Беспилотник на солнечных батареях может серьезно потеснить спутники. Планируем планировать Самолет на солнечных панелях

Американская компания Titan Aerospace продемонстрировала прототип своего БПЛА на солнечных батареях, который, по заявлениям производителя, сможет находится в воздухе до 5 лет. Данный аппарат будет курсировать на высоте порядка 20 тысяч метров и вести фотосъемку поверхности или выполнять роль атмосферного спутника. Разработчики из Titan Aerospace готовы поднять в воздух первый свой летательный аппарат уже в 2014 году. Стоит отметить, что у их концепции может оказаться многообещающей будущее.

Традиционные космические спутники сегодня вполне неплохо справляются со своими обязанностями, однако у них существует ряд недостатков. К примеру, сами спутники стоят достаточно дорого, их вывод на орбиту также обходится в немалую сумму денег, к тому же их нельзя вернуть назад в том случае, если они уже введены в строй. Но американская компания «Titan Aerospace» выступает с альтернативой космическим спутникам, которая будет избавлена от всех этих проблем. Беспилотный высотный летательный аппарат под названием «Solara» предназначен для работы в роли «атмосферного спутника» – то есть для совершения автономных полетов в верхних слоях атмосферы Земли в течение достаточно длительного времени.

В настоящее время компания работает над двумя моделями беспилотника Solara. Первая из них Solara 50 обладает размахом крыльев в 50 метров, ее длина составляет – 15,5 метров, вес – 159 кг., полезная нагрузка – до 32 кг. Более массивный Solara 60 обладает размахом крыльев в 60 метров, он может брать на борт до 100 кг. полезной нагрузки. Хвост аппарата и верхние крылья покрыты 3 тысячами солнечных элементов, которые позволяют генерировать до 7 кВт*ч энергии в течение суток. На своей крейсерской высоте в 20 000 метров атмосферный спутник будет находиться выше уровня облаков, а значит он не будет подвержен влиянию погодных факторов. Собранная энергия будет запасаться в бортовых литий-ионных батареях, для того чтобы питать двигатель, автопилот, системы телеметрии и сенсоры в ночное время. Предполагается, что атмосферный спутник сможет работать полностью в автономном режиме, находясь в верхних слоях атмосферы Земли до 5 лет, а затем вернется на землю, так что его полезный груз можно будет вернуть, а сам аппарат – разобрать на запасные части.

Сообщается, что крейсерская скорость беспилотного аппарата будет составлять порядка 100 км/ч, а оперативный радиус – более 4,5 млн. километров. По мнению специалистов, беспилотник по большей части будет совершать полеты кругами над определенным участком земной поверхности. Такое применение включает в себя отслеживание объектов, наблюдение, картографирование в реальном масштабе времени, а также мониторинг погоды, сельскохозяйственных посевов, леса, мест происшествий, и вообще практически любых задач, с которыми может справиться обыкновенный низковысотный спутник.

Вдобавок ко всему специалисты Titan Aerospace говорят о том, что каждый беспилотник сможет обеспечивать сотовое покрытие сразу 17 тысяч квадратных километров земной поверхности, поддерживая связь более чем со 100 наземными башнями. В настоящее время американцы уже провели испытания уменьшенных моделей атмосферных спутников и надеются выпустить полноразмерные версии аппаратов Solara 50 и 60 позднее в 2013 году.

По предварительным оценкам экспертов, мультиспектральная съемка земной поверхности с использование аппаратов Solara обойдется всего в 5 долларов за квадратный километр: это сразу в 7 раз ниже расценок на спутниковые данные, обладающие сопоставимым качеством. Помимо этого, такие беспилотники смогут обеспечить услугами связи местность в радиусе 30 км., что вполне сопоставимо с современным мегаполисом наподобие Лондона или Москвы с большей частью их пригородов. В нормальных условиях на территории мегаполисов в подобной системе пока нет никакой необходимости, но в компании полагают, что их беспилотники могут пригодиться либо в случае возникновения экстренных ситуациях, либо в слаборазвитых государствах. В Titan Aerospace говорят о том, что их беспилотными аппаратами Solara уже заинтересовалась известная компьютерная корпорация Google, которая может использовать их в рамках собственного проекта Internet Africa.

Применение мобильных высотных аппаратов (аэростатов или самолетов) для ретрансляции радиосигналов было предложено уже достаточно давно, но практическое применение данной идеи было затруднено отсутствием подходящих источников питания. Аккумуляторы обладали слишком большим весом, а солнечным батареям не хватало КПД. Первые экспериментальные самолеты, оснащенные солнечными батареями, были спроектированы и построены НАСА в 1990-е годы, именно тогда данные летательные аппараты и получили неофициальное обозначение – «атмосферные спутники».

На сегодняшний день две вещи укрепляют Solara в роли атмосферного спутника. Первое – это высота его полета. Аппарат предназначен для полетов на высоте более 20 000 метров, что позволяет ему находиться практически выше всех возможных атмосферных явлений. Аппарат нависает над облаками и разнообразными погодными условиями, где окружающая среда и ветер, как правило, достаточно стабильны или, по крайней мере, очень предсказуемы. Находясь на такой высоте, в поле зрения беспилотника попадает сразу порядка 45 000 квадратных километров земной поверхности. Поэтому базовая станция сотовой связи, установленная на Solara, смогла бы заменить 100 таких станций на поверхности Земли.

Вторая очень важная вещь заключается в том, что аппарат работает от солнечной энергии. Все доступные поверхности на крыльях и хвосте беспилотника покрыты специальными солнечными панелями, а литий-ионные батареи смонтированы в крыльях. В течение дня Solara в состоянии сгенерировать внушительное количество энергии, которой вполне достаточно для того, чтобы оставить в батареях заряд, которого хватило бы на всю оставшуюся ночь. Так как беспилотный летательный аппарат на солнечных батареях не нуждается в дозаправке, он может находиться в воздухе до 5 лет. В это время он может либо кружить над одним местом, либо (если вы хотите, чтобы аппарат совершал дальние полеты) получить возможность пролететь расстояние порядка 4 500 000 километров с крейсерской скоростью чуть меньше 60 узлов (около 111 км/ч). При этом пятилетний срок полета аппарата обусловлен лишь жизненным циклом некоторых его компонентов, поэтому существуют все предпосылки к тому, чтобы данный беспилотник мог находиться в небе существенно дольше.

Немаловажное значение играет и возвращаемость аппарата. Если что-то пойдет не так, вы всегда сможете вернуть его назад, сохранив полезный груз и аппарат. Также Solara обещает стать гораздо дешевле классических спутников, хотя компания-изготовитель пока что не торопится раскрывать цены на свою новинку. Запуск подобных аппаратов в серийное производство открывает перед человечеством новые возможности вроде регионального Интернета или Google Maps с отображением карт в реальном времени. При этом появление беспилотника Solara не знаменует собой конца эры космических спутников, хотя и предоставляет нам выбор большего числа альтернатив.

Источники информации:
-http://gearmix.ru/archives/4918
-http://aenergy.ru/4126
-http://lenta.ru/news/2013/08/19/solar
-http://nauka21vek.ru/archives/52274

Электросамолеты, летающие за счет энергии солнечного света, — товар штучный. Каждый уникален и создается на частные инвестиции, скорее с имиджевыми и исследовательскими целями, чем с намерением запускать такой агрегат в серийное производство. Пожалуй, самые известные проекты в области солнечного воздухоплавания создают сейчас в Швейцарии — это самолеты SolarImpuls и SolarStratos . На первом из них три года назад облетел вокруг света Бертран Пикар, внук изобретателя стратостата Огюста Пикара. О SolarStratos «Чердак» уже — на нем швейцарские пилоты планируют подняться в стратосферу. Летом 2018 года американская компания Bye Aerospace испытала летательный аппарат StratoAirNet семейства Solesa — подобные самолеты, по мнению компании, можно будет использовать для военного патрулирования, картографирования и поисково-спасательных работ. Российский промышленный холдинг «РОТЕК» решил не отставать от мировых трендов и тоже занялся разработкой «солнечного» самолета. Проект получил название «Альбатрос».

Что полетит?

Проект «Альбатрос» состоит из двух этапов. Первый — создание и испытание летающей лаборатории фотовольтаики, которая соберет информацию о работе солнечных батарей, накопителей энергии и других систем во время полета. На втором этапе будет построен собственно, самолет, на котором пилот облетит вокруг Земли за пять дней, ни разу не приземляясь.

Летающая лаборатория — это немецкий моторный двухместный планер Stemme S12, оснащенный солнечными фотоэлементами, гибридной системой накопления энергии (суперконденсатор и литий-ионный аккумулятор) и научным оборудованием.

— В силу того, что это лаборатория, нам нужно было очень высокое аэродинамическое качество, чтобы летать долго, и достаточно места для размещения оборудования плюс возможность высоких полетов. Поэтому был выбран самолет, соединяющий в себе эти качества, — рассказывает председатель совета директоров АО «РОТЕК», руководитель проекта «Альбатрос», летчик Михаил Лифшиц. — Аэродинамическое качество этого планера 1-53 на сегодня лучшее в мире. Оборудование — нагрузочные устройства, измерительные системы, позиционирование — находится в заднем отсеке. Все, что касается науки и измерений, сделано в России. А платформа испытания немецкая.

Евгения Щербина / Chrdk.

Аэродинамическое качество можно примерно представить как расстояние, которое самолет способен преодолеть в штиль за счет одного только планирования. Его значение 1-53 означает, что самолет может с высоты одного километра планировать 53 километра, постепенно снижаясь. Например, альбатрос, умеющий ловить теплые восходящие воздушные потоки и за счет них долго парить над поверхностью океана, имеет аэродинамическое качество 1-20 — больше, чем у большинства самолетов. Дольше альбатроса могут планировать только некоторые бомбардировщики и специально спроектированные планеры, такие как «Вояджер», совершивший первый беспосадочный и без дозаправки перелет вокруг Земли.

По словам Лифшица, несмотря на то что конструкторы «Альбатроса» учитывают мировой опыт перелетов на электросамолетах, у них все же не оказалось достоверных данных о том, как ведут себя солнечные модули и накопители энергии при разных типах освещенности, на разных высотах и в разных климатических условиях, поэтому и возникла необходимость в летающей лаборатории.

— Есть научно-практические центры в Петербурге, Владивостоке, Москве, но там элементы фотовольтаики находятся на земле. Но вот сколько мы соберем на разных углах атаки, на разных положениях солнца, на разных широтах, высотах, при разных подстилающих поверхностях, в разное время суток? По сути, нет системного ответа. А чтобы спроектировать летательный аппарат правильно, нужно иметь расчетные базы. Поэтому мы спроектировали летающую лабораторию. Это первый этап проекта, и он уже уникален, потому что в мире настолько качественных исследований еще не было, — говорит Лифшиц.

Солнечные модули для самолета сделает российская группа компаний Hevel . Их КПД — 22,5% — не такой высокий, как у SolarStratos (24,6%), но выше КПД обычных монокристаллических кремниевых батарей (до 20%). Однако, по словам Лифшица, для полета гораздо важнее дневная выработка и способность ячеек работать в рассеянном свете, потому что обеспечить прямое солнечное освещение довольно проблематично. На «Альбатросе» будут использоваться не обычные монокремниевые фотоэлементы, которые используют на солнечных электростанциях, а гетеропереходные , более эффективные и способные работать в рассеянном свете. Подобные полупроводниковые фотоэлементы используют в конструкции космических аппаратов .

Солнечные модули закреплены как на верхней, так на нижней поверхности крыла планера-лаборатории, чтобы собирать отраженный от поверхности земли солнечный свет. От накопленных данных зависит облик будущего самолета, но уже сейчас ясно, что крылья ему нужны большой площади. Примерный размах крыльев самолета, который пока существует только на бумаге, — 30 метров.

Как полетит?

Сейчас лаборатория фотовольтаики проходит серию испытаний: уже прошли полеты в районе аэродрома «Северка» в Московской области, но планируются и перелеты по всей России. А с января 2019 года начнется проектирование самого летательного аппарата, «Альбатроса». К разработке двигателя авторы намерены привлечь конструкторов из Австралии и Британии. В полет «Альбатрос» отправится в 2020 году, пилотировать его будет известный российский путешественник Федор Конюхов. Сейчас он тренируется и учится на пилота планера и малой авиации в Белоруссии.

— Видите, мне 67 лет, а я все еще учусь, — смеется Конюхов. — К 2020 году, когда предстоит лететь на «Альбатросе», у меня уже будет много часов налета на обычных самолетах. Я знаю небо, я летал на воздушном шаре вокруг света.

Федор Конюхов перед стартом кругосветного полета на воздушном шаре «Мортон» Павел Ваничкин / ТАСС

Свою кругосветку российский «солнечный» самолет будет делать на высоте полета обычных пассажирских самолетов — около 11 километров. Скорость самолета будет достигать примерно 200-220 километров в час.

— На высоте, соответственно, 300 километров в час ветер и наша скорость 200 километров в час — вот и будем двигаться со скоростью примерно 500 километров в час, — рассуждает путешественник.

Данные о поведении ветра на разных высотах Конюхов собирал во время путешествия вокруг Земли на воздушном шаре — они тоже будут использованы при расчете полета «Альбатроса».

Предполагается, что днем самолет будет набирать максимальную высоту, а ночью несколько сотен километров планировать, к утру достигая отметки в 8-10 километров над уровнем моря. Большая высота для полета нужна не только из-за сильного ветра, но и потому, что на такой высоте нет гроз. Попадать в грозовые тучи очень опасно.

— Когда я летал на воздушном шаре, у меня была установка: «Ночью ты должен видеть звезды, днем — солнце. Если не видишь, значит ты падаешь», — говорит Конюхов.

Он также тренируется, чтобы выдержать пять дней почти неподвижного пребывания в маленькой кабине самолета. Отвлечься от управления и отдохнуть позволит автопилот. У путешественника также будет специальное жидкое питание, легкое и сбалансированное. На случай эвакуации на парашюте будет спускаться весь самолет.

Фото предоставлено пресс-службой фонда «Сколково»

Проводить полет планируется в Южном полушарии, так как в Северном слишком много суши и, соответственно, стран, с которыми пришлось бы договариваться о пролете в их воздушном пространстве, а это сложно. Так что большую часть пути под крылом «Альбатроса» будет океан. Сейчас авторы проекта договариваются с правительством Австралии для пролета над ней, также «Альбатрос» пролетит над Новой Зеландией, Чили, Аргентиной, Бразилией и ЮАР.

В том же 2020 году самолет SolarStratos тоже отправится в свой первый полет. Но, по словам Лифшица, никакой конкуренции у проектов нет. Швейцарцы планируют подняться на максимальную высоту в 25 километров, а полет будет длиться всего несколько часов. Для облегчения конструкции кабина самолета будет негерметичной, так что пилот проведет эти часы в скафандре, который, кстати, разрабатывает российское предприятие «Звезда». «Альбатрос» же будет находиться в полете пять дней, и пилот будет пребывать в герметичной кабине без скафандра.

Зачем полетит?

По словам Михаила Лифшица, для «РОТЭК» в проекте «Альбатрос» важна не финансовая, а скорее исследовательская составляющая.

— Понятно, что мы не первые, кто замахнулся на такой проект. Мы внимательно смотрели на то, что в мире происходило, начиная с Пикара, который облетел вокруг света. У него ушло на это два года, 17 посадок, каждая из которых была сопряжена с ремонтом самолета. После этого были попытки. Мы знаем об этих проектах, со всеми в той или иной степени дружим. И первое, что мы решили сделать, — это учесть их ошибки. Даже не столько ошибки, сколько попробовать сделать проект более прикладным, техническим, научным, — говорит летчик.

По его словам, серийное производство пилотируемых «солнечных» самолетов, способных облететь за раз вокруг Земли, никому не нужно. С коммерческой точки зрения перспективнее питаемые от солнца беспилотные летательные аппараты.

— Сейчас много проектов атмосферных и стратосферных спутников на солнечных батарейках, но пока они тащат только сами себя. Мы пытаемся сделать полноценный летательный аппарат с самой высокой полезной нагрузкой, — объясняет Лифшиц.

— Кроме того, с помощью такого аппарата можно будет обкатать некоторые технологии в сфере накопителей энергии, топливных элементов, новых покрытий и материалов, — добавляет к этому Олег Дубнов, вице-президент, исполнительный директор кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково».

Также создатели «Альбатроса» надеются, что успех проекта поднимет престиж страны и стимулирует развитие бестопливной авиации. Они рассчитывают, что в будущем автономные летательные аппараты заменят спутники в ряде отраслей, их можно будет использовать для мониторинга поверхностей океанов, лесов и земель сельского хозяйства.

— Этими полетами и решениями будет показано, насколько можно использовать солнечную энергетику сейчас, настало ли то время и достигли ли технологии того развития, когда это возможно делать, — говорит Дубнов.

В наше время учёные не забывают хотя бы раз в месяц упомянуть, что нефть заканчивается, газ на исходе, энергия атома опасна, и вообще, через двести лет человечество перейдёт на так как мировая экономика и производство встанут без топлива. В противовес этому в средствах массовой информации много статей о развитии технологий воздуха, воды, отходов животных и человека и другие разные варианты. Некоторые из них похожи на фантастику, иные имеют реальные технические наработки и уже вовсю используются, как, например, энергия солнца.

Солнечная энергия

Мы привыкли, что любимое светило дарит нам тепло и свет, помогает выращивать урожай, греет воду в озёрах, реках и морях. Но, помимо этого, энергия солнечных лучей может использоваться иначе. Уже несколько десятков лет назад на рынке появились калькуляторы с солнечной батарейкой. Сейчас этим никого не удивишь. Есть готовые проекты: по ним уже построены первые дома, которые обогреваются за счёт солнечной энергии и эксплуатируются в России в условиях зимы. Проект предусматривает резервное отопление, так как в наших краях солнце может закрыть тучами надолго.

Каждый обыватель может купить солнечные батареи, вот только цена очень кусается. Кроме того, дешевле получать энергию и тепло привычным способом. Однако в условиях отсутствия обычных источников энергии, например в далёких экспедициях или в космосе, солнечные батареи являются основными. В Европе жильцы частного сектора располагают их на крышах собственных домов и продают излишки электроэнергии своему же государству. А ведь Германия не самая солнечная страна. Плюс солнечной энергии ещё в том, что она возобновляемая. Хоть учёные и говорят, что Солнце не всегда будет светить, но, по сравнению с человеческой жизнью, наше светило вечно.

Самолёт на солнечных батареях

В наше время построили такое воздушное судно. Пусть оно не очень быстрое и манёвренное, зато его топливо ничего не стоит, вредных выбросов нет. расположены по всей поверхностям крыльев и самого корпуса. На испытательном перелёте самолёт преодолел 1541 км из Феникса в Даллас. Максимальная высота составляла 8200 метров, а средняя скорость - 84 км/ч.

Самолёт на пилотировал один из его создателей — Андрэ Боршерг. Этот перелёт - один из его очередных рекордов, ранее он совершил путешествие в 26 часов на этом же самолёте под названием Solar Impulse. Сейчас испытатель активно строит планы пересечь всю Америку, а потом совершить кругосветный перелёт.

Вся команда, которая создавала судно и готовила его к эксплуатации, старается сделать всё возможное, чтоб её работа максимально освещалась в средствах массовой информации. Ведь основная задача таких мероприятий - показать всему миру, что энергия солнечных лучей имеет большие перспективы и может максимально использоваться человеком.

История создания

Solar Impulse представляет собой планер с размахом крыльев в 63,4 метра, его масса - 1,5 тонны, имеет четыре электрических двигателя с общей мощностью в 7 киловатт. Предусмотрено, что освещение солнечных батарей может быть неравномерным. Больше четырёхсот кг приходится на литиевые аккумуляторы, которые заряжаются на стоянке. Любой прежний самолёт на солнечных батареях летал только за счёт подзарядки от солнца, аккумуляторы если и были, то небольшие.

Сейчас создан Solar Impulse 2, он гораздо крупнее своего предшественника, имеет больше солнечных ячеек — целых 17 тысяч. Размах крыльев - больше 70 метров. Его сделали из углеводородного волокна, чтобы уменьшить массу. Тем не менее он весит 2,3 тонны. Благодаря мощным аккумуляторам он может лететь в течение нескольких дней и ночей со скоростью от 50 до 100 км/ч.

Перспективы солнечного топлива

Существует огромное количество примеров использования солнечной энергии. Самый простой был показан ещё в советском фильме «3+2», где доктор физических наук выложил в зонтике зеркала и отражённым светом подогревал еду в котелке. Сейчас в науке развивается технология использования теплоизоляции, которая имеет поверхность, воспринимающую солнечную энергию.

По той же технологии уже выпускаются и работают установки для просушки сельскохозяйственных культур и обогрева домов. Чтобы не делать их слишком большими по площади, в поверхности нагревателей делают канавки, которые увеличивают площадь материала, воспринимающего солнечную энергию.

В регионах нашей планеты, где суровые зимы, большая часть энергии уходит именно на отопление. Для экономии энергии развивают пассивные солнечные системы, которые имеют большую площадь, обращённую к солнцу, собирают энергию и прогревают дом. Идея хороша, но сложна в исполнении. Дом должен иметь отличную изоляцию, необходимо регулировать вентиляцию, при использовании только солнечной энергии оптимальная температура в доме достигается только к середине дня, а летом в нём слишком жарко.

Самолёт на солнечной энергии является прекрасным примером нераскрытых возможностей. На нём установлен некий прототип пассивной системы. Но существуют и активные. В них нагревается вода или воздух. Уже потом они, как теплоносители, поступают в дом. Их проще контролировать, можно устанавливать на уже построенные дома, но их эффективность недостаточна для суровых зим России. Однако в гибридных системах при совмещении с привычными источниками энергии активные солнечные системы позволяют экономить до 60 процентов энергоносителей.

Солнцемобиль

Самолёт на солнечных батареях - это не единственный современный транспорт на таком типе энергии. Существует солнцемобиль, и даже не один. Каждый год в Швейцарии проводится соревнование между такими машинами, называется оно «Тур де сол». Гонка длится шесть суток. Каждый день участникам надо преодолеть от 80 до 150 км по дорогам Швейцарии и Австрии.

Несколько лет назад такой солнцемобиль совершил проезд через Россию. Оказалось, что его колёса не могут проехать по нашим просёлочным дорогам, и движение шло по магистралям. Россия велика, и не везде достаточно солнца. Но, несмотря на все трудности, солнцемобиль завершил свой маршрут. Максимальная скорость такого транспорта составляет 170 км/ч. Использование солнечной энергии в виде солнцемобиля получило ещё одно положительное подтверждение. В Европе некоторые модели уже вошли в серию.

Солнечные батареи. Цена. Производство

Солнечные батареи, по сути, являются фотоэлементами, которые преобразуют солнечную энергию. В фильме «Марсианин» они наглядно показаны, когда главный герой после катастрофы очищает их от пыли. В России они не пользуются популярностью и не производятся. Обычный минимальный частный заказ формируют на сумму от 9 тыс. рублей. Сами солнечные батареи, цена которых колеблется в зависимости от размеров товара, стоят от полутора тысяч рублей до 15 тыс.

Использование в России

В нашей стране солнце светит регулярно, но не очень сильно. Примеры использования солнечной энергии, изложенные выше, могут быть применены и на просторах нашей страны. К сожалению, эксплуатация батарей окупится только в долгосрочной перспективе. Но если учитывать не только количество денег, но и экономию природных ресурсов, то можно уверенно сказать, что эту технологию необходимо максимально развивать и активно использовать.