Солнечный самолет

Лето 2010 года навсегда войдет в историю авиации. Впервые пилотируемый самолет на солнечных батареях совершил беспосадочный полет длительностью более суток. Уникальный прототип СОЛНЕЧНОГО САМОЛЕТА HB-SIA — детище швейцарской компании Solar Impulse и ее бессменного президента Бертрана Пикара.

В своем послании, размещенном на сайте компании после успешных испытаний летательного аппарата, Пикар отмечал: «До этого дня мы не могли по-настоящему рассчитывать на чье-либо доверие. Теперь же мы действительно можем показать всему политическому и экономическому миру, что эта технология работает».

Ранним утром 7 июля благодаря энергии, вырабатываемой 12 тысячами солнечных элементов, установленных па крыле длиной более 64 метров (вполне сравнимо с габаритами лайнера Airbus А340), необычного вида одноместный самолет весом в полторы тонны поднялся с аэродрома в Пайерне (Швейцария). За штурвалом сидел один из основателей Solar Impulse, 57-летний швейцарский пилот и бизнесмен Андре Боршберг.

«Это был самый удивительный полет в моей жизни, — заметил он после приземления. — Я просто сидел и смотрел, как уровень заряда батареи поднимается с каждым часом, и гадал, хватит ли емкости на всю ночь. А в результате пролетал 26 часов без единой капли топлива и какого-либо загрязнения окружающей среды!»

Solar Impulse - не первый самолет на солнечной энергии, построенный человеком, но первый, преодолевший границу между днем и ночью с пилотом на борту.

Модели СОЛНЕЧНЫХ САМОЛЕТОВ начали появляться в 1970-х годах с выходом на рынок первых доступных по цене фотоэлектрических элементов, а в 80-е начались и пилотируемые полеты. Американская команда под руководством Пола Маккриди создала самолет Solar Challenger мощностью 2,5 кВт, который совершал впечатляющие многочасовые полеты. В 1981 году ему удалось преодолеть Ла-Манш. А в Европе Гюнтер Рохельт из Германии поднялся в небо на собственной модели Solair 1, оснащенной двумя с половиной тысячами ячеек общей мощностью около 2,2 кВт.

В 1990 году американец Эрик Реймонд пересек Соединенные Штаты на своем Sunseeker. Впрочем, на путешествие с двадцатью остановками ушло более двух месяцев (121 час полета), а самый длинный отрезок насчитывал около 400 километров. Весила модельлетательного аппарата всего 89 килограммов и была оснащена кремниевыми солнечными панелями.

В середине 90-х сразу несколько подобных самолетов приняли участие в конкурсе «Berblinger»: перед ними стояла задача выйти на высоту в 450 метров и продержаться на энергии солнца порядка 500 Вт на квадратный метр крыла. Приз в 1996 году получила модель профессора Войта-Ницшманна из университета Штутгарта, чей Icare II имел 25-метровое энергетическое крыло площадью 26 кв. метров.

В 2001 году «солнечный» беспилотник компании AeroVironment под названием Helios, разработанный специально для НАСА и имевший размах крыла более 70 метров, сумел подняться на высоту более 30 километров. Двумя годами позже он попал в зону турбулентности и пропал где-то в Тихом океане.

В 2005 году небольшой беспилотник с размахом крыла около 5 метров Алана Коккони и его компании AC Propulsion впервые успешно осуществил полет длительностью более 48 часов. За счет энергии, накопленной в дневное время, летательный аппарат был способен и на ночной полет. Наконец, в 2007-2008 годах англо-американская компания QuinetiQ осуществила успешные полеты своего летательного аппарата Zephyr продолжительностью 54 и 83 часа. Машина весила около 27 кг, размах крыла составлял 12 м, а высота полета превышала 18 км.

Проект самолета на солнечных батареях Solar Impulse вряд ли сумел бы выбраться из пеленок чертежей и набросков, если бы не энергия неутомимого Бертрана Пикара — врача, путешественника, бизнесмена и авиатора-рекордсмена. Впрочем, похоже, помогли и гены.

Дед инноватора Огюст Пикар — знаменитый физик, друг Эйнштейна и Марии Кюри, один из пионеров авиации и подводного дела, изобретатель первого глубоководного аппарата и стратостата. Преодолев на воздушном шаре 15-километровую высоту в начале 30-х, он стал первым человеком в мире, собственными глазами увидевшим кривизну поверхности земного шара.

Затем Огюста потянуло вниз, и изобретатель построил глубоководный аппарат, который назвал батискафом. После нескольких совместных погружений его сын Жак Пикар настолько увлекся исследованием тайн Мирового океана, что стал одним из первопроходцев, побывавших на дне Марианской впадины (глубина 11 км.). Затем, взяв за основу работы отца, Жак построил первую в мире субмарину для туристов, а также мезоскаф для исследования Гольфстрима.

Благодаря отцу Бертран Пикар, родившийся в 1958 году, еще в детстве получил уникальную возможность лично познакомиться с выдающимися людьми, во многом определившими его будущее: знаменитым швейцарским пилотом-спасателем Германом Гейгером, с которым он совершил первый перелет через Альпы, дайвером-рекордсменом Жаком Майолем, учившим его погружению во Флориде, одним из столпов мировой космонавтики Вернером фон Брауном, познакомившим его с астронавтами и сотрудниками NASA.

В 16-летнем возрасте, возвратившись из Флориды после очередного практического курса глубоководных погружений, Бертран совершил свое первое воздушное путешествие, открыв для себя дельтаплан. Стоит ли удивляться, что именно он вскоре стал одним из пионеров этого вида спорта в Европе. Спустя годы Пикар не только стал основателем Швейцарской федерации дельтапланеризма и профессиональным инструктором, но и испробовал все, что только возможно: воздушную акробатику, запуск с воздушного шара, парашютный спорт. Несколько раз Пикар становился чемпионом Европы в этом виде спорта, наконец, он был первым, кто перелетел швейцарско-итальянские Альпы на мотодельтаплане.

Незаметно «воздушное» хобби стало для него еще и профессиональной лабораторией. Заинтересовавшись поведением людей в экстремальных ситуациях, Пикар поступил на отделение психиатрии и через несколько лет получил докторскую степень медицинского факультета университета Лозанны в области психотерапии, после чего открыл собственную практику. Предметом особого интереса для Бертрана стали техники медицинского гипноза: недостающие знания он получал как в университетах Европы и США, гак и у последователей даосизма в Юго-Восточной Азии.

Именно этот интерес снова вернул Пикара в небо. В 1992 году компания Chrysler устроила первую в истории трансатлантическую гонку на воздушных шарах, получившую название Chrysler Challenge. Бельгийский авиатор Вим Верштратен пригласил Пикара в качестве второго пилота — он был уверен, что наличие па борту психотерапевта, владеющего практикой гипноза, может оказаться неплохим преимуществом перед остальными командами. Так и получилось. Экипаж Верштратена и Пикара легко выдержал марафон и выиграл историческую гонку, приземлившись в Испании посте пятидневного перелета длиной в пять тысяч километров.

Для Пикара полет стал не просто откровением, а еще и новым способом взаимодействия с природой. После 18 лет полетов на дельтаплане у него появилась новая мечта — облететь весь мир без мотора и руля, положившись на волю ветра.

И мечта сбылась. Пусть и не с первой попытки. Спонсорами выступили швейцарский производитель часов Breitling и Международный олимпийский комитет. 12 января 1997 года, после трех лет подготовки, воздушный шар под названием Breitling Orbiter взлетел с аэродрома в Швейцарии, но из-за технических неполадок уже через шесть часов приземлился. Breitling Orbiter 2 отправился в полет в феврале 1998 года, но снова не добрался до точки назначения. На этот раз остановка произошла в Бирме, после того как китайские власти отказали Пикару в предоставлении воздушного коридора. Этот полет стал самым длительным путешествием на воздушном шаре в истории (более девяти дней), но цель все еще не была достигнута.

Наконец, третий шар покинул Швейцарию в марте 1999 года и приземлился в Египте после непрерывного полета длительностью почти в 20 суток и протяженностью более 45 тысяч километров. Своим беспрецедентным путешествием Пикар побил семь мировых рекордов, заработал несколько почетных научных званий и вошел в энциклопедии наряду со знаменитыми отцом и дедом.

Breitling Orbiter 3 разместился в Смитсоновском музее воздухоплавания и космонавтики в США, а Бертран Пикар написал несколько книг и стал желанным гостем на многочисленных лекциях и семинарах.

В 2003 году неутомимый Пикар объявил о новом, еще более амбициозном начинании, взявшись за создание пилотируемогосамолета на солнечных батареях, способного облететь весь земной шар. Так появился проект Solar Impulse.

Партнером Пикара и незаменимым СЕО компании стал швейцарский пилот и бизнесмен Андре Боршберг. Он родился в Цюрихе, закончил инженерный факультет Федерального политехнического института в Лозанне (EPFL), получил в легендарном Массачусетском технологическом институте степень в области менеджмента, и с тех пор накопил огромный опыт в качестве основателя и управляющего самых разных бизнес-проектов. Кроме того, с ранних лет Андре увлекался авиацией — учился в школе ВВС Швейцарии и получил не один десяток лицензий, дающих право профессионального управления самолетами и вертолетами всех мыслимых категорий.

Пять лет Боршберг проработал в одной из крупнейших консалтинговых компаний мира McKinsey, после чего основал собственный венчурный фонд, вывел в свет две компании в области высоких технологий и создал благотворительный фонд.

В 2003 году в Лозанне Пикар и Боршберг провели предварительные исследования, подтвердившие принципиальную инженерную возможность реализовать концепцию Пикара. Расчеты подтверждали, что создать летательный аппарат на солнечных батареях теоретически возможно. В ноябре 2003 года проект был официально запущен, и начались разработки прототипа.

Начиная с 2005 гола в Королевском институте метеорологии в Брюсселе моделировались пробные виртуальные полеты модели самолета в реальных условиях аэропортов Женевы и Цюриха. Главной задачей был расчет оптимального маршрута, ведь долго находиться под облаками, закрывающими солнце, СОЛНЕЧНЫЙ САМОЛЕТ не мог. И наконец, в 2007 году началось изготовление самолета.

В 2009 году первенец HB-SIA был готов к испытательным полетам. В процессе создания конструкции перед инженерами стояли две основных задачи. Нужно было минимизировать вес летательного аппарата, одновременно добиваясь максимальной энерговооруженности и эффективности. Первая цель была достигнута за счет использования углеродного волокна, специально разработанной «начинки» и путем избавления от всего лишнего. К примеру, кабина пилота не имела системы обогрева, так что Боршбергу пришлось использовать специальный термокостюм.

Главным, по попятным причинам, стал вопрос получения, накопления и оптимального расходования солнечной энергии. В типичный полдень каждый квадратный метр земной поверхности получает около тысячи ватт или 1,3 «лошадиных силы тепла». 200 квадратных метров фотоэлементов с 12-и % КПД вырабатывают около 6 киловатт энергии. Много ли это? Скажем так, примерно столько же было в распоряжении легендарных братьев Райт в 1903 году.

Па поверхности крыла СОЛНЕЧНОГО САМОЛЕТА было смонтировано более 12 тысяч ячеек. Их эффективность могла бы быть и выше — на уровне тех панелей, что устанавливаются па МКС. Но более эффективные ячейки обладают и большим весом. В невесомости это не играет роли (скорее уж — при подъеме энергетических ферм на орбиту при помощи космических «грузовиков»). Однако СОЛНЕЧНЫЙ САМОЛЕТПикара должен был продолжать полет ночью, используя накопленную в аккумуляторах энергию. И вот тут каждый липший килограмм играл критически важную роль. Именно фотоэлементы оказались самым тяжелым компонентом машины (100 килограммов, или около четверти веса летательного аппарата), так что оптимизация этого соотношения стала самой сложной задачей для команды инженеров.

Наконец, на СОЛНЕЧНЫЙ САМОЛЕТ установили уникальную бортовую компьютерную систему, оценивающую все параметры полета и предоставляющую необходимую информацию пилоту, а также наземной команде. В общей сложности инженеры Solar Impulse в процессе реализации проекта создали около 60 новых технологических решений в области материалов и солнечной энергетики.

В 2010 году начались первые и весьма успешные тестовые полеты, а уже в июле Андре Боршберг совершил свой исторический круглосуточный полет.

«К утру в батареях оставалось еще около 10 процентов заряда, — рассказывал воодушевленный Боршберг. — Это прекрасный и совершенно неожиданный для нас результат. Наш самолет размером с авиалайнер и весит как автомобиль, но потребляет энергии не больше, чем мопед. Это начало новой эры, причем не только в авиационной индустрии. Мы показали потенциал возобновляемой энергии: если уж мы можем на ней летать, то способны и на многие другие вещи. С помощью новых технологий мы можем позволить себе сохранить привычный уровень жизни, но потреблять гораздо меньше энергии. Ведь пока что мы слишком зависимы от двигателей внутреннего сгорания и цен на ресурсы!»

HB-SIA - технические данные прототипа

Высота полета — 8 500 м
Наибольшая масса — 1 600 кг
Крейсерская скорость — 70 км/ч
Минимальная скорость — 35 км/ч
Размах крыла — 63,4 м
Площадь крыла — 200 кв.м
Длина — 21,85 м
Высота — 6,4 м
Мощность силовой установки — 4×7,35 кВт
Диаметр винтов силовой установки — 3,5 м
Масса аккумуляторов — 400 кг
КПД солнечных батарей (11 628 монокристаллов) - 22,5%

Имеет ли солнечная авиация будущее? Разумеется, обещает Боршберг. В 1903 году братья Райт были уверены, что пересечь Атлантику на самолете невозможно. А спустя 25 лет Чарльз Линдберг сумел долететь из Нью-Йорка в Париж. Еще столько же лет потребовалось на создание первого 100-местного авиалайнера. Команда Пикара и Боршберга находится только в начале пути, максимальная скорость рабочего прототипа — не более 70 километров в час. Но первый шаг уже сделан.

Впрочем, в Solar Impulse уже знают, что будет дальше. В 2012-2013 годах прототип СОЛНЕЧНОГО САМОЛЕТА HB-SIB с обновленным оборудованием и постоянным давлением в кабине пилота должен совершить первое кругосветное путешествие на «солнечном крыле». Размах несущей поверхности составит около 80 метров — больше, чем у любого современного авиалайнера. Ожидается, что полет пройдет на высоте 12 километров. Правда, он не будет непрерывным. Для смены экипажа из двух пилотов потребуется пять посадок. Ведь полет при все еще невысокой линейной скорости займет более трех-четырех суток.

Как бы то ни было, проект Пикара вселяет оптимизм. Возможно, через пару десятилетий авиакомпании, наконец, перестанут повторять сакраментальную мантру о том, что скоро «нефть кончится». Кончится? Ну, и отлично. Будем летать не на керосине, а на солнечной энергии!