы по созданию аппаратов, способных выполнять длительные полеты на больших высотах с использованием солнечной энергии. Возможность реализации подобных технических систем на практике уже доказана.

За рубежом существует несколько проектов перспективных высотных аппаратов  на солнечных батареях. Среди них Zephyr компании Airbus Defence and Space (ранее QinetiQ); Odysseus корпорации Boeing (после приобретения компании Aurora Flight Sciences); проект компании AeroVironment, действующей совместно с SoftBank, и некоторые другие.

Вместе с тем широкому распространению беспилотных «солнцелетов» мешает ряд нерешенных технических вопросов.

Во-первых, недостаточный коэффициент полезного действия солнечных батарей — всего до 20–24% у серийно производимых изделий. Однако потенциал для его повышения имеется, и в перспективе можно ожидать по крайней мере удвоения КПД солнечных батарей.

Вторая проблема — недостаточная удельная энергоемкость аккумуляторов. Она достигает 200–250 Вт·ч/кг у используемых литий-ионных аккумуляторов, которые к тому же подвержены воздействию среды. Здесь также есть надежды на улучшение показателей. Их, в частности, связывают с результатами экспериментов с литий-диоксид-углеродными и литий-серными источниками электроэнергии.

Еще одно узкое место — несовершенство конструкции летательных аппаратов, оптимизированных для выполнения задач, характерных для «атмосферных спутников». Испытания, в частности, показали, что серьезное негативное влияние на аппарат в полете имеют ветер у поверхности земли и осадки.

В этом вопросе перспективы связываются с новыми композиционными материалами, а также с новыми конструкторскими схемами. Предполагается, что современные методы проектирования и моделирования, позволят значительно ускорить процесс разработки.

Продвижение даже в одном из этих направлений способно дать существенный выигрыш. Улучшение же по всем направлениям позволит реализовать концепцию беспилотных атмосферных спутников в полном объеме, сделав ее работоспособной в различных широтах и расширив диапазон погодных условий применения.