Применение солнечных панелей в авиации

Лишь массовое внедрение многочисленных разработок ученых-исследователей в области авиации, авто- и судостроения и других жизненно важных областей человеческой жизнедеятельности позволят сказку сделать былью, воплотят в жизнь футуристические идеи использования солнечной энергии взамен привычных углеводородных видов топлива. Созданные в последнее время и прошедшие успешную апробацию прототипы солнечных устройств являются еще одним шагом к «солнечному» будущему каждого из нас.

4 ноября 1974 года можно считать началом эры солнечной авиации. Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с солнечной энергоустановкой Sunrise I, впервые поднялся в небо с полигона военной базы Форт-Ирвин в Калифорнии. Тысяча фотоэлементов было установлено на крыльях беспилотника. Вес летательного аппарата составлял 12 кг при размахе крыльев 9,75 м, а максимальная высота подъема в безоблачный день — 6100 м. Всего через год создателями Sunrise I, американской компанией Astro Flight, был построен улучшенный образец БПЛА на солнечной тяге — Sunrise II, оснащенный уже 4480 солнечными элементами общей мощностью 600 Вт и весом всего 1,8 кг. При большем значении тяги и существенно меньшей массе скорость подъема возросла до 6,1 км/час, а практический потолок по предварительным расчетам должен был составить 23 000 м (в реальности эта величина оказалась значительно меньше из-за проблем с управлением).

1980 год стал следующим этапом в развитии солнечной авиации. Американской фирмой AeroVironmen были предприняты попытки создания пилотируемого самолета на фотоэлектрических элементах для перелета из Франции в Великобританию. Первый созданный образец оказался неудачным, зато второй вариант — Solar Challenger — стал первым в истории самолетом, пролетевшим на солнечной энергии расстояние в 262 километра от Парижа до британского города Мэнстон.

Дальнейшее развитие науки и техники привело к созданию поистине удивительных летающих конструкций, ставших симбиозом лучших достижений как авиастроения, так и солнечной энергетики.

Продолжительность полета современных беспилотных летательных аппаратов ограничена, в основном, запасами топлива. Перевод на энергообеспечение от солнечных батарей позволит намного увеличить время пребывания в полете.

Компанией Boeing строится самый мощный из всех существующих ныне летательных аппаратов — солнечный беспилотный самолет, способный находиться в воздухе без посадки в течение 5 лет.

«Солнечный орёл» в представлении художника (изображение Boeing).

Размах крыльев SolarEagle поражает: 122 метра (для сравнения, у АН-225, которому до сих пор принадлежала пальма первенства, размах крыльев «лишь» 88,4 м). Вес SolarEagle будет составлять 1270 кг при грузоподъемности более 450 кг. Используя только энергию солнечных батарей, летательный аппарат сможет развивать скорость в пределах 100-115 км/час и подниматься на высоту более 18 км. Запроектированная длительность беспосадочного полета в 5 лет — это минимальный срок, предполагается увеличить продолжительность полета вдвое. Созданием двигателей этого гигантского солнцелета будет заниматься Центр перспективных электроприводов при университете Ньюкасла. Испытания моторов предполагается провести в ближайшее время, а первый демонстрационный полет готового прототипа рассчитывается совершить в конце 2013 — начале 2014 года.

Три мировых рекорда по продолжительности и высоте полета для летательных апппаратов своего класса было установлено уникальным беспилотным аэропланом на фотоэлементах Zephyr в июле 2010 года. Аэроплан Zephyr показал наибольшую высоту для своего класса — 21 652 м. Марафонский беспосадочный перелет над аризонской пустыней на высоте 18,5 метров занял 2 недели. Полеты в ночное время обеспечивались за счет энергии, накопленной в аккумуляторах в течение светового дня. Самолет может выполнять полеты при температуре окружающего воздуха от минус 75 до плюс 40 градусов Цельсия. Этот малогабаритный летательный аппарат весом всего 50 кг и грузоподъемностью 4 килограмма предполагается начать использовать в практических целях: для наблюдений за земной поверхностью или метеорологических исследований.

Несколько необычно для летательных аппаратов выглядит разработанный НАСА самолет на солнечных батареях, представляющий собой летающее крыло с вмонтированными в него 60 тыс. солнечных элементов. «Гелиос» представляет собой гибридный тип самолета, использующий днем энергию 62 120 солнечных ячеек, а ночью — топливных элементов. Способность летающего крыла совершать беспосадочные полеты продолжительностью в полгода и более, сделает его незаменимым для решения проблем телекоммуникации и приведет к удешевлению некоторых космических программ и появлению новых, прежде невозможных, ввиду высоких на них затрат. Размах крыла «Гелиос» составляет 75 метров, что больше чем у Boeing 747. «Гелиос» разрабатывался в рамках программы «Самолет для исследований окружающей среды», как прототип БПЛА, способных выполнять задачи по мониторингу окружающей среды, выступать в роли радиоретрансляторов, не загрязняя при полете воздушное пространство. Согласно расчетам максимальная высота полета должна была быть около 30 000 м, что и подтвердил первый испытательный полет, во время которого 13 августа 2001 года «Гелиос» поставил неофициальный рекорд высоты для самолетов без реактивных двигателей — 29 523 м. При отработке второй задачи — достичь продолжительности полета более 24 часов — во время испытательного полета из-за проблем с системой управления «Гелиос» вышел из-под контроля и упал в океан.

Идея долговременного полета на возобновляемой энергии, активно реализуемая в многочисленных проектах беспилотных летательных аппаратов, коснулась и создателей пилотируемых самолетов.

Sunseeker II. Солнечные батареи встроены в крылья самолет

Экспериментальные летательные аппараты, использующие новейшие инженерные решения и современные легкие композитные материалы, доказывают возможность использования небольших двигателей, для работы которых вполне достаточно будет энергии, вырабатываемой солнечными батареями. Инженер швецарской компании SolarFlight (Солнечный полет) Эрик Рэймонд в созданном им самолете Sunseeker II (Ищущий Солнце) для вращения лопастей пропеллеров в полете предусматривает использование энергии солнечных батарей, а для взлета и посадки, требующих повышенных мощностей, применение питания от аккумуляторов. Солнечные панели встроены в крылья и фюзеляж самолета, покрывая самолет почти полностью. Складывающиеся лопасти пропеллеров, дают возможность Sunseeker II планировать при попадании в подходящие воздушные потоки и тем самым экономить энергию.

Аккумуляторы также максимально приспособлены к условиям полета. При полной зарядке на земле в течение всего лишь полутора часов, они способны подзаряжаться и во время полета за счет избытка энергии солнечных батарей. Авторы проекта утверждают, что самолет рассчитан на беспосадочный полет в течение всего светового дня, а в случае сильной облачности наличие аккумуляторов всегда позволит запустить двигатели на полную мощность и подняться выше облаков, туда, где светит солнце. При отключенных аккумуляторах, когда самолет летит только за счет энергии солнечных батарей, его скорость, конечно, далека от скорости реактивных лайнеров и составляет всего 65 км/час. При включенных аккумуляторах скорость вдвое выше. На самолете Sunseeker II швейцарским пилотом и конструктором Эриком Раймондом был совершен перелет через Альпы, который явился первым опытом полетов такого рода. Несмотря на то, что Sunseeker II не первая модель пилотируемого самолета на солнечных батареях, однако это единственный летательный аппарат подобного типа, активно эксплуатирующийся.

Учитывая, что это одна из первых подобных разработок в мире, а также продолжающиеся эксперименты по использованию более мощных акумуляторов, двигателей, созданию более эффективных фотоэлементов, можно назвать Sunseeker II весомым вкладом в развитие современной авиации.

7 апреля 2010 года был совершен первый пилотируемый полет на солнечной тяге. Новейшие разработки в области авиатехники тесно взаимосвязаны с последними достижениями как в области материаловедения, так и «солнечных» технологий. Управляемый пилотом Маркусом Шерделемом самолет Solar Impulse провел в воздухе чуть более часа. Создатель солнцелета Бертран Пикар находился в это время на борту вертолета, летевшего рядом. Самолет Solar Impulse рассчитан на горизонтальный полет в темное время суток и использует при этом энергию, накапливаемую в литиевых аккумуляторах. После полета выяснилось, что энергии, запасенной в аккумуляторах хватило бы еще на 3 часа полета. В июле 2010 года солнцелет Solar Impulse совершил первый непрерывный круглосуточный полет.

Солнечные батареи размещены не только на крыльях, но даже на кабине «Импульса»

Вес созданного прототипа составляет 1,6 тонны, размах крыльев — 63,4 метра. 4 электромотора мощностью 10 лошадиных сил работают за счет энергии, генерируемой 12 тысячами фотогальванических элементов.

Проект Solar Impulse достаточно амбициозен и направлен прежде всего на популяризацию возможностей солнечной энергетики. Рекламный характер проекта подтверждает наличие в числе активно поддерживающих его приверженцев, таких известных личностей, как космонавт Buzz Aldrin или писатель Paulo Coelho.

На май 2011 года намечен кругосветный полет уникального солнцелета SolarImpulse вдоль тропика Рака. Перелет вокруг света произойдет в пять этапов. Двухтонная громадина с размахом крыльев 80м (как у гигантского аэробуса А-380) пересечет Атлантический океан и совершит беспосадочные трансконтинентальные перелеты, используя энергию лишь солнечного излучения. Для сравнения, вес аэробуса А-380 составляет 560 тонн, в то время как вес солнцелета SolarImpulse всего 2 тонны. Не только соображения аэродинамики стали причиной столь большого размаха крыльев. Ведь на них придется «расстелить» 250 кв. м тончайшей, в 130 микрон толщиной, пленки из монокристаллического кремния, которая послужит источником энергии этого удивительного летательного устройства. Энергией солнечных фотоэлементов будут заряжаться акккумуляторы, а от них, в свою очередь, будет подаваться электроэнергия к моторам солнцелета. Согласно расчетам, на каждый квадратный метр поверхности придется около 250 Вт энергии солнечного излучения. КПД фотоэлементов сравнительно невелик и, в общем, на электрические нужды солнцелета придется 12,5 кВт энергии (около 17 л.с.), причем, совершенно «чистой», без выхлопов и сжигания кислорода.

Проект Solar Impulse носит скорее демонстрационный характер и призван акцентировать внимание на экологической безопасности возобновляемого «топлива» — солнечной энергии, а также показать возможности солнечных технологий. Учитывая, что только в течение года в мире сжигаются миллиарды тонн углеводородного топлива, эквивалентного количеству нефти, образовавшемуся в природных условиях в течение 2 миллионов лет, понятно стремление разработчиков проекта стимулировать развитие возобновляемой и, прежде всего, солнечной энергетики.

Solar Impulse — это не первая попытка избавить человечество от нефтяной зависимости и сохранить природу для потомков. Еще в 1990 году, впервые в мире, самолет, работающий на созданной Sanyo солнечной батарее Amorton, успешно пересек Американский континент.

Уникальность проекта Solar Impulse в том, что это именно пилотируемый самолет на солнечной энергии, так как беспилотников на солнечных батареях выпущено уже немало.

Компанией LISA Airplanes разрабатывается еще один пилотируемый летательный аппарат Hy-Brid, использующий помимо энергии солнечных батарей, интегрированных в крылья, водород, баллоны с которым размещены непосредственно в кабине пилота прямо за его креслом. Меньшие, в сравнении с Solar Impulse, габариты Hy-Brid делают его вполне приемлемым вариантом для серийного производства.

Появление пассажирских и грузовых самолетов, работающих на солнечной энергии, станет вполне возможным в обозримом будущем, при условии достижения разработчиками Solar Impulse и Hy-Brid поставленных целей, что позволит изменить облик современной авиации аналогично автомобильной индустрии, активно движущейся в сторону возобновляемой энергетики и «чистых» технологий.

Развивая тему применения солнечных элементов в авиации, нельзя не упомянуть об интересном проекте создания полностью автономного 150-метрового гелиевого дирижабля High Altitude Airship американской корпорацией Lockheed Martin, работающем от фотоэлектрических генераторов мощностью 10 кВт.

Дирижабль, заказанный Пентагоном, предполагалось использовать для мониторинга воздушного пространства в радиусе свыше 500 км. Беспилотный аппарат длиной 152 м, объемом 1,5 млн.куб.м и грузоподъемностью около 2 тонн по расчетам должен был перемещаться со скоростью до 130 км/час, а также «зависать» на высоте 20 км (вне зоны действия вражеских ПВО), осуществляя слежение за летающими объектами (в том числе и крылатыми ракетами). Находиться в воздухе без посадки прототип дирижабля High Altitude Airship способен не менее месяца, а десяток таких летательных аппаратов, по расчетам создателей, сможет контролировать всю южную границу штатов с воздуха. Энергопотребление дирижабля составит 500 кВт и полностью будет обеспечиваться солнечными батареями.

Поскольку полет дирижаблей происходит на большой высоте и аппарат почти все время освещен солнцем, то идея размещения на довольно большой площади оболочки дирижабля солнечных батарей, можно сказать, лежит на поверхности.

В Японии в стадии разработки находится проект стратосферного дирижабля объемом 400 000 м3, площадью солнечных панелей 4400 м2 при мощности электродвигателей 513 кВт. Дирижабли на солнечной энергии меньшего размера уже запущены в производство.

Еще в марте 1999 года состоялся кругосветный беспосадочный полет на воздушном шаре «Breitling Orbiter 3», оборудование которого в течение трех недель полета полностью обеспечивалось электричеством от 20 фотоэлектрических модулей, подвешенных под корзиной. Модули были закреплены под оптимальным углом наклона, обеспечивающим поступление электроэнергии для зарядки пяти аккумуляторов для навигационных приборов, питания системы спутниковой связи, освещения и нагрева воды.