Утром 21 марта 1999 года Бертран Пиккар (Bertrand Piccard) и Брайан Джонс (Brian Jones) приземлились на своем воздушном шаре в египетской пустыне, завершив первое подобное безостановочное кругосветное путешествие. Когда они начали праздновать это событие, Пиккар неожиданно сделал отрезвляющее открытие: баллоны с пропаном, который поддерживал их воздушный шар в воздухе, были практически пусты. «Если бы ветра над Атлантикой были немного слабее, я бы не долетел», - рассказывает он. Именно тогда Пиккар пообещал себе найти способ совершить кругосветное путешествие, не используя никакие виды топлива.
Начиная с мая Пиккар и его напарник будут по очереди летать на одноместном самолете, работающем исключительно на солнечных батареях, из Сан-Франциско в Нью-Йорк. Это должно стать подготовительным этапом перед кругосветным полетом, запланированным на 2015 год. Самолет Пиккара, носящий название HB-SIA (сокращение от Solar Impulse Alpha), нарушает все нормы традиционной авиации. Когда он впервые рассказал экспертам о своей мечте, «почти все подумали, что я сошел с ума», вспоминает он. Хотя такие пионеры этой области, как Пол МакКриди (Paul MacCready), работали над созданием пилотируемых самолетов на солнечных батареях с 1970-х годов, ни один их самолет не мог подняться в воздух после захода солнца, не говоря уже о том, чтобы совершать многодневные перелеты через Атлантический или Тихий океаны.
Главным препятствием был вес. Чтобы лететь ночью, самолету необходимо черпать заряд из солнечных батарей, которые заряжались в течение дня. Однако подобные батареи содержат в себе гораздо меньше энергии на фунт веса, чем бак с ракетным топливом, поэтому батареи самолета должны весить гораздо больше топливного бака, чтобы пролететь аналогичное расстояние. Более тяжелому самолету для полета нужно больше энергии, что в свою очередь требует большего заряда батарей. Добавьте сюда кабину пилота и самого пилота, и самолет может оказаться слишком тяжелым, чтобы даже просто подняться с земли. Именно поэтому исследования в области самолетов на солнечной энергии, как правило, были сосредоточены на создании беспилотников, таких как Helios NASA.
Читайте также: США осваивает солнечную энергию
Пиккар, психиатр и летчик из Швейцарии, родился в семье путешественников, которые никогда не пасовали перед лицом опасности: в 1960 году его отец по имени Жак совершил свое первое путешествие к самой глубокой точке океана, а в 1931 году его дед Август стал первым летчиком на воздушном шаре, который достиг стратосферы. Пиккар продолжал настаивать на своей идее самолета на солнечных батареях, и в 2003 году Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанне согласился провести официальную оценку экономической целесообразности этого проекта. Его эксперты заключили, что ультралегкий самолет с большим размахом крыльев для уменьшения лобового сопротивления и размещения солнечных батарей потенциально может летать. Пиккар совместно с Андре Боршбергом (André Borschberg), пилотом и инженером, возглавлявшим исследование технологического института, разработали идею Solar Impulse («Солнечный импульс») и начали собирать средства у корпоративных и индивидуальных инвесторов на реализацию этого 130-миллионного 10-летнего проекта.
Изобретатели немедленно столкнулись с рядом проблем в процессе поиска компании, которая согласилась бы взяться за сборку такого самолета. Все утверждали, что создать такой самолет невозможно, поэтому Пиккару и Боршбергу пришлось набирать свою собственную команду инженеров. «Мне кажется, мы набрали гораздо больше людей, не имевших отношения к области авиации, чем тех, кто имел опыт работы в ней», - вспоминает Боршберг. Руководитель отдела разработки самолета Solar Impulse Роберт Фрэфель (Robert Fraefel) имел опыт работы в Формуле-1. Другие инженеры работали в таких сферах, как производство фотоэлектрических элементов и пресс-литье. «В некотором смысле отсутствие опыта было огромным преимуществом, - объясняет Боршберг. – Если вы имеете некоторый опыт, вы неосознанно будете возвращаться к привычным решениям».
Также по теме: Кругосветка на автожире споткнулась о российскую бюрократию
Группа инженеров решила сконструировать ребра жесткости и лонжерон крыла полностью из углеродного волокна (которое производит компания по изготовлению яхт), и соединить их при помощи высокопрочных пластиковых шурупов и болтов. Эти материалы легкие, но при этом достаточно прочные, чтобы HB-SIA имел размах крыльев в 63 метра - почти как у пассажирского Аэробуса A340-500. Между тем, общий вес самолета составил всего полторы тонны – это менее 1% веса Аэробуса и на 900 килограммов меньше веса обычного полноприводного внедорожника.
Инженеры встроили почти 12 тысяч кремниевых фотоэлементов в основное крыло и горизонтальный стабилизатор. В сутки эти фотоэлементы способны вырабатывать примерно 50 киловатт, направляя электричество непосредственно в моторы, если самолет находится в воздухе, и распределяя излишки электроэнергии между четырьмя литий-полимерными аккумуляторами. Система управления аккумуляторами следит за тем, чтобы батареи не остывали, что может снизить их эффективность, и не перегревались.
Спустя четыре года проектирования и строительства, в 2009 году новый самолет совершил свой первый «блошиный прыжок» и пролетел 350 метров на аэродроме в Дюбендорфе в Швейцарии. Настоящие испытания состоялись в июле 2010 года, когда Боршберг совершил на этом самолете ночной полет над Пайерном в Швейцарии. «Мы не знали, как поведет себя самолет, - рассказывает он. – Потребуется ли нам больше энергии, чем мы планировали? Не столкнемся ли мы с нисходящими потоками?» Не имея автопилота, он находился в воздухе в течение 26 часов подряд, используя техники йоги, чтобы разминать мышцы в тесной кабине. Когда он приземлился, он поставил сразу три рекорда: среди них были полет на максимальной высоте на пилотируемом самолете на солнечных батареях (более 9000 метров) и самый длительный полет на самолете на солнечных батареях (26 часов, 10 минут и 19 секунд).
Читайте также: Немецкая экологическая премия 2012 года - за солнечную энергетику
HB-SIA доказал команде инженеров, что концепция самолета на солнечных батареях была вполне состоятельной, однако этот аппарат не мог совершить кругосветное путешествие. Согласно расчетам Пиккара, учитывая довольно невысокую скорость самолетов на солнечных батареях – HB-SIA развивает скорость всего в 65 километров в час – полет над Атлантическим океаном потребует около трех дней, а над Тихим – пять или даже шесть дней. Для этого необходимо создать самолет с резервированными системами и более эргономичной кабиной пилота, где он мог бы спать, продумать способы более эффективного расхода энергии и создания ее запасов, и разработать электронные приборы с защитой от протечек, чтобы иметь возможность летать в условиях повышенной влажности. В настоящее время команда инженеров работает над созданием HB-SIB. «Первый самолет создан на основе технологий 2007 года. Второй самолет будет создан на основе технологий будущего», - отмечает Пиккар.
HB-SIB, который будет на 11% больше своего предшественника, будет оборудован автопилотом, более эффективными электродвигателями и каркасом, сделанным из еще более легких углеволокнистых материалов. Аккумуляторы будут обладать большей энергоемкостью благодаря использованию в них новых электролитов и электродов, разработанных компаниями Solvay и Bayer MaterialScience – эти технологии уже используются в производстве электромобилей и электроники. Эти две компании также разработали жесткую, высокопрочную полиуретановую пену для изоляции концевого обтекателя крыла и кабины пилота, которые в настоящее время Bayer использует в производстве холодильников и сфере строительства.
Пиккар очень доволен тем, что его проект привел к созданию технологий, которые могут быть использованы в других областях, однако он также надеется, что Solar Impulse привлечет интерес к использованию возобновляемых источников энергии. «Очень часто, когда мы заговариваем о защите окружающей среды, нам становится скучно, - объясняет Пиккар. - Потому что она предполагает снижение мобильности, уровня комфорта и темпов роста». Он надеется доказать, что использование потенциала солнца даст людям больше свободы.
Также по теме: НАСА потратит 1,1 миллиарда на развитие космического туризма
Некоторые параметры:
1) Каркас. Инженеры создали ультралегкий каркас самолета из углеродного волокна. При изготовлении концевых обтекателей крыльев и для изоляции гондол и кабины пилота была использована легкая и жесткая пена.
2) Крыло. Размах легких и длинных крыльев самолета составляет 63 метра. Такая длина позволяет уменьшить лобовое сопротивление, максимизировать аэродинамическую эффективность, а также разместить на крыльях 10748 фотоэлементов.
3) Фотоэлементы. Фотоэлементы, изготовленные из монокристаллического кремния толщиной в 150 микрон, занимают 200 квадратных метров площади поверхности самолета. Они преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с КПД в 22%.
4) Приборы. Из-за большого размаха крыльев и низкой скорости – около 65 километров в час – самолет может выполнять крен всего в 5 градусов – это гораздо более низкий показатель, чем у традиционных самолетов. Система Omega Instrument точно измеряет угол крена и блокирует штурвал, если пилот пытается слишком сильно накренить самолет.
5) Кабина пилота. В кабине пилота может находиться только один человек, и он не может вставать со своего кресла. Он управляет самолетом при помощи джойстика, рычага ножного управления и четырех ручных рычагов.
Читайте также: Сверхсветовая скорость - насколько это реально
6) Гондолы. Каждая из четырех гондол или подвесок, размещенных под лонжероном крыла, содержит аккумуляторный отсек, электрический мотор мощностью в 10 лошадиных сил и коробку приводов, которые заставляют пропеллер крутиться со скоростью в 400 оборотов в минуту. Распределяя вес батарей, гондолы позволяют уменьшить нагрузку на конструкцию.
7) Аккумуляторы. На долю батарейных отсеков с литий-полимерными аккумуляторами, общий вес которых составляет 400 килограммов, приходится четверть общего веса самолета. Эти аккумуляторы могут накапливать заряд в 109 ватт-час на один фунт своего веса.
Траектория полета
В дневное время самолет на солнечных батареях поднимается на высоту 8200-8500 метров. Когда солнце садится, пропеллеры сбрасывают обороты, чтобы экономить энергию, и самолет медленно снижается до 1400 метров. Он продолжает лететь на этой высоте до тех пор, пока не взойдет солнце и его аккумуляторы не начинают подзаряжаться. Метеорологи, входившие в состав группы разработчиков, определили оптимальное время в течение светлой части суток, когда самолет может набирать высоту, с учетом предполагаемой скорости ветра и облачности.
