Солнечные батареи для БПЛА
БПЛА NASA / AeroVironment в полете, 1997 г. Фото NASA
Электрические силовые установки активно используются на современных беспилотных летательных аппаратах и позволяют получать высокие летные характеристики. Дальнейший рост ключевых параметров может быть обеспечен путем использования солнечной энергии. Разработан целый ряд экспериментальных БПЛА на солнечных батареях – но ни один из проектов пока не доведен до полноценной эксплуатации с решением реальных задач.
С участием NASA
На рубеже семидесятых и восьмидесятых годов американская компания AeroVironment вела исследования в области солнечной энергетики для летательных аппаратов. В 1983 г. она получила заказ от NASA на создание опытного БПЛА, способного показывать высокие летно-технические характеристики. Первый проект новой серии получил название HALSOL (High Altitude Solar). Позже его переименовали в Pathfinder.
В том же году состоялся первый полет опытного беспилотника, однако испытания признали неудачными из-за недостаточного уровня развития ключевых технологий. Доработка проекта продолжалась до 1993 г., когда испытания возобновились. Достаточно быстро Pathfinder показал все преимущества новых технологий и компонентов. В течение нескольких лет БПЛА установил ряд рекордов высоты и продолжительности полетов для аппаратов на солнечных батареях.
Усовершенствованный Pathfinder Plus (слева) и более новый Helios, 1999 г. Фото NASA
В 1998 г. опытный беспилотник модернизировали по проекту Pathfinder Plus. Изменение конструкции и внедрение новых электрических компонентов позволило вновь повысить летные характеристики и установить новые рекорды. В тот же период были созданы БПЛА Centurion и Helios Prototype схожего облика, но с иными характеристиками.
Опытные БПЛА от NASA и AeroVironment строились по общей схеме. Основным элементом конструкции было крыло большого удлинения размахом от 29,5 (Pathfinder) до 75 м (Helios). На крыле устанавливались электродвигатели с тянущими винтами (от 6 до 14 ед.) и гондолы с шасси и аппаратурой. Все аппараты серии имели дистанционное управление и могли нести некоторую полезную нагрузку.
Максимально возможная площадь крыла отдавалась под солнечные панели. В проекте Pathfinder они выдавали мощность 7,5 кВт, а в более позднем Centurion удалось получить более 30 кВт. В качестве запасного источника энергии использовались подзаряжаемые батареи. В поздних экспериментах также применялись топливные элементы.
Helios на испытаниях. Фото NASA
Экспериментальные беспилотники не отличались высокой скоростью полета. Прямое крыло большого размаха ограничивало этот параметр 30-45 км/ч. При этом рекордные полеты совершались на высотах 24-29 км и продолжались не менее 12-18 ч.
Европейская серия
С 2003 г. велись работы по проектам серии Zephyr. Изначально новый БПЛА создавался британской компанией QinetiQ, но в дальнейшем работы передали военному отделению Airbus. Целью проекта являлось создание высотного беспилотника на солнечных батареях с большой продолжительностью полета, способного нести аппаратуру для наблюдения.
В середине десятилетия начались испытания уменьшенного аппарата-демонстратора технологий. Изделие Zephyr 6 продемонстрировало потенциал конструкции в целом и отдельных ее элементов. В 2008 г. этот БПЛА поднялся на высоту 19 км. Затем появился полноразмерный прототип Zephyr 7. В июле 2010 г. он установил рекорд продолжительности полета – более 14 сут. В 2018 г. очередной прототип, Zephyr 8 (Zephyr S) оставался в воздухе почти 26 сут.
БПЛА серии Zephyr выполняет взлет, 2018 г. Фото Airbus
БПЛА серии Airbus Zephyr получают крыло большого удлинения с поднятыми законцовками. Размах крыла наиболее крупного Zephyr 8 достигает 28 м. Масса – до 50-70 кг, из них не более 5 кг приходится на полезную нагрузку. На передней кромке крыла располагаются электродвигатели; на задней закреплена тонкая хвостовая балка с оперением. Почти вся верхняя поверхность крыла отдана под солнечные батареи. Кроме того, БПЛА имеет аккумуляторы, обеспечивающие полет в отсутствии солнечного света. Скорость полета не превышает 50-60 км/ч, однако целью проекта было получение высокой дальности, высотности и продолжительности.
Разработка проектов серии Zephyr продолжается. Выполняется совершенствование существующих машин с целью выполнения реальных задач, а также создаются новые образцы с иными характеристиками. На данный момент такие БПЛА рассматриваются в качестве носителей средств наблюдения, радиоэлектронной аппаратуры и т.д.
Из пилотируемых в беспилотные
Определенный интерес представляет проект Solar Impulse одноименной швейцарской компании. Он предлагает строительство пилотируемых самолетов на солнечных батареях. С 2009 г. в летных испытаниях участвуют две подобные машины. Со временем компания-разработчик заявила о намерении создать беспилотный вариант существующего самолета.
Полет на большой высоте в качестве "атмосферного спутника". Графика Airbus
В ноябре 2019 г. компания Solar Impulse при содействии Leonardo и Northrop Grumman завершила перестройку одного из опытных самолетов в БПЛА. Летные испытания запланировали на 2020-21 гг., а в начале двадцатых возможен запуск мелкосерийного производства в интересах реальных заказчиков. Считается, что такой беспилотник имеет конкурентное преимущество в виде высоких летно-технических характеристик.
Solar Impulse 2, перестроенный в БПЛА, имеет прямое крыло размахом 72 м, под которым установлены фюзеляж облегченной конструкции и четыре гондолы электродвигателей. Использована комбинация солнечных батарей и аккумуляторов; пиковая мощность 66 кВт. Самолет развивал скорость до 140 км/ч и поднимался на 12 км. Расчетные характеристики беспилотной модификации будут выше. В частности, продолжительность полета собираются довести до 90 сут.
Ограниченные перспективы
В последние десятилетия в области БПЛА с солнечными батареями наблюдается серьезный прогресс. Разрабатываются и внедряются новые типы панелей, аккумуляторов и электромоторов с повышенными характеристиками; в конструкции планеров применяются современные материалы, обеспечивающие прочность и малую массу. При этом, несмотря на все усилия, подобные беспилотники пока не дошли до полноценной эксплуатации.
Опытный самолет Solar Impulse 2, ныне перестроенный в БПЛА, 2018 г. Фото Wikimedia Commons
Несмотря на все усилия ученых, солнечные панели пока не отличаются высокой мощностью. Как следствие, под них приходится отдавать максимально возможную площадь при одновременном облегчении конструкции. Только при таких условиях энергии хватает для питания моторов и подзарядки аккумуляторов. Кроме того, необходимы меры, позволяющие сохранять энергоснабжение двигателей вне зависимости от интенсивности падающего света или при его отсутствии.
В результате пилотируемый самолет или БПЛА, построенный даже с применением прогрессивных технологий, получается крупным и недешевым, но не может нести значительную полезную нагрузку. Впрочем, он способен показывать высокие летные характеристики и потому представляет определенный практический интерес.
Способность к длительному полету на больших высотах может быть полезной при ведении разведки или мониторинга обстановки в разных ситуациях. Также предлагаются проекты «атмосферных спутников» – беспилотников большой продолжительности полета с аппаратурой ретрансляции радиосигналов. Такая техника, как ожидается, сможет долгое время находиться в заданном районе и обеспечивать постоянную связь, являясь более простой и дешевой заменой для космических аппаратов.
Solar Impulse 2 на испытаниях, 2014 г. Фото Wikimedia Commons
Очевидно, что при нынешнем уровне тактико-технических характеристик БПЛА на солнечных батареях не могут быть боевыми. Ограниченная грузоподъемность не позволит взять большой боезапас, а характерный облик повысит заметность для любых средств обнаружения. Впрочем, беспилотники-разведчики и ретрансляторы тоже могут быть интересны армиям.
Разработка БПЛА с солнечными батареями ведется в нескольких странах, и наблюдается заметный прогресс. Характеристики такой техники постепенно растут, и в обозримом будущем первые образцы вполне способны дойти до реальной эксплуатации. Впрочем, это направление не следует переоценивать. На практике подобные беспилотники, скорее всего, станут эффективным средством для заполнения отдельных ниш, в которых они смогут реализовать весь свой потенциал и не проявить характерные недостатки.
Информация