Текст книги "100 великих рекордов транспорта"

Автор книги: Станислав Зигуненко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 31 (всего у книги 32 страниц)

Самолеты на солнечной энергии

Разочаровавшись в атомолетах, команда инженеров и ученых строит ныне самолет, способный пролететь вокруг Земли без посадки, используя лишь энергию солнца. Два смельчака намерены вверить свои жизни 60-метровым крыльям и двум электродвигателям, установленным на хвостовом оперении машины.

В марте 1999 года швейцарец Бертран Пиккар и англичанин Брайан Джонс уже совершили первое в мире успешное беспосадочное кругосветное путешествие на воздушном шаре «Breitling Orbiter 3».

Беспилотный самолет НАСА «Гелиос»

После успешного приземления кабину-капсулу их воздушного шара установили в Смитсоновском аэрокосмическом музее в Вашингтоне, неподалеку от «Аполлона» и знаменитых самолетов братьев Райт (первый моторный полет), Чарлза Линдберга (первый перелет через Атлантику на самолете) и Чака Егера (первое преодоление звукового барьера).

Тот же вызов возможностям человека, только теперь в сочетании с актуальной и модной заботой об окружающей среде, читается в новом проекте Пиккара – «Солнечный импульс». Самолет должен использовать только солнечную энергию, а ночью лететь на аккумуляторах.

Причем авторы проекта утверждают, что установление нового авиарекорда – не самоцель. Главное – привлечь внимание людей к проблеме широкого применения возобновляемых источников энергии.

Идеологический предшественник «Солнечного импульса» – беспилотный самолет NASA «Гелиос», который разбился летом 2003 года. В том полете на «Гелиосе» испытывали специальные топливные элементы. Они должны были днем накапливать электроэнергию, идущую от солнечных батарей путем разложения воды на водород и кислород. Водород запасали в баллоне, чтобы использовать его ночью или просто в плохую погоду.

Точные причины аварии «Гелиоса» не установлены, тем не менее Пиккар настроен оптимистично и замахнулся сразу на постройку пилотируемого «наследника» безвременно погибшего «Гелиоса».

В 2004 году партнеры намеревались построить первый образец самолета, а в 2006-м – поднять его в воздух. В 2007 году создатели «Импульса» предполагали научить его держаться в воздухе целую ночь в рамках 36-часового полета.

Если все пойдет удачно, мечтали конструкторы, то в том же 2007 году у первого самолета появится близнец, и обе машины начнут готовить к сверхдальним полетам, которые ориентировочно состоятся в 2009 году. Однако 2007 год миновал, а длительные полеты пока так и не состоялись. Сказались технические проблемы, посложнее создания компьютеризированного жилета, который по идее позволит Пикару чувствовать самолет буквально всем телом. Силовое напряжение в каком-либо крыле вызовет пропорциональное давление на соответствующую сторону корпуса пилота. И, напротив, машина будет ощущать самочувствие человека и даст ему знать, если тот испытывает утомление, стресс и тому подобное. В общем, полное взаимопонимание человека и самолета – залог успеха миссии.

Пока же конструкторы продолжают эксперименты с беспилотными «солнечными самолетами». Так, сверхлегкий летательный аппарат НАСА «Патфайндер плас» будет способен оставаться в воздухе и выполнять научные полеты на протяжении почти месяца.

Оставаться в воздухе ночью ему помогают новые литий-полимерные аккумуляторы. Аккумуляторы заряжаются днем во время полета на высоте около 19,5 км с помощью новых, более эффективных солнечных элементов «Санпауар».

По сравнению с предшественником – аппаратом «Патфайндер» – размах крыльев новой машины увеличен на 6 м и достигает 36 м. Причем и «Патфайндер плас» по плану станет очередным шагом на пути к созданию дистанционно управляемого летательного аппарата на солнечной энергии «Центурион» с размахом крыльев уже в 72 м.

В ходе полетов «Патфайндера» был установлен новый мировой рекорд высоты в 21 405 м для самолетов с винтовой тягой. С помощью «Патфайндер плас» создатели аппарата надеются установить новый рекорд в 30 000 м.

Следующий этап – полет вокруг Земли – Пикар и его команда намерены осуществить с помощью летательного аппарата «Solar Impulse» («Солнечный импульс»), первые полеты которого запланированы на конец 2009 года. Экспериментальные полеты – если все пойдет, как надо – намечены на ближайшие три года.

«Мы собираемся лететь вокруг земного шара в направлении с запада на восток (потому что так ночь короче и ветры попутные), – рассказал журналистам на пресс-конференции Бертран Пикар. – Максимальная скорость летательного аппарата – около 70 км/ч, размах его крыла – 61 метр, масса – 1600 кг, причем четверть веса приходится на солнечные батареи из монокристаллического кремния толщиной 130 мкм и общей площадью 250 кв. м…»

Для начала «Солнечный Импульс» должен облететь нашу планету по тропику Рака с пятью посадками. Схема полета примерно такая. Днем пилот набирает максимальную высоту, заряжая попутно литиевые аккумуляторы в крыльях общей массой в 450 кг. Ночью накопленная энергия будет питать двигатели суммарной мощностью всего 12 л.с., совсем как у первого самолета братьев Райт. Более мощным движкам просто не хватит энергии, вырабатываемой «солнцечувствительным» крылом. И то до утра самолет останется в воздухе лишь в том случае, если треть темного времени будет неспешно планировать с высоты 8,5 км до 3 км на выключенных моторах.

«Каждый рассвет мы будем встречать с неописуемым облегчением», – пророчит Бертран Пикар, один из основателей проекта и будущий пилот «Solar Impulse».

Кстати, установление рекордов – это у Пикаров семейное дело. Дед Бертрана Огюст Пикар, был первым человеком, поднявшимся в стратосферу в собственного изобретения герметичной корзине воздушного шара в 1931 (на 15 780 м) и 1932 (на 16 201 м) годах. Сын Огюста и отец Бертрана Жак первым из людей побывал на дне Марианской впадины. Сам Бертран уже облетел вокруг света на аэростате за девятнадцать дней.

Посадки обусловлены необходимостью смены пилотов, каждый из которых может находиться в полете не больше четырех-пяти суток подряд. «При этом каждому из нас, видимо, придется спать 15—20 минут каждый час, доверив управление самолетом автопилоту, – рассказал пилот Андре Боршерг. – Говорят, так умеют спать разведчики, придется, видимо, и нам тому научиться…»

Построенный самолет команда Пикара предполагает использовать только для тренировок. После накопления необходимого опыта будет построен второй самолет, возможно, еще больших размеров, с размахом крыла более 80 м. Вот на нем швейцарцы и планируют осуществить кругосветку, возможно, даже без промежуточных посадок.

Ну а что же наши конструкторы? По имеющимся у нас сведениям пока что их разработки не поднимаются выше создания экспериментальных авиамоделей с фотоэлементами, которым до рекордов, ох, далеко! Причина нашего отставания банальна – нет денег, соответствующих материалов и оборудования. Ведь на сооружение «Солнечного импульса» ушло около 70 млн евро, полученных от спонсоров, были использованы самые современные материалы.

Или, может, наши сведения неточны и где-то в нашей стране все-таки создается солнцелет с небывалыми характеристиками? Ау, энтузиасты!..

Пока же мы можем отметить, что самый первый в мире беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с солнечной энергоустановкой, разработанный конструктором Р. Боушером из компании Astro Flight по контракту с ARPA (исследовательским агентством Пентагона), поднялся в воздух 4 ноября 1974 года на полигоне Байсикл-Лейк военной базы Форт-Ирвин в Калифорнии.

Крылья «Sunrise I» были обклеены 4096 фотоэлементами, дававшими суммарную мощность 450 Вт. Этого оказалось достаточно, чтобы аппарат с размахом крыла 9,75 м и массой 12 кг достиг высоты 6100 м.

Спустя год в воздух поднялся «Sunrise II», имевший 4480 фотоэлементов, дававших уже мощность 600 Вт. Но весила данная модель, благодаря использованию новейших композиционных материалов, всего 1,8 кг. Конструкторы надеялись, что аппарат поднимется на высоту 23 000 м, однако проблемы с управлением так и не позволили достичь этого.

Следующим «птенцом» солнечной авиации стал «Gossamer Penguin», построенный в 1980 году конструкторами американской фирмы AeroVironment при поддержке корпорации Dupont. По идее этот пилотируемый самолет должен был перелететь через пролив Ла-Манш из Франции в Великобританию. Однако «птенец» оказался хрупким и летал плохо. Пришлось его в значительной степени усовершенствовать.

Второй вариант – «Solar Challenger» – весил 90 кг, а его крылья, размахом 14,3 м, были покрыты 16 128 солнечными элементами общей мощностью 2600 Вт. В июле 1981 года он стал первым в истории самолетом, который пролетел 262 км от Парижа до британского Мэнстона, используя исключительно солнечную энергию.

Успех, достигнутый Solar Challenger, подогрел интерес к созданию еще более совершенных солнцелетов. Так, сотрудники корпорации AeroVironment начали работу над проектом «Высотного солнечного беспилотного самолета» (High Altitude Solar, HALSOL). Он представлял собой очень легкое и прочное крыло размахом 30 м, изготовленное из углепластика, кевлара, полистирола и обтянутое пленкой из майлара.

Разработка проекта HALSOL проходила в режиме строгой секретности. А потому, когда летом 1983 года самолет начал летать в районе военной базы Грум-Лейк в штате Невада, то наряду с самолетом-«невидимкой» F-117 добавил несколько новых фактов в летопись НЛО.

Впрочем, после десятка полетов испытания пришлось прервать. Дело в том, что поначалу для HALSOL не нашлось фотоэлементов достаточной эффективности и для полетов использовали бортовые аккумуляторы. А их тяжесть и громоздкость не позволила выявить аэродинамические характеристики аппарата в полной мере.

Прошло более 10 лет, прежде чем проект вернули к жизни специалисты NASA. Они поставили на аппарат космические фотоэлементы, и 11 сентября 1995 года солнцелет «Pathfinder» установил рекорд, достигнув высоты 15 400 м.

А еще спустя три года новая модификация «Pathfinder Plus» – с удлиненным крылом – поставила новый рекорд, достигнув 6 августа 1998 года высоты 24 445 м.

Впрочем, специалистов интересовал не столько сам рекорд, сколько эффективность нового поколения фотоэлементов, которые предполагалось использовать при разработке самолета «Centurion» с практическим потолком в 30 000 м.

Благодаря сотрудникам калифорнийской фирмы SunPower, сумевших повысить КПД фотоэлементов до 19 %, удалось увеличить и мощность моторов с 7500 Вт до 12 500 Вт. А когда еще и размах крыла увеличили с 30 до 63 м, стало понятно, что «Centurion» представляет собой беспилотный самолет, пригодный к практической работе.

В 1999 году «Centurion» переименовали в «Helios», no имени греческого бога солнца, модифицировали его еще раз, увеличив крыло до 75 м (больше, чем у «Boeing 747») и разместив на нем 62 120 фотоэлементов. В итоге получился аппарат, который официально назвали «самолет для исследований окружающей среды» или ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology).

На самом деле «Helios» готовили для разведывательной работы, а потому он должен был летать не только днем, но и ночью. С этой целю его оснастили еще и топливными элементами, питавшими моторы в ночное время суток. Кроме того, такой БПЛА мог бы также выступать в роли радиоретранслятора, заменяя спутники связи, использоваться для наблюдений за погодой и т.д.

Однако всем этим планам не суждено было сбыться. Правда, 13 августа 2001 года «Helios» поставил неофициальный рекорд высоты для самолетов без реактивных двигателей, достигнув высоты 29 523 м. Однако спустя две недели, 26 июня 2003 года, во время очередного испытательного полета на «Helios» вышла из строя система управления, и он благополучно рухнул в океан в районе Гавайев.

Тем не менее достигнутого оказалось достаточно, чтобы солнечной авиацией всерьез заинтересовалась и Европа. Так в в начале нынешнего века группа специалистов Туринского политехнического университета (Италия) совместно с коллегами из британского Йоркского университета сконструировала Heliplat – летательный аппарат на солнечной тяге особо дальнего радиуса действия (Very Long Endurance Solar Powered Autonomous Aircraft или VESPAA).

Они полагают, что «Heliplat» с размахом крыльев 70 м, летая над большим городом, сможет выполнять функцию ретранслятора каналов связи, покрывая территорию размером в 1000 км в поперечнике, чего должно хватить для обмена звонками по сотовой связи около 8 млн абонентов плюс Интернет и системы спецсвязи.

Впрочем, экономные немцы полагают, что на роль «псевдоспутников» вполне годятся и куда меньшие летательные аппараты, чем «Heliplat». Например, Немецкий авиационно-космический центр (DLR) для тех же целей разрабатывает самолет «SOLITAIR» с размахом крыльев всего 5,2 м. При этом они ориентировались на разработку авиамоделиста Вольфганга Шапера, которые еще в 1990 году установил мировой рекорд в полетах по кругу для малых радиоуправляемых моделей на солнечной энергии (категория F5). Рекорд Шапера – 190 км – держится уже более 17 лет.

Впрочем, ныне на него замахнулась группа студентов института Технион из Израиля, которая разрабатывает новый летательный аппарат-рекордсмен. В июле 2006 года студенты уже провели первые испытания сверхлегкого БПЛА «Sun Sailor», оснащенного 84 солнечными элементами с КПД 20 % и общей мощностью 90 Вт. Правда, во время первой попытки побить рекорд аппарат пролетел всего 25 км и разбился, опять-таки из-за проблем в системе управления.

Однако студенты не пали духом и, заручившись финансовой поддержкой корпорации IAI (Israel Aircraft Industries) – одного из крупнейших производителей БПЛА в мире – за два месяца построили «Son of Sun Sailor» («Сын Sun Sailor»). Однако и этот аппарат разбился 4 сентября 2006 года.

Ныне в работе уже третий образец, который, как полагают его создатели, наконец-таки побьет рекорд Шапера. Кроме того, судя по слухам, израильские конструкторы замахиваются на большее. В их планах значится кругосветный полет такого аппарата.

Понятное дело, американцы тоже не успокоились на достигнутом. И после гибели аппарата «Helios» NASA стало разрабатывать проект беспилотника «Vulture» («Гриф»), который, по идее, будет способен оставаться в воздухе в течение пяти лет.

Как будут подвигаться работы над этим проектом, мы вам еще расскажем. Пока же можем добавить, что, согласно техническому заданию, «Vulture» должен довольствоваться 5 кВт энергии, непрерывно работать в течение пяти лет и поднимать в стратосферу оборудование массой до 500 кг. По плану летательный аппарат должен быть принят на вооружение к 2015 году. Причем для пущей надежности, говорят, конструкция «Vulture» будет модульной, предполагающей быструю замену целых блоков резервных топливных элементов прямо в ходе полета.

Такие разведчики, по мнению экспертов, могут пригодиться не только на Земле, но и, скажем, на Марсе. Несколько проектов марсианских самолетов уже обнародовало NASA. Не дремлют и европейцы. Так, сверхлегкий (2,5 кг) «Sky Sailor» разрабатывается сотрудниками университета ЕТН в Цюрихе.

Солнцелетами уже поставлен и целый ряд рекордов. Так, в июле 2010 года аппарат «Zephyr» пробыл в воздухе 336 часов 221 минуту. А на май 2011 года намечено осуществление кругосветного полета. Осуществить его должен солнцелет «Solar Impulse», созданный командой Лозаннского федерального политехнического института под эгидой всемирного известного Бертрана Пикара. Ну да, того самого, что уже совершил кругосветный воздушный полет на воздушном шаре.

По ходу маршрута запланировано пять посадок, которые необходимы для смены экипажей, состоящих из двух пилотов. Каждый этап полета рассчитывается на 3—4 суток – больше выдержать пилоты просто физически не в состоянии.

В полете – «ЭКИП»…

В нашей стране вот уже второй десяток лет создается принципиально новый летательный аппарат, которому для приземления и взлета не требуются дорогостоящие бетонные взлетно-посадочные полосы.

Между тем современные самолеты, как уже говорилось, все тяжелеют. «Антей», к примеру, берет на борт 80 т груза, но и сам весит 450 т. Эксплуатация таких гигантов связана с немалыми трудностями. Их колеса оказывают столь большое удельное давление на грунт, что взлетно-посадочные полосы приходится покрывать слоем прочнейшего бетона, толщина которого приближается к метру.

В результате стоимость строительства и обслуживания подобных сооружений составляет более половины всех расходов на тяжелую авиацию. Впрочем, дело не только в деньгах. Серьезную озабоченность вызывает и безопасность полетов. Случись с такой машиной что-либо в воздухе вдали от аэродрома – это верная катастрофа: ведь приземлиться он может только на бетонную полосу.

Именно поэтому давно уже предпринимаются попытки создать крупные машины, способные садиться на обычный грунт. Конструкторы прибегают к разным хитростям. К примеру, предлагают заменить колесные шасси посадочными устройствами на принципе воздушной подушки. По идее, такое шасси позволяет сажать тяжелый самолет даже на вспаханное поле.

Впервые такая машина была испытана в нашей стране еще в 1940 году. Она могла садиться чуть ли не на болото, но размеры и вес посадочного устройства, заменившего колеса, оказались неприемлемо велики. От затеи пришлось отказаться.

Серьезна для авиации и еще одна проблема – минимального веса машины при достаточной ее прочности. У самолетов традиционного типа есть ахиллесова пята – концентрация сил в корнях крыльев – местах, где они соединяются с фюзеляжем. Освободиться от этих сил пытались неоднократно. Еще в 1918 году немецкий авиаконструктор X. Юнкерс получил патент на «свободнонесущее крыло», в котором размещались двигатели, топливо, пассажиры и грузы. Их вес равномерно распределялся по длине крыла, и его удавалось сделать достаточно легким. Фюзеляж же заменяли балки, несущие только хвостовое оперение, необходимое для придания машине устойчивости.

Летательный аппарат нового типа российской фирмы «ЭКИП»

Наш авиаконструктор Б.И. Черановский в 1920 году предложил пассажирский самолет, представлявший собой «летающее крыло». В плане оно имело форму параболы, что позволяло надеяться на устойчивый полет без хвостового оперения и даже без намека на фюзеляж. Ожидалось, что равномерное распределение нагрузок и гладкая, без выступающих элементов обшивка обеспечат прекрасную аэродинамику машины. Но эксперименты на моделях показали – толстое и широкое крыло малого удлинения имеет очень высокое лобовое сопротивление и плохую устойчивость. Так что проект остался неосуществленным.

Все эти проблемы с блеском решены в новом летательном аппарате, основы конструкции которого были заложены профессором Н.Л. Щукиным еще три десятка лет тому назад.

Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о новом летательном аппарате, вспомним, что еще в XVIII веке французский математик Ж.Л. д’Аламбер теоретически обосновал парадоксальное утверждение, которое в упрощенном виде звучит так: при отсутствии сил вязкости сопротивление движению тела в несжимаемой жидкости равно нулю. При скорости, близкой к половине звуковой, сжимаемость воздуха почти не принимает участия в создании сопротивления, а вот про вязкость этого не скажешь. Тут она – корень зла.

На муху, севшую на мед, вязкость оказывает непосредственное силовое воздействие. По отношению к крупному самолету, летящему с дозвуковой скоростью, вязкость выполняет функции в основном «управленческие». То есть она перераспределяет обтекающие его потоки воздуха, и вступающие в действие силы инерции воздушных масс начинают создавать мощное сопротивление. Подчеркнем еще раз, что чисто вязкостные силы составляют весьма малую часть этого сопротивления. Например, у самолета с шириной крыла 2 м и летящего со скоростью 600 км/ч силы вязкости в 20 млн раз меньше сил инерции! Но вязкость, как мы уже упомянули, выполняет роль детонатора, разрушающего стройный поток воздушной среды.

И тут напрашивается мысль – поскольку уничтожить вязкость воздуха нельзя, не стоит ли попытаться за счет работы двигателей самолета скомпенсировать ее действие? Причем сделать это надо очень тонко, в таком месте, где силы «зла» только начинают свою подрывную работу.

Более тридцати лет назад эту идею успешно осуществил в эксперименте наш ученый. Рассмотрим его открытие применительно к толстому крылу малого удлинения. Тут основные беды происходят из-за отрыва потока с образованием множества больших и малых вихрей на задней верхней поверхности. Именно здесь и установил Щукин особую систему щелей. Работают они попарно. В переднюю щель компрессором подается воздух, струя которого выходит на поверхность крыла и, описав дугу, засасывается в заднюю щель. И так в каждой паре.

В результате сверху на крыле образуется движущаяся воздушная пелена, прилегающая к его поверхности. Соприкасаясь с ней, набегающий поток не испытывает торможения, и на значительной части крыла возникает подъемная сила. В итоге аэродинамическое качество (отношение подъемной силы крыла к создаваемому сопротивлению) с 3—4 поднимается до 15—18!

Итак, проблема улучшения обтекаемости толстого крыла решена. Правда, строить на его основе самолет классического типа, увы, нерационально. Придется ставить винт, диаметр которого должен хотя бы в два раза превышать толщину крыла.

Щукин блестяще избежал этого. В разработанном им летательном аппарате максимально используются особенности формы и открытые им принципы.

Тягу для полета создают турбовентиляторные двигатели, размещенные в просторных объемах крыла. Часть отбираемого от них воздуха идет на работу системы активного управления струей вблизи поверхности аппарата. Благодаря вентилятору, встроенному в силовую установку, а также плоской нижней поверхности крыла по-новому решается вопрос об использовании воздушной подушки. Для се создания оказалось достаточным поставить снизу специальные выступы – скеги. При этом ни вес летательного аппарата, ни его сопротивление практически не возросли.

Подобный самолет может взлетать и садиться на любой аэродром, даже на грунтовую площадку, водную поверхность, да и длина взлетно-посадочной полосы не превысит 500 м. Машина способна летать на совсем малой высоте в режиме экраноплана. И в этом случае дальность полета возрастет вдвое.

В 1990 году российская фирма «ЭКИП» взялась за создание летательных аппаратов нового типа. За прошедшие годы она построила уже две летающие модели нового аппарата. Одна из них, массой 7,5 т, не раз демонстрировалась на зарубежных выставках в полете.

А в проекте пассажирская машина взлетной массой 120 т и полезной нагрузкой в 40 т. При скорости 650 км/ч она может одолевать до 4,5 тысячи км на высоте 10—12 км. Самолет классического типа при аналогичных характеристиках мог бы поднять не более 30 т.

Даже если в салоне все места заняты (а вмещает он 350 пассажиров), он кажется просторным.

Для большей надежности в полете устойчивость машины дополнительно обеспечивают четыре плоскости, снабженные аэродинамическими рулями и закрылками. Эти две системы могут работать независимо друг от друга, к тому же многие жизненно важные системы многократно продублированы.

Каждый из турбовентиляторных двигателей приводится в действие двумя турбинами. В случае отказа одной другая увеличивает свою мощность, и вентилятор работает, почти не снижая производительности. Даже если выйдут из строя три из четырех турбин, что почти невероятно, машина сможет продолжать полет.

А сесть она может на любой клочок ровной земли или водную поверхность. Если для обычного самолета полет над океаном – всегда риск, посадка его на воду чаще всего ведет к гибели, то для «ЭКИПА» – это режим наибольшей безопасности. Не случайно огромный интерес к работам фирмы проявляют страны Юго-Восточной Азии, расположенные на островных территориях.

И еще одно немаловажное достоинство новинки – здесь вполне реально использовать в качестве самолетного топлива жидкий водород, килограмм которого при сгорании в специально сконструированной газовой турбине может заменить почти 3 кг керосина. За счет этого можно было бы втрое увеличить дальность полета или почти вдвое – массу полезной нагрузки. К тому же водород при сжигании не загрязняет атмосферу.

Правда, плотность жидкого водорода более чем в 11 раз ниже, чем керосина. Баки для его хранения должны иметь надежную и довольно толстую теплоизоляцию. В обычном самолете они займут столько места, что для пассажиров и грузов его просто не останется. У самолетов же фирмы «ЭКИП» подобных проблем нет – разместить в них водородные баки можно, совсем не стесняя салон. А на водородном топливе новый летательный аппарат способен облететь земной шар.

Словом, пока у новой машины просматривается лишь один серьезный недостаток – у фирмы нет денег на реализацию своего проекта в полном масштабе. А государство наше, как обычно, финансировать новую разработку не торопится. Зато проектом всерьез заинтересовались зарубежные специалисты. И поговаривают, что в скором времени ЭКИП вполне может улететь за океан. А мы опять останемся у разбитого корыта.