Диссертация (Методика формирования облика беспилотных летательных аппаратов с силовой установкой на солнечной энергии), страница 3

Сформирован облик перспективного ЛА для решение актуальной народнохозяйственной задачи.В главе 4 также проведена оценка потенциальных возможностей БЛА насолнечнойэнергии.Определенуровеньдостижимыхрассматриваемого типа ЛА для различных регионов эксплуатации.18характеристикГЛАВА 1АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВРАЗВИТИЯ САМОЛЕТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕТА1.1История развития самолетов, использующих солнечную энергиюПервым летательным аппаратом с использованием солнечной энергии былдистанционно-пилотируемыйсамолетамериканскойкомпанииAstroFlight«Sunrise».

Созданный под руководством R. J. Boucher по контракту с ARPA(aircraft research projects agency) самолет совершил свой первый полет 4 ноября1974 году над высохшим озером Camp Irwin в Калифорнии. На его крыльяхразмахом 9,76м было установлено 4096 солнечных элементов общей мощностью450 Вт. Масса самолета составляет 12,25 кг. В результате летных испытанийсамолет достиг 4-х часовой продолжительности полета. В 1975 году компанияAstroFlight построила усовершенствованный самолет «Sunrise II» (рис. 1). Онимел тот же размах крыла, но на нем уже было установлено 4480 солнечныхэлементов с общей мощностью 600 Вт, масса самолета была снижена до 10,21кг.Оба самолета разбились в процессе испытательных полетов, однако полученные входе испытаний результаты положили начало самолетам с использованиемсолнечной энергии [76].Рис.

1 Летательный аппарат Sunrise IIСледующим этапом в развитии летательных аппаратов с использованиемсолнечной энергии был этап создания пилотируемых самолетов. 19 декабря1978 г. на аэродроме Lasham Airfield, Hampshire (Великобритания) Britons DavidWilliams и Fred To подняли в воздух самолет «Solar One» (рис. 2)Рис. 2 Летательный аппарат «Solar One»Изначально самолет задумывалось приводить в движение за счетмускульной силы, но он оказался слишком тяжелым и было принято решениепеределать его в самолет с использованием солнечной энергии.Самолетвыполнен по классической схеме. Его длина 6.7м, размах крыла 20,7м, площадькрыла 24,2м2, мощность силовой установки 4л.с.

Энергоемкость NiCd-й бортовойбатареи 25 А·ч. Дальность полета составила 1200м на высоте 24м, достигнутамаксимальная скорость77,8 км/ч. Создатели самолета утверждали, что приналичии более эффективных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), всолнечный день аппарат мог бы летать без запасающей батареи. Однако,стоимость таких ФЭП в то время практически равнялась стоимости самолета. [76]Идею осуществления полета только за счет ФЭП удалось воплотить в жизньдоктору Paul McCready основателю компании AeroVironment (США). В 1980г.благодаря спонсорству компании Dupont (одной из ведущих компаний попроизводству ФЭП) и консультации R.J.

Boucher создателя «Sunrise I» и «SunriseII» удалось построить самолет Gossamer Penguin (рис. 3)20Рис. 3 Летательный аппарат «Gossamer Penguin»Это первый самолет, силовая установка которого работала только за счетэнергии солнца и этой энергии было достаточно для поддержания полета. Однако,этот самолет был чрезвычайно хрупок и опасен для полетов на высоте большейчем несколько метров. [78]Компания Dupont, удовлетворенная результатами проекта, спонсировалаPaul MacCready на постройку нового самолета, способного перелететь пролив ЛаМанш с использованием только энергии солнца.

В результате этого проекта былпостроен самолет «Solar Challenger» (рис. 4).Рис. 4 Летательный аппарат «Solar Challenger»Длина самолета 8,8м. Размах крыла составлял 14,2м. Вся его поверхность иповерхностьстабилизаторапокрыты2116128солнечнымиэлементами,вырабатывающими суммарную мощность 2500Вт. Вес пустого самолетасоставлял 90кг. Он мог развивать максимальную скорость 64 км/ч, амаксимальная скороподъемность составляла 0,76м/с. 7 июля 1981г. он вылетел изаэродрома Puntoise-Cormeilles недалеко от Парижа и приземлился в Manston близЛондона, преодолев тем самым расстояние 262км за 5ч 23мин. Полет проходилтолько за счет солнечной энергии, без использования бортовых аккумуляторов[78].Почти одновременно с «Solar Challenger» в Германии под руководствомGünter Rochelt создавался самолет «Solair I» (рис.

5) Самолет был выполнен посхеме утка с подкосным креплением крыла, размах которого составлял 16м.Покрытый 2499 солнечными элементами суммарной мощностью 1800Вт самолет21 августа 1983г. смог продержаться в воздухе 5ч 41мин.Рис. 5 Летательный аппарат «Solair I»Еще один интересный проект – самолет «Sunseeker» спроектированный ипостроенный Эриком Раймондом (США) в 1989г. По своей сути самолетнапоминает планер с высоким аэродинамическим качеством. Оснащенныйсиловой установкой мощностью 2,5 л.с. и бортовыми аккумуляторами самолет в1990 г., пилотируемый его создателем, за 21 полет пересек Соединенные ШтатыАмерики.

Общее время пребывания в воздухе составило 121 ч. и на это не былопотрачено ни одного грамма топлива.22Рис. 6 Летательный аппарат «Sunseeker»1.2Современное состояние и перспективные проектыВ 1983г. правительство США, заинтересованное перспективами самолетов сиспользованием солнечной энергии, инвестировала в компанию AeroVironmentдля создания секретной военной программы HALSOL (High Altitude Solar) –программы по созданию самолета, способного месяцами барражировать навысотах 15-20км. В этом же году был совершен полет прототипа, но результатыпоказали, что уровень развития солнечных и запасающих элементовнедостаточенПрограммадлябыласовершениязакрыта.круглосуточногоОднако,в1994онабеспосадочногобылабылполета.рассекреченаитрансформирована в программу ERAST (Environmental Research Aircraft andSensor Technology) под эгидой NASA – программу по исследованию беспилотныхлетательных аппаратов с высокой топливной эффективностью, которые могли быпродолжительное время находится в воздухе в исследовательских целях.

Итогомболее чем 20-ти летней работы явилась серия аппаратов, установившая рядмировых рекордов, действующих по сей день. Вершиной развития стал самолетHelios (рис. 7).Выполненный по схеме летающее крыло, размах которогосоставляет 75,3м, он смог подняться на высоту 29524м. Площадь крыла 184м2,взлетный вес – 726кг. [52]23Рис. 7 Летательный аппарат «Helios» слева, справа основатель AeroVironment PaulMacCready демонстрирует конструкцию лонжерона.Самолет предполагалось использовать в качестве атмосферного спутникаили высотной коммуникационной платформы. Находясь на высоте 20км из-завысокого угломестного положения ему достаточно 0,0001 энергии стационарнойкоммуникационной башни для передачи того же сигнала. К тому же, такаяплатформа может обеспечить более высокий уровень частот, чем спутники, что всочетании с меньшим расстоянием до Земли в 1000 раз увеличит скоростьпередачи данных на ту же площадь.

Это приведет к значительному удешевлениюсвязи. Однако, в 2003г. самолет потерпел крушение, попав в турбулентную зону.Огромные габариты самолета – следствие необходимости выдерживания оченьнизкой нагрузки на крыло (4даН/м2) для поддержания полета с малыми затратамиэнергии. Таким недостатком обладают все самолеты с использованием солнечнойэнергии, поэтому для снижения влияния атмосферных явлений эксплуатационнаявысота таких аппаратов закладывается выше 20км, где практически отсутствуеттурбулентность и облачность.Под те же задачи британская компания Qinetiq, работающая в областиоборонных технологий, разрабатывает самолет Zephyr (рис.

8). Последняя версиясамолетав2010г.установиламировойбеспосадочного полета, который составил 14 суток.24рекордпродолжительностиРис. 8 Летательный аппарат «Zephyr-8»Самолет спроектирован для полета на высоте 18км – выше уровня плотнойоблачности и трасс авиалиний. Длительный полет может осуществляться вширотах менее 40о Масса БЛА составляет 52,5 кг. Размах крыла 22м. Массаполезной нагрузки 2,5кг. Конструкция планера способна выдерживать перегрузкуnу  5 .Разработчикипланируютдовестипродолжительностьполетадонескольких месяцев. Основные области его применения: длительный мониторингземной поверхности в гражданских и военных целях, ретрансляция связи,контроль окружающей среды и т.д. Летательный аппарат запускается с рук итолько в благоприятных погодных условиях.

На вопрос о возможнойнеобходимости запуска в плохих погодных условиях разработчики предлагаюториентироваться на прогноз и запускать самолет заранее до их наступления.Одинизсамыхамбициозныхпроектоввобластисамолетовсиспользованием солнечной энергии – проект компании Solar Impulse (рис. 9), приподдержке ведущих европейских компаний.25Рис. 9 Летательный аппарат «Solar Impulse»Это пилотируемый самолет, на котором совершен кругосветный полетисключительно на солнечной энергии. Основная идея проекта - привлечьвнимание к использованию солнечной энергии. Коммерческая составляющаятакже подразумевает использование полученных наработок в создании высотнойтелекоммуникационной платформы.