Псевдоспутники для псевдокосмоса: в ожидании высотной революции
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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