Первая часть: от первого электросолнечного самолёта до первых гигантских беспилотников НАСА с солнечными батареями и топливными элементами.
Вторая часть: рекорды и крушения, и не только американские, но и европейские и даже израильские. Но всё это тоже беспилотное.
Уверен, имеет смысл их прочитать, если кто не читал, прежде чем переходить на третью часть – кульминация и развязка в одном флаконе:
Прорыв «Солар Импульса»
Несколько неожиданно, что прорыв этот – к полноценному, то есть круглосуточному и притом пилотируемому летанию – воплощают не американцы со своим большим, грузоподъёмным, но по самой идее беспилотным «Гелиосом». И не англичане, чей «Зефир» тоже велик, но слишком лёгок для того, чтобы поднять человека. Это делает швейцарец Бертран Пикар – человек, который любит летать. Настолько, что 1999 году вместе со своим компаньоном Брайаном Джонсом совершил первое в мире беспосадочное кругосветное путешествие на гибридном гелиево-тепловом аэростате «Брайтлинг Орбитер» (Breitling Orbiter).
Первый эскиз его солнцлёта появился в 2003 году. Интересно, что тогда он был совсем не похож на тот «Солар Импульс», который в июле 2010 года сделал принципиально значимый шаг в деле «солнечного летания». Это был аппарат, очень похожий на классический планер с Т-образным хвостовым оперением, только с двумя двигателями с пропеллерами, установленными на концах стабилизатора.
Почему Пикар передумал, решительно переработал проект? Наверное, потому, что двигатели, установленные на крыле, в полёте разгружают и без того сильно нагруженные узлы крепления крыла к фюзеляжу – ведь так их тяжесть уже расположена на крыле, а фюзеляж становится легче. А нагружать двигателями оперение, создающее лишь малый процент от общей подъёмной силы (или не создающее её вовсе) – бессмысленно. Подъёмная сила горизонтального оперения предназначена для балансировки самолёта, а не для подъёма его в воздух.
«Солар Импульс», первый вариант. 2003 год
Как бы то ни было, в 2007 г. модель будущего самолёта выглядела уже иначе. Пожалуй, главным её отличием от взлетевшей конструкции можно назвать расположение крыла на пилоне да фюзеляж в виде гондолы с длинной и тонкой хвостовой балкой.
«Солар Импульс», более поздняя версия. Этот уже более или менее похож на реальный состоявшийся самолёт
Можно снова сделать предположение – почему отказались от пилона.
Преимущество пилона в том, что в месте стыка с ним обтекание крыла ухудшается значительно меньше, чем если бы крыло было прикреплено к фюзеляжу. Кроме того, упрощается конструкция – и фюзеляжа, и крыла.
Но есть и минус – при установке крыла на пилоне центр тяжести всего аппарата перемещается вниз, увеличивая таким образом момент инерции вокруг продольной оси (по крену). Но у солнцелёта очень длинное крыло, то есть этот момент и так очень велик. Наверное, уточнив расчёты, пришли к выводу, что делать его ещё больше не нужно.
В конце концов HB-SIA – такое официальное обозначение получил первый экземпляр машины – получился почти обычным четырёхмоторным высокопланом, единственная «нетрадиционная» деталь – крестообразное оперение, в котором киль имеется не только сверху фюзеляжа, но и снизу. Самолёт, сделанный из композиционных материалов, очень лёгок – всего 1600 кг; и это при размахе крыла 63,40 м (площадь 200 кв. м) и длине 21,85 м. Показатель нагрузки на крыло – 8 кг/кв. м, как у лучших планеров. Двигатели имеют мощность по 7,35 кВт (примерно 10 л.с.).
Естественно, аппарат получил комбинированную систему питания – как иначе летать ночью? Фотоэлектрические панели включают в себя суммарно 11 628 монокристаллов с КПД преобразования 22,5%. Часть элементов установлена на нижней поверхности крыла, и они несколько другого типа, чем верхние; это сделано для улавливания излучения, идущего под очень маленьким углом и отражённого от земной поверхности.
Вот такое фотоэлектрокрыло…
Литий-полимерная аккумуляторная батарея «съедает» четверть максимальной взлётной массы – 400 кг. Но ночной полёт возможен не только благодаря аккумулятору. Как уже упомянуто, «Солар Импульс» имеет характеристики прекрасного планера, и потому может далеко лететь за счёт сравнительно медленного снижения. Так и планируется управлять им в многосуточном полёте: днём поднимать на максимальную высоту, ночью – опускать до безопасной, которая определяется во многом турбулентностью, свойственной нижним, приземным, слоям атмосферы. Подробности
В своём рекордном июльском полёте «Солар импульс» днём летел на высоте 8,5 км, а ночью снижался до 2,5 км (по другим данным, до 1,5 км). Аэродинамическое качество этой машины – порядка 40; это означает, что в идеальных условиях, при идеальном управлении он будет пролетать расстояние 40 м за счёт потери одного метра высоты.
Профиль полёта «Солар импульса»
Теперь можно прикинуть. Если взять снижение с 8,5 до 2,5 км, то получим разницу в 5 км. «Затратив» такую высоту на горизонтальный полёт, «Солар Импульс» может пролететь до… 5 × 40 = 200 км. А 200 км при его крейсерской скорости порядка 70 км/ч – это 3 часа полёта.
Летние ночи коротки; у нас получилось, что половину ночи аппарат может вообще не расходовать киловатт-часы из аккумуляторов. Недаром после приземления у него осталось энергии на 3 часа полёта.
…До рекордного старта самолёт сделал порядка 10 пробных полётов, самый долгий был 14-часовым. Но это происходило при свете дня; а самое интересное – проверка конструкции и всей концепции в темноте ночи. И вот, 8 июля 2010 года, в 6 ч. 51 мин по местному времени, «Солар импульс», ведомый Андре Боршбером, поднялся в воздух с аэродрома в городке Паерне, в 50 км от Берна, Швейцария. Проведя в воздухе 26 ч 9 мин, он приземлился на том же аэродроме.
В полёте была достигнута высота 8,7 км, что является рекордом для пилотируемых солнцелётов. Но главное – теперь практически доказано, что человек может летать на аппарате тяжелее воздуха, используя только энергию Солнца. Впрочем, 26 часов – это тоже рекорд для пилотируемых солнцелётов; мы же не забыли, что «Зефир», налетавший несколько суток, является беспилотником, неприемлемо лёгким даже для фантазий о том, чтобы посадить на него лётчика.
Что дальше?
Что касается Пикара, то дальше – кругосветный полёт. Для этого разрабатывается следующая модификация «Солар Импульса» – HB-SIВ, который должен быть построен в следующем году.
Этот вариант будет иметь размах уже 80 м – больше, чем у самого большого в мире лайнера Эрбас А380. Машина будет иметь более серьёзное оборудование: навигационный комплекс, систему жизнеобеспечения для полёта на высоте 12 км. По расчётам, в процессе «кругосветки» потребуется сделать пять посадок для смены лётчика, поскольку даже при наличии автопилота один человек вряд ли сможет выдержать в кабине больше трёх-четырёх суток.
Это свершение запланировано на 2012 год (как мы теперь видим, пока не состоялось ).
В более отдалённых планах – беспосадочное кругосветное путешествие. Но для этого нужно будет сделать ряд технических усовершенствований, в первую очередь – повысить удельную ёмкость аккумуляторов, чтобы сэкономить вес для второго члена экипажа.
В США тоже не оставляют тему «солнечного летания», но продолжают делать упор на беспилотных разработках. Одна из наиболее амбициозных – программа «Валтшер» (Vulture – гриф). Она ведётся под эгидой DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – Агентство передовых оборонных исследовательских проектов, одно из ведомств министерства обороны США).
Сказать, что Агентству нужен аппарат с высокими характеристиками – значит сильно приуменьшить впечатление от его требований. Беспилотный самолёт, использующий в качестве источника энергии знакомое нам уже по «Гелиосу» сочетание солнечных батарей и топливных элементов, должен будет находиться в воздухе… 5 лет – всё время своей эксплуатации! Назначение обычное для военных – разведка, ретрансляция. Это уже почти совсем спутник – ведь время его единственного полёта вполне сопоставимо с временем существования орбитальных космических аппаратов. Да и летать он должен на высотах порядка 20–30 км. Его иногда так и называют: «стратосферный спутник».
Понятно, что условия работы этого БЛА очень жёсткие: холод верхних слоёв атмосферы, мощный поток ультрафиолетового излучения. Известно, что аппарат должен нести полезную нагрузку 454 кг (1000 фунтов) и обеспечивать её бесперебойным питанием мощностью 5 кВт. А мощность двигателей должна дать ему способность, не «отступая», сопротивляться ветрам на рабочих высотах в течение 99% всего полётного времени.
Очень непростой проблемой оказался выбор подрядчика по программе «Валтшер». Первой получила грант от военного ведомства компания Boeing. Для того, чтобы избежать лишних ошибок, Boeing наладил сотрудничество с уже известной нам QinetiQ с её опытом, накопленным во время создания рекордного фотоэлектрического «Зефира». Представления о будущем стратосферном беспилотнике, которыми в 2008-м поделилась с общественностью QinetiQ, не вызывают удивления: тот же «Зефир», только сильно увеличенный и с десятью моторами.
А вот другой разработчик, компания Aurora Flight Science, предлагает нечто, ранее невиданное.
Её аппарат называется «Одиссей» (Odysseus). Собственно, это сцепка из трёх отдельных аппаратов с размахом 50 м, способных работать вместе. Каждый из них поднимается на рабочую высоту самостоятельно и там сцепляется с «сотрудниками» – крылом к крылу. В случае необходимости аппарат может так же отцепиться и спуститься на землю – например, для ремонта или оснащения новой целевой аппаратурой.
Хорошо, но зачем им сцепляться? А вот зачем.
Части сцепки могут поворачиваться друг относительно друга на осях, проходящих через торцы крыльев. Это позволяет всей конструкции принимать такую конфигурацию, которая даёт наилучшую энергоэффективность в данное время суток, при данной освещённости.
«Стратосферный спутник» «Одиссей» – в дневной (вверху) и ночной конфигурации
Процессом, конечно, управляет компьютер; интересный пример «коллективной робототехники», когда группа аппаратов, действуя сообща, достигает результата лучшего, чем механическая сумма результатов каждого отдельного «индивидуума».
***
Ну, а что же наши конструкторы? По имеющимся у нас сведениям, пока их разработки не идут дальше создания экспериментальных авиамоделей с фотоэлементами, которым до рекордов – ох, далеко! Причина нашего отставания банальна – нет денег, нужных материалов и оборудования.
Или, может, наши сведения не точны и где-то в нашей стране уже создается солнцелёт с небывалыми характеристиками?
Если вы считаете, что данный текст или изображения нарушают ваши авторские и/или смежные права,
сообщите об этом администрации сайта через Гостевую книгу или на e-mail vemsev@gmail.com для принятия мер по устранению нарушения.
Идея "Одиссея" - адская глупость. Если они имели в виду наклонять крыло для лучшего улавливания энергии солнца - то ровно с таким же успехом можно наклонять всю машину, парируя разворот рулем направления. Потеря подъемной силы крыла будет такой же, а конструкция куда проще.
Если же им хочется оптимизировать машину для улавливания энергии солнца на низкой высоте от горизонта - то просто надо строить крыло по схеме "чайка" или "обратная чайка" (W). Ну и развивать вертикальную поверхность фюзеляжа под фотоэлементы.
А эта вот хрень в виде буквы зю /\/ антинаучна, поскольку столь же несбалансирована по боковому скольжению, как и простое наклоненое крыло.
Может, и так. Только сдаётся мне, что вот это самое парирование рулём направления даст потерю 10-15 процентов подъёмной силы именно как потери на управление. А для этих круглосуточных слабосильных парителей 15 процентов - очень много.
Хрень в виду буквы Зю потребует такого же парирования.
Кроме того - чудес ведь не бывает. Если вы кладете фотоэлементы на плоскость крыла, и вам для лучшей засветки эту плоскость надо наклонить в определенную сторону - вам придется ее наклонить, и получить на плоскости боковое скольжение, ибо ось вектора подъемной силы перестанет совпадать с осью вектора силы тяжести. Появится характерный боковой момент.
Если же вы для парирования этого бокового момента добавляете шарнир и вторую такую же плоскость, наклоненную в другую сторону - вы не только создаете лишнее сопротивление движению, но еще и ухудшаете засветку этой второй плоскости, ибо она наклонена в другую сторону. Ну а нечетное количество таких плоскостей - тем более инженерная глупость.
Я уж не говорю о том, сколько будут весить шарниры в плоскостях с приводами - они ведь будут воспринимать полную нагрузку от консоли.
Такого рода проекты рисуют исключительно для того, чтобы показать себя "оригинально мыслящими" и под это выбить бабло, на которое потом построить бунгало на Кайманах. Ибо строить такую хрень - бессмысленно, она заведомо технически обречена.
Я бы, например, предложил вот такое элегантное решение:
Несложно догадаться, что такое крыло позволяет разместить достаточно фотоэлементов под разными углами к падающему потоку, чтобы гораздо меньше волноваться насчет направления на солнце. К тому же оно и компактно, и хорошо вписывается в силовую конструкцию.
Сейчас считается для такого самолета более оптимальной вот такая схема:
Да-да - с развитым ПГО и с задним вертикальным оперением, интегрированным в стойку крыла.
С критикой "гармошки" соглашусь. А вот это замкнутое крыло... Читал я про него; да, чёрт возьми, ещё младшим школьником, в первом издании Детской энциклопедии, жёлтое такое, читал про колеоптер - видите, на всю жизнь слово запомнил.
И вот с тех пор что-то не видать практических аппаратов. Даже любимый мой Рутан не построил Должно быть, что-то всё же не так с этим крылом...
Хотя, может быть, как раз для многосуточных солнечных беспилотников оно и окажется тем, что доктор прописал. Вот тут не удивлюсь, в качестве сугубо нишевой конструкции. Вон, у вертолётов больше двух роторов не делают, а беспилотнички шестироторные - сколько угодно...
Аппараты с элиптическим замкнутым крылом построены и летают. Первая фотка - это же не фотошоп, это реальная машина.
Есть экспериментальный аппарат с фюзеляжем и мотором от Ан-2 и таким крылом. Полученные результаты - уменьшилась взлетная и посадочная скорость примерно на 15% при меньшем размахе крыла, значительно увеличилась подъемная сила (соответственно и поднимаемая нагрузка), и что самое важное - сильно выросла экономичность.
Колеоптер в чистом виде - это машина с ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ крылом.
Кстати, Снекма С.450 "Колеоптер" с кольцевым крылом вполне нормально летал, и даже взлетал вертикально. Разбился, правда, в одном из полетов - но по не зависящим от крыла причинам.
Но вернемся к эллипсу. "Не так" с ним только одно - это технически сложное крыло, выполнять его классической технологией с нервюрами и прочим - слишком дорого и сложно в сборке. Но если использовать композиты с объемной формовкой - то проблемы снимаются. А если крыло еще делать и без механизации, используя для управления по крену развитое ПГО - то и вообще нет преград.
Я вижу, что первое фото реальное и вообще знаю, что такие машинки строят Я для того и сказал "практических", чтобы отсечь всякий эксперимент, от самоделочного до до НАСА/ЦАГИшного. А таких успешных конструкций было... Я, как "Скиммер" вспоминаю, плакать хочется...
Всё-таки что-нибудь ещё не так с "эллипсом". Мне, например, не сильно ясны перегрузки для маневрирования - может оно создавать такие же, как обычное крыло? Что у него на сверхзвуке?
Плюс - консерватизм. Знаете, Боинг испытывает масштабные модели интересного такого лайнера, летающего крыла? Кажется, Х-48. Так вот, читал я, что главное препятствие у этой машины, обещающей исключительную эффективность, - консерватизм авиаперевозчиков: боятся необычного.
С другой стороны, Нортроп свой ХВ-35 ещё в войну построил. Прошло... сколько? Лет 40? И вот вам В-2, летает, и очень даже хорошо летает. Если не требовать от него больше, чем он может дать. Так что, конечно, подождём. Вполне может быть, что "эллипс" займёт свою нишу, причём немаленькую. Когда - другой вопрос.
А всё-таки "Спириты" покупает DoD, а не Пан Америкен...
Вы разве не в курсе, для чего создается подобное замкнутое крыло? Это попытка улучшить бипланную схему, то есть еще сильнее использовать обдув крыла винтом для повышения его несущей способности, уменьшить скорость сваливания и за счет этого всего сократить потери.
Другими словами - эллиптическое крыло это крыло специально для низких скоростей полета. Сильно дозвуковых.
В этом качестве оно вроде бы хорошо подходит для солнцелетов. Кстати, на них напихано столько винтов скорее не для разгрузки крыла, а в попытке повысить его КПД за счет обдува.
Ну да, я тоже про солнцелёты так считаю, выше сказал об этом.
А только не вижу обдува у реактивного "малотоннажника", который в вашем комментарии. Неужели вентиляторы образуют достаточный поток на втягивании? Таких вариантов я ещё не видел, всё, что сделано с обдувом двигателем, всё на выхлопной струе или за пропеллером. По крайней мере то, что я знаю серийного и опытного в крупных компаниях.
Вы разве не в курсе, что у современных турбовентиляторных моторов (с коэффициентом двухконтурности более 8) воронка всасывания тянется на несколько диаметров диффузора вперед - то есть чуть не на десять метров?
В случае с замкнутым крылом их спокойно можно ставить на уровне задней кромки крыла - прокачивание потока будет обеспечено, причем с минимальными искажениями потока и без проблем с температурой выхлопа.
Собственно, не секрет, что на пассажирских самолетах отказались от расположения двигателей в хвосте и перенесли их под крыло для достижения эффекта обдува. При этом используется захват стороннего воздуха выбрасываемой назад струей ЗА ЗАДНЕЙ КРОМКОЙ КРЫЛА и за счет этого создание дополнительного разрежения НАД крылом. Аналогичного эффекта увеличения разряжения над крылом можно достичь, разместив моторы НАД крылом, но сдвинув их назад.
О воронке всасывания - вот именно, не в курсе! Конечно, понятно, что, раз втягивается большое количество воздуха, то разрежение должно быть. Но геометрические масштабы области значимого разрежения я себе не представлял. Даже, честно говоря, на задавался такой задачкой.
Хотя теперь вспоминается смутно, что видел такие схемки - срез воздухозаборника поверх крыла, на уровне чуть ли не половины хорды от передней кромки. Это могло быть в статье про выбор схемы будущего С-17, то есть лет уже 30 назад, ну или 25. Его же разрабатывали, считая от осознания необходимости нового транспортника, не долго, а очень-очень-очень долго. Или, может быть, это было в статьях про варианты замены "Геркулесу", которую так до си пор и не сделали. Или какого-то европского перспективного транспортника.
И вот что хочу отметить. Как показывает практика, в реализованных самолётах используют всё-таки "задний" вариант обдува верхней поверхности крыла, задействующий для ассистенции в создании подъёмной силы выхлопную струю. Взять хотя бы Ан-72/74. Но "передний" вариант может оказаться предпочтительным именно для эллиптического крыла!
Почему с обычным крылом лучше использовать выхлопную струю? Потому что она интенсивная и сравнительно узкая. Пустив её над крылом, можно использовать значительную часть её энергии.
А входная воронка разрежения широкая, поверхности обычного крыла от неё достанется совсем немного, остальное рассеется вокруг. Другое дело - эллиптическое крыло, которое охватывает воронку целиком. Тут она практически вся идёт на дело.
Впрочем, Вы это уже сказали. Мне остатся просто согласиться
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ]
). 
Должно быть, что-то всё же не так с этим крылом... 
