Псевдоспутники для псевдокосмоса: в ожидании высотной революции
Pathfinder Plus. Источник: wikipedia.org
Выгодный ракурс наблюдения
Стратосферные высоты порядка 18-30 километров слабо освоены человеком. В этот своеобразный «предкосмос» (англ. near space) самолеты забираются нечасто, а космические аппараты там отсутствуют. Но подобная прослойка в воздушном слое Земли очень удобна для скрытого наблюдения. Во-первых, летательные аппараты на таких высотах могут обозревать зону, сопоставимую с территориями Афганистана или Сирии, и при этом длительное время барражировать над одной территорией. В то же время орбитальный спутник достаточно быстро проскакивает местность, зачастую не успевая запечатлеть важные объекты и процессы. Во-вторых, наземные системы противовоздушной обороны пока не предназначены для поиска и уничтожения подобных малогабаритных и высотных разведчиков. По расчетам, эффективная площадь рассеивания может достигать 0,01 м2. Безусловно, с массовым появлением таких псевдоспутников в небе ПВО найдет решения для перехвата, но стоимость уничтожения может быть запредельной. Помимо разведки, высотные беспилотники могут обеспечивать связь и навигацию.
Большая часть разработанных на данный момент дронов, рассчитанных на подобные высоты, построена на основе солнечных фотоэлементов и аккумуляторных батарей. На высотах в несколько десятков километров солнечная энергия «усваивается» гораздо эффективнее, что позволяет крылатой машине не только питать электромоторы, но и накапливать энергию в батареях. В ночное время дроны используют запасенное днем, с рассветом цикл повторяется. Получается этакий вечный двигатель, позволяющий машинам летать от нескольких дней до нескольких лет на высотах до 30 километров. К примеру, если один такой псевдоспутник заменит знаменитый Global Hawk, то только горючего оператор сэкономит порядка 2000 тонн в год. Это не учитывая меньшей стоимости и гораздо большого времени оперативного использования. Однако вся данная информация носит теоретический характер: до сих пор рекорд по продолжительности полета подобной техники составляет 26 суток. Этого в 2018 году добился европейский псевдоспутник Airbus Zephyr.
Иллюстрация применения псевдоспутника Airbus Zephyr. Источник: АО "НПО Лавочкина"
В сравнении с классическими спутниками высотные дроны, естественно, сильно дешевле и находятся ближе к Земле, что обеспечивает высокое качество съемки и наблюдения. Упоминаемый Airbus Zephyr по стоимости в 10 раз дешевле Global Hawk и в 100 раз спутников типа World View. При этом псевдоспутники находятся ниже ионосферы, что повышает точность навигации и определение места источников радиоизлучения. В отличие от спутника, летательный аппарат способен длительное время, словно орел, барражировать над объектом наблюдения, отслеживая все происходящие внизу изменения.
Один из прототипов дрона Helios. Источник: ru.wikipedia.org
Что же из себя представляет концепция псевдоспутника для стратосферного полета? Это легкий планер из композитов, с хорошими аэродинамическими характеристиками, оснащенный высокоэффективными солнечными батареями, аккумуляторами и топливными элементами. Кроме этого, обязательны высокоэффективные электромоторы, легкие приборы управления с низким энергопотреблением, способные оперативно и самостоятельно реагировать на нештатные ситуации в полете. Такие высотные аппараты отличает небольшая грузоподъемность (до 100-200 килограммов) и чрезвычайная медлительность – до нескольких десятков километров в час. Первый из подобных появился еще в 1980-х годах в Соединенных Штатах.
Летающие солнечные панели
В США первыми среди подобных аппаратов стали экспериментальные псевдоспутники программы HALSOL. Ничего толкового из них не получилось по причинам элементарного отставания технологий: не было ни емких аккумуляторов, ни эффективных солнечных батарей. Проект закрыли, но внешний вид прототипов не рассекретили, а инициатива перешла к NASA. Ее специалисты в 1994 году представили свой Pathfinder, ставший, по сути, золотым стандартом для будущих псевдоспутников. У аппарата был размах крыльев в 29,5 метра, взлетная масса в 252 килограмма и высота полета в 22,5 километра. В течение нескольких лет проект неоднократно модернизировали; последним в серии стал Helios HP, у которого крылья растянули до 75 метров, в взлетную массу догнали до 2,3 тонны. Этот аппарат в одной из генераций смог забраться на 29 524 метров — рекорд для горизонтально летящих летательных аппаратов без реактивных двигателей. По причине не самых совершенных водородных топливных элементов Helios HP во время второго полета разрушился в воздухе. К идее его восстановления уже не возвращались.
Второй известной моделью псевдоспутника двойного назначения можно назвать семейство Zephyr от британской QinetiQ, появившееся на авиагоризонте в 2003 году. После долгих испытаний и совершенствования конструкции проект в 2013 году был куплен Airbus Defence and Space и развился до двух основных моделей. Первая имеет размах крыльев 25 м и ее в состав входят: планер из ультралёгкого углепластика, солнечные панели из аморфного кремния фирмы United Solar Ovonic, литий-серные аккумуляторы (емкость 3 кВт·час) фирмы Sion Power, автопилот и зарядное устройство компании QinetiQ. Солнечные батареи генерируют до 1,5 кВт электроэнергии, что достаточно для осуществления круглосуточного полёта на высоте до 18 км. Вторым, более крупным псевдоспутником стал Zephyr T с двумя хвостовыми балками и с увеличенным размахом крыла (с 25 м до 33 м). Такая конструкция обеспечивает подъём в четыре раза большей полезной нагрузки (массой 20 кг, достаточной для размещения радиолокационной станции на высоте 19500 м).
Zephyr уже законтрактованы армиями Великобритании и США в единичных количествах. Они еще не успели в полной мере освоиться в войсках, как в марте 2019 года один из них потерпел крушение около сборочного предприятия в Фарнборо, Хэмпшир. В этой аварии в полной красе раскрылся основной недостаток таких летательных аппаратов – высокая чувствительность к метеорологическим условиям на взлете и посадке. На рабочих многокилометровых высотах псевдоспутникам осадки и ветер не страшны, а вот у земли они чувствуют себя неуютно.
Solar Eagle. Источник: newatlas.com
DARPA также не осталась в стороне от столь перспективной темы и в конце 2000-х годов инициировала программу VULTURE (Very-high Altitude, Ultraendurance, Loitering Theater Element – сверхвысотная система наблюдения с ультрадлительным барражированием над театром военных действий). Первенцем стал псевдоспутник Solar Eagle, созданный Boeing Phantom Works совместно с компанией QinetiQ и Venza Power Systems. Этот гигант имеет размах крыла в 120 метров, литий-серные аккумуляторы, восемь моторов, питаемых как солнечными батареями, так и водородными элементами. В настоящее время американцы засекретили проект и, скорее всего, уже испытывают Solar Eagle в виде предсерийных прототипов.
PHASA-35 Источник: prismaticltd.co.uk
Самым современным из незасекреченных прототипов является псевдоспутник совместной разработки BAE и Prismatic Ltd — PHASA-35 (Persistent High Altitude Solar Aircraft, долгосрочный высотный солнечный летательный аппарат). В феврале 2020 году на авиабазе австралийских Королевских ВВС в Южной Австралии его впервые запустили в воздух. Летающая солнечная панель с крыльями способна подняться на 21 километр и нести при этом полезную нагрузку массой до 15 килограммов. По меркам высотных дронов, PHASA-35 имеет небольшой 35-метровый размах крыльев и предназначен, как пишут сами разработчики, для мониторинга, связи и безопасности. Однако первоначальной и основной стезей псевдоспутника будет боевая работа. В этой связи по результатам первого полета Ян Малдоуни, технический директор BAE Systems, высказался:
Это выдающийся ранний результат, демонстрирующий темпы, которых можно достичь, когда мы объединим все лучшее из британских возможностей. Переход от проектирования к полету менее чем за два года (20 месяцев) показывает, что мы можем принять вызов, который правительство Великобритании поставило перед отраслью, чтобы в течение следующего десятилетия создать боевую воздушную систему будущего.
К концу текущего года планировали закончить испытания и спустя 12 месяцев передать заказчику первые серийные машины. Но пандемия, естественно, внесет свои коррективы в указанные сроки.
Отечественный ЛА-251 «Аист». Источник: missiles2go.files.wordpress.com
Второй псевдоспутник, ЛА-252 "Аист", пока в стадии разработки. Источник: АО "НПО Лавочкина"
Сейчас наблюдается устойчивый рост интереса к подобным высотным беспилотниками, и расширение ареала разработок — тому доказательство. Помимо успехов Китая, Индии, Тайваня и Южной Кореи, в конструировании псевдоспутников задействованы российские КБ. Первый отечественный экспериментальный высотный дрон разработан в НПО имени С.А. Лавочкина и именуется ЛА-251 «Аист». Его представили впервые на форуме «Армия-2016». Дрон выполнен по нормальной аэродинамической схеме и представляет собой свободный несущий моноплан с размахом крыла 16 м и массой около 145 кг. Моноплан имеет две хвостовые балки, четыре двигателя мощностью 3 кВт, оснащён аккумулятором на 240 А·ч. Высота полета до 12 тыс. метров, длительность до 72 часов. Разрабатывают сейчас более крупный «Аист» с размахом крыльев в 23 метров и полезной нагрузкой в 25 кг. Такой псевдоспутник уже поднимается на 18 километров и может находиться в воздухе несколько суток. Ради облегчения конструкции летательному аппарату оставили одну балку и с четырех до двух уменьшили количество моторов. Дальнейшему развитию отечественной темы псевдоспутников мешает отсутствие технологий производства литий-серных аккумуляторов с удельной энергоотдачей 400–600 Вт·ч/кг. Кроме этого, нужны солнечные батареи с удельной массой 0,32 кг/м2 при КПД не менее 20%. Во многом от этого зависит, удастся ли России сократить сложившееся отставание от мировых лидеров. С такой гигантской территорией нашей стране просто не обойтись в будущем без подобных псевдоспутников.
Информация