Без топлива

В 9 утра в четверг, 8 июля 2010 года, неподалеку от швейцарского города Паерне, что в 50 километрах от Берна, совершил посадку самолет. В этой новости не было бы ничего необычного, если бы приземлившийся самолет не был первым в мире аппаратом, который смог продержаться в воздухе больше суток, не используя никакого другого топлива, кроме солнечной энергии.

Первый эскиз самолета-рекордсмена Solar Impulse появился относительно недавно - в 2003 году, а вот человечество шло к идее летающего устройства, для работы которого не нужно горючего, очень долго. Первыми подступами к ней можно считать попытки людей скопировать птичьи крылья и слетать с их помощью, скажем, с колокольни до дома.

Сила ног

Более или менее серьезно концепции летательных аппаратов начали разрабатываться в эпоху Возрождения – в трудах Леонардо да Винчи рисункам и описаниям принципов их действия посвящен не один десяток страниц. Первый самолет, летающий не только на бумаге, был создан в 1903 году братьями Райт. "Флаер-1" был сделан из еловых досок, оснащен бензиновым двигателем и летал со скоростью около 43 километров в час. Максимальное расстояние, которое пролетел этот самолет, составляло 60 метров, а высота полета не превышала трех метров.

После успеха братьев Райт многие их современники стали задумываться о возможности подняться в воздух, не используя двигатели. В 1912 году племянник основателя автоконцерна Peugeot Роберт объявил конкурс на создание мускулолета, который смог бы пролететь хотя бы один метр. Награда за это достижение составляла тысячу франков, а за совсем уже нереальные 10 метров - 10 тысяч франков. В соревновании приняло участие множество изобретателей, но ни один из них не смог заставить свое творение оторваться от земли.

Создать аппарат, способный летать только на энергии человеческих мышц, удалось в 1921 году. Спортсмен Габриэль Пулен (Gabriel Poulain) прикрепил к обычному велосипеду два крыла, разогнал получившуюся конструкцию до 40 километров в час и сумел пролететь при первой попытке 11,72 метра, а при второй – аж целых 12,3 метра. Обладатель приза Peugeot не придумал ничего оригинального - практически все его конкуренты пытались превратить в воздушное судно страшно популярные в те годы велосипеды.

Первый аппарат, напоминающий современные самолеты на мускульной тяге, появился только в 1935 году. И хотя конструкция не могла самостоятельно взлетать – ее приходилось запускать при помощи резиновой "рогатки" - уже в первый год машина пролетела 215 метров, а в 1937 году улучшила свой результат до 712 метров.

И все-таки первые мускулолеты были слишком тяжелыми для серьезных полетов. Первый аппарат, способный совершать длительные марш-броски, появился только в 1979 году - сконструированный британским инженером Полом Маккриди (Paul McCready) самолет Gossamer Albatross за 2 часа 49 минут пересек Ла-Манш (его длина ненамного превышает 35 километров), двигаясь со средней скоростью 12,7 километра в час. Поставить рекорд Gossamer Albatross удалось во многом благодаря новым синтетическим материалам, которых не существовало в начале века - самолет весил всего 32 килограмма. Все мускулолеты, последовавшие за Gossamer Albatross, используют те же конструкционные принципы, что и "дебютант", разве что хвостовое оперение у них находится сзади (Маккриди разместил его в передней части самолета).

Современные мускулолеты далеко обошли своих предшественников – рекорд дальности для таких машин составляет 115 километров. Но несмотря на то, что соревнования самолетов на мускульной тяге проводятся регулярно, эти аппараты – скорее, развлечение, чем серьезные инженерные разработки. Совсем другое дело – самолеты на солнечных батареях. Даровая энергия Солнца не требует чрезвычайного напряжения от пилота, и, кроме того, такие самолеты вообще можно делать автоматическими.

Сила света

Первый пилотируемый самолет, "питающийся" солнечным излучением, был построен создателем Gossamer Albatross - собственно, именно этот аппарат и стал прототипом самолета Gossamer Penguin. Маккриди просто заменил велосипедный привод на электродвигатель и установил на крылья солнечные элементы. Но повторить успех "Альбатроса" "Пингвин" не смог – во время первых испытаний он вообще не отрывался от земли на сколько-нибудь значительное время, а после некоторых доработок летал не дальше, чем на три километра.

Для осуществления настоящих полетов мощности "Пингвина" оказалось недостаточно, и тогда Маккриди решил серьезно пересмотреть его конструкцию. Инженер изменил расположение электродвигателя, винта и киля, а также увеличил число солнечных элементов - в общей сложности их было 16 тысяч. Чтобы разместить на самолете все необходимые фотоэлементы, Маккриди пришлось удлинить крыло до 14,3 метра.

Новый аппарат, весивший со всеми своими солнечными элементами всего 56 килограммов, автор назвал Solar Challenger (что можно перевести примерно как "бросающий вызов Солнцу"). В 1981 году Маккриди на своей машине преодолел Дуврский пролив - самую узкую часть Ла-Манша.

Беспилотник на солнечных батареях появился в 1974 году. Самолет Sanrisel был оснащен тысячью солнечных элементов, запускался в небо при помощи "рогатки" и достигал высоты 1,2 тысячи метров. Спустя 27 лет разработанные по заказу NASA беспилотники серии Pathfinder смогли подняться на высоту свыше 24 километров. Главным разработчиком этих аппаратов стала компания AeroVironment, основанная все тем же Маккриди .

Американский инженер долгие годы был безусловным лидером в сфере нестандартного воздухоплавания. И хотя созданная Маккриди компания продолжает работать и после смерти инженера, наступившей в 2007 году, в последнее время у нее появился серьезный конкурент. Швейцарец Бертран Пикар (Bertrand Piccard) увлекался летающими аппаратами с детства. В 1999 году Пикар вместе со своим компаньоном Брайаном Джонсом (Brian Jones) совершил первый в мире кругосветный полет на воздушном шаре Breitling Orbiter.

Новый уровень

Пикар серьезно занялся разработкой самолета на солнечных элементах в 2003 году, и уже через два года представил прототип машины Solar Impulse на авиасалоне в Ле-Бурже. Тестовые полеты "настоящего" самолета швейцарский изобретатель (кстати, психиатр по образованию) надеялся начать уже в 2008 году, а в 2010 году Пикар собирался отправиться на своем детище в кругосветный полет.

Со сроками Пикар несколько не угадал, но реализовать большую часть из задуманного сумел. К 7 июля 2010 года Solar Impulse совершил около десятка тренировочных полетов, самый продолжительный из которых длился 14 часов. Все тесты проводились при дневном свете, когда солнечные элементы постоянно получали энергию.

Главным испытанием для Solar Impulse должен был стать ночной полет. Для хранения солнечной энергии Пикар оснастил самолет аккумуляторами, общая масса которых составляет около 500 килограммов. Солнечные элементы швейцарского самолета позволяют максимально эффективно улавливать излучение – например, для того, чтобы использовать лучи, отраженные от земной поверхности или падающие под очень маленьким углом, внизу крыла находятся фотоэлементы особого химического состава, отличающегося от стандартного.

Всего на Solar Impulse размещено 12 тысяч солнечных элементов, причем они находятся не только на крыле длиной 63,4 метра (это сравнимо с размахом крыльев Боинга-747), но и на несущих конструкциях самолета. Такое решение позволяет не только "впихнуть" дополнительные фотоэлементы, но и снизить нагрузку на крыло. Все конструкции самолета сделаны из чрезвычайно легких и при этом прочных углепластиков - Solar Impulse весит, как типичная малолитражка, 1,6 тысячи килограммов. На нем установлены четыре электромотора мощностью по 10 лошадиных сил каждый.

Solar Impulse отправился в суточный полет 7 июля в 6.51 по местному времени и вернулся назад в 9 утра 8 июля. Самолетом, который нарезал круги над Швейцарией, управлял напарник Пикара Андрэ Боршбер (Andre Borschber). Днем самолет летал на высоте около 8,5 тысячи метров и даже поднимался до 8,7 тысячи метров, а ночью плавно снижался, чтобы по минимуму использовать накопленный аккумуляторами ресурс. Фактически, в темное время суток Solar Impulse превращается в крайне эффективный планер: за время, необходимое самолету для изменения высоты на один метр, он успевает пролететь по горизонтали 40 метров. Общее время полета составило 26 часов 9 минут, и по возвращении ресурса аккумуляторов оставалось еще на три часа. Средняя скорость движения составляла около 40 километров в час.

Теперь следующая цель Пикара и Боршбера - кругосветный полет. После столь успешной демонстрации возможностей Solar Impulse, вероятно, многие компании обратят внимание на проект швейцарца и захотят спонсировать дальнейшие разработки (пока в проект уже было вложено 95 миллионов долларов). Даже если не брать в расчет военные перспективы самолетов на солнечных элементах (хотя здесь у беспилотников заметно больший потенциал), экологически чистый транспорт сегодня - это очень модно. Растущее число доказательств глобального потепления и его антропогенной природы заставляет задумываться об альтернативных видах топлива. Впрочем, получение солнечных элементов - это само по себе экологически очень грязное производство, так что инженерам еще предстоит оценить вред и улучшить его технологические принципы создания этих элементов. Но как бы там ни было, успех Solar Impulse дает повод людям, далеким от экологии и инженерных наук, порадоваться, что небо стало чуть-чуть ближе.