Может парить в небе годами: почему до сих пор нет авиалайнеров на солнечных батареях?

Атмосферные спутники могут стать идеальными разведывательными аппаратами

true true true Авиакомпании — а следовательно, и пассажиры — тратят на закупки керосина огромные деньги, от 20% до 40% стоимости обычного билета. С учетом того, что в мире идет «зеленая» кампания по борьбе с использованием ископаемого топлива, идея самолета на солнечных батареях многим кажется привлекательной. В 2017 году один из таких опытных аппаратов даже совершил кругосветное путешествие, но пускать технологию в серию никто не спешит. О том, почему у человечества нет солнечных авиалайнеров и как подобные аппараты могут заменить спутники — в материале «Газеты.Ru».

Вокруг света за 550 часов

Идея запитать летательный аппарат от солнца не нова, и NASA экспериментировало с этим еще в 1970-х годах, когда солнечные батареи были относительной новинкой. В основном это были небольшие исследовательские дроны или легкие авиетки, вроде Solar Challenger, который в 1981 году смог перелететь из Франции в Великобританию через Ла-Манш.

С годами эффективность солнечных панелей повышалась, и уже в XXI веке швейцарский воздухоплаватель Бертран Пикар — внук изобретателя батискафа Огюста Пикара и сын первого человека в Марианской впадине Жака Пикара — решил превратить «солнечнолеты» из игрушек во что-то реальное.

Вместе с инженером Андре Боршбергом он создал Solar Impulse: огромный четырехмоторный самолет с размахом крыльев в 71 метр, больше, чем у Boeing 747.

Большие крылья служат двоякой цели. Во-первых, они позволяют держаться в воздухе на малой скорости. Во-вторых, и в-главных, вся их поверхность, как и вся верхняя часть фюзеляжа, покрыта сверхлегкими солнечными панелями, чья толщина не превышает человеческий волос. Панели имеют пиковую мощность 66 кВт, а четыре двигателя в сумме — 160 кВт. Разницу при необходимости можно получать от установленных на двигателях литий-ионных батарей, которых хватает на всю ночь.

В 2015-2016 годах Боршберг и Пикар совершили на Solar Impulse кругосветное путешествие по маршруту Абу-Даби — Абу-Даби, которое заняло 14 месяцев. Это потребовало 16 посадок, от Индии и Японии до Гавайев, материковых США и Испании, всего же в воздухе самолет находился 550 часов. Так же 3 июля 2015 года на пути из Японии на Гавайи пилоты поставили рекорд дальности для солнечных самолетов (7200 км), а так же абсолютный для всех самолетов по времени в воздухе — 117 часов. Это удалось лишь благодаря колоссальной целеустремленности и регулярным занятиям физкультурой в кабине, — иначе вряд ли бы Боршберг и Пикар смогли высидеть в кабине целую рабочую неделю.

Пилоты так же вышли в эфир прямо с борта и выступили на генассамблее ООН, рассказав о важности борьбы с выбросами углекислого газа и глобальным потеплением. Их посыл был прозрачен: сегодня наш самолет пересекает целый мир, значит завтра такие же смогут потеснить керосиновые лайнеры. Но правда ли это?

Слишком слабый свет

Solar Impulse способен находиться в воздухе круглосуточно, и потому его посадки были связаны скорее с необходимостью отдыха и техобслуживания. Но даже если представить аналогичное путешествие, но без посадок, то «вокруг света за 550 часов» звучит привлекательно только для мира XIX века. Крейсерская скорость Solar Impulse 90 км/ч, а ночью он замедляется до 60 км/ч для экономии заряда, — то есть, его без проблем обгонит любой современный автомобиль, даже не нарушая скоростной режим.

Можно предположить, что такие ограничения связаны с незрелостью технологий, якобы первые самолеты тоже были медленными. На самом деле, солнечнолеты страдают от фундаментального физического ограничения.

На самолет действуют четыре основные силы: двигатель тянет его вперед, гравитация — вниз, подъемная сила крыла — верх, а лобовое сопротивление — назад. Чтобы самолет летел, подъемная сила должна быть больше веса. Увеличить подъемную силу можно за счет размера крыльев (которые у Solar Impulse и так огромные) и за счет скорости. Скорость зависит от отношения тяги к сопротивлению, но сопротивление растет при увеличении скорости, причем очень быстро (примерно как третья степень). Иными словами, медленный полет требует во многие разы меньшей энергии, чем быстрый.

А с энергией у аппаратов такого типа проблемы. В верхних слоях атмосферы мощность солнечного излучения составляет примерно 1,3 кВт на квадратный метр, но значительная часть этой мощности поглощается толщей воздуха, а солнечные панели не работают со стопроцентной эффективностью. Даже если предположить, что гипотетические новые батареи будут вырабатывать 500 Вт на кв. м (что намного больше, чем возможно в наши дни), то их набор с общей площадью 270 м2, как на Solar Impulse, будет выдавать всего лишь 135 кВт. Для сравнения, Boeing 747 развивает в крейсерском полете мощность примерно в 70 мВт, то есть, в 500 раз больше.

Солнечному «Боингу» потребовалось бы крыло площадью 135 тысяч квадратных метров, что соответствует 13 футбольным полям. Создание самолета с таким циклопическим крылом на практике невозможно. Гипотетически можно представить, что тонкопленочные солнечные панели могут разворачиваться из рулонов на высоте и развеваться по ветру за самолетом, но такие экзотические идеи инженеры пока рассматривают лишь теоретически.

По расчетам инженеров из MIT, практическая скорость солнечнолетов без использования экзотических конструкций никогда не превысит 100-150 км/ч, а грузоподъемность всегда будет маленькой — максимальный взлетный вес Solar Impulse составляет примерно 2,5 тонны. В таких условиях даже те, кто всерьез переживают за экологию и глобальное потепление, скорее выберут скоростной поезд, чем солнечный лайнер с загрузкой в пару пассажиров.

Спутник, но лучше

Но это не значит, что солнечные самолеты — тупиковая концепция сама по себе. Пусть летают они медленно, зато способны оставаться в воздухе очень долго, — дни, недели, месяцы, возможно, годы. Это привело к созданию концепции атмосферных или псевдо-спутников: высотных аппаратов, способных зависать над какой-то местностью в течение очень долгого времени, работающих как наблюдательная платформа или радиоретранслятор.

Например, в середине 2010-х годов компания Facebook (владелец компания Meta признана в России экстремистской и запрещена) разрабатывала аппарат Aquila, который бы летал на высоте до 27 километров и «раздавал интернет» жителям бедных стран Африки, Азии и Латинской Америки. Каждый аппарат находился бы в воздухе три месяца и охватывал территорию радиусом 90 км, обеспечивая связь намного дешевле, чем спутники, а ее качество было бы выше. В 2018 году разработка прекратилась — но не потому, что идею отвергли, а потому, что за аналогичные проекты взялись специализированные авиаконструкторские фирмы.

Так, концерн Airbus разрабатывает аппараты серии Zephyr. Самая новая модель, Zephyr 8/S, при размахе крыльев в 25 м весит всего 60 кг, так что на испытаниях инженеры запускают ее с рук. Из этих 60 кг 24 приходится на аккумуляторы, а 5 — на полезную нагрузку. Планировалось, что он сможет подниматься до 23 км оставаться в небе почти год, но в 2022 году опытный образец был потерян спустя 64 дня полета. Новая, более крупная модель Zephyr T, должна подняться в воздухе в 2026 году.

Аналогичные проекты разрабатывают по всему миру — британский PHASA-35, немецкий HAP-alpha или корейский KARI EAV. Все они похожи друг на друга: огромные крылья, тонкий фюзеляж и очень малый вес.

У этой технологии так же есть потенциальное военное, точнее, разведывательное применение. В отличие от настоящих спутников, которые движутся по фиксированной орбите, псевдоспутники способны зависать над нужным районом в течение многих дней.

Глазом их заметить почти невозможно из-за огромной высоты полета, в инфракрасном диапазоне — тоже, поскольку их двигатели не испускают горячую струю.

Кроме того, подобные аппараты создаются из легких полимерных материалов, которые сами по себе менее заметны для радаров, чем металл. Если же им придать еще и нужную форму, как у стелс-самолетов, весьма вероятно, обнаружить радаром, и тем более сбить такую цель будет крайне трудно.

Так что солнечный самолет и правда отличная идея — только не для путешествий.

Что думаешь? Комментарии