ПОСВЯЩАЕТСЯ 80

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
САМОЛЕТОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮ ДЛЯ ПОЛЕТА
Лисейцев Н. К, Самойловский А. А
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
г. Москва, Россия
В настоящее время продолжительность полета беспилотных летательных
аппаратов ограничена главным образом запасом энергии. Перевод на солнечную энергию
позволит резко увеличить время пребывания в воздухе.
Целью работы является достижение увеличенной продолжительности полета
беспилотных летательных аппаратов, благодаря использованию солнечной энергии.
Достижение поставленной цели осуществляется благодаря трем основным
составляющим, заключающим в себе научную новизну проекта:
1) применение фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на летательном аппарате;
2) разработка методики выбора рациональных проектных параметров летательного
аппарата, использующего солнечную энергию;
3) разработка методики повышения эффективности летательного аппарата,
использующего солнечную энергию.
Самолеты, использующие солнечную энергию для поддержания и обеспечения
полета − это своеобразный тип летательных аппаратов (ЛА), большинство
горизонтальных
поверхностей
которых
покрыто
солнечными
элементами,
преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток. Преобразованная
электрическая энергия используется для обеспечения поступательного движения ЛА,
работы бортовой аппаратуры и аккумулирования с последующим использованием ее для
ночного полета.
Использование солнечной энергии на ЛА открывает невозможные ранее
перспективы осуществления длительных (в течение нескольких месяцев и даже лет)
полетов. Солнце является неисчерпаемым источником энергии. Величина его излучения
на высотах выше 15−18км стабильна и прогнозируема. Осуществление полетов в
тропопаузе дает практически полную независимость от таких атмосферных явлений как
облачность, осадки, порывы ветра.
Основные направления применения таких ЛА в качестве атмосферных спутников
связи и длительного мониторинга земной поверхности. Находясь на высоте 20км из-за
высокого угломестного положения ему достаточно 0,0001 энергии стандартной
коммуникационной башни, для передачи того же сигнала. К тому же, такая платформа
может обеспечить более высокий уровень частот, чем спутники, что в сочетании с
меньшим расстоянием до Земли в 1000 раз увеличит скорость передачи данных на ту же
площадь. Это приведет к значительному удешевлению связи.
Уменьшение высоты полета в сравнении с искусственными спутниками Земли
позволит сократить фокусное расстояние объектива более чем в 10 раз. При сохранении
постоянства светосилы это приведет к снижению массово габаритных характеристик
объектива примерно на порядок. Малая скорость полета атмосферных ЛА позволит
уменьшить скорость записи и передачи информации.
Благодаря техническому прогрессу во всех отраслях промышленности, появилась
возможность осуществления продолжительных (многодневных) пилотируемых и
беспилотных полетов. Важно, что те научно-технические направления, состояние которых
будет определять эффективность «солнечных» самолетов (в том виде, в котором они
существуют сегодня), продолжают стремительно развиваться. К этим направлениям
относятся:
1. Фотоэлектрические преобразователи
2. Аккумуляторные батареи
3. Композиционные материалы и конструкции на их основе
4. Аэродинамика малых чисел Re
Для понимания перспектив развития самолетов с использованием солнечной
энергии рассмотрим статистику развития приведенных выше направлений.
Определяющим направлением здесь является развитие ФЭП, поскольку
наибольшие потери в цепи преобразования солнечной энергии в силу тяги происходят на
этапе преобразования солнечной энергии в электрическую (≈78%).
В 2010г. компанией Boeing-Spectrolab были получены ФЭП с КПД преобразования
солнечного света в электричество – 40,7%. По прогнозам компании КПД ФЭП не достиг
своего теоретического предела и будет продолжать расти. Получение большей мощности
с той же площади, благодаря росту КПД ФЭП определит положительные тенденции в
решении вышеприведенных проблем. С ростом КПД ФЭП можно увеличить нагрузку на
крыло, уменьшить размерность ЛА, что будет минимизировать влияние на него
атмосферных явлений.
Статистика относительных масс самолетов с использованием солнечной энергии
показывает, что 25% составляет масса аккумуляторных батарей, запасенная энергия
которых используется для ночного полета.
Основной показатель эффективности аккумулятора (в контексте ЛА) − удельная
емкость. Удельная емкость есть отношение запасенной мощности в аккумуляторе к его
массе. На сегодняшний день, лучшие показатели достигнуты в литий серных
аккумуляторных батареях (LiS), у которых эта величина составляет ≈300Вт∙ч/кг. Для
сравнения, у автомобильных свинцовых аккумуляторов удельная емкость
составляет ≈30Вт∙ч/кг. Теоретическая удельная емкость для литий серных аккумуляторов
достигает 2600Вт∙ч/кг, что откроет перспективы значительного уменьшения
размерности ЛА с использованием солнечной энергии.
Создание легких длинномерных конструкций удовлетворяющих требованиям
прочности и жесткости является одним из определяющих направлений. Если темпы
развития рассматриваемых технологий сохранятся, то, возможно, через несколько лет
атмосферные спутники заменят большинство искусственных спутников земли.
ЛИТЕРАТУРА
[1] R. J. Boucher, «History Of Solar Flight», AIAA Paper 84-1429, June 1984
[2] Keidel, B., «Auslegung und Simulation von hochfliegenden, dauerhaft stationierbaren
Solardrohnen», PhD Dissertation, Technischen Universität München, 2000.
[3] J. W. Youngblood and T. A. Talay. «Solar-powered airplane design for long-endurance,
high-altitude flight» AIAA-82-0811, Washington, DC, May 1982.
[4] NASA, Solar Powered Fact Sheet. «Solar-Power Research and Dryden»
[5] Г. В. Барабанов, А. П. Гальцев, В. Н. Титоренко, А. В. Шустов. Летательные аппараты,
использующие солнечную энергию или СВЧ энергию // ТВФ — 1991 — № 1.— С. 22.
ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ КОМБИНИРОВАННОГО РАКЕТНОПРЯМОТОЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Тихомиров М. А, Шаров М. С
ОАО «МКБ «Искра», Москва, Россия
ФГУП «ЦИАМ», Москва, Россия
Для высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) с внутриатмосферной зоной
эксплуатации перспективными являются комбинированные двигательные установки
(КДУ) на основе прямоточных воздушно-реактивных двигателей, в т.ч. ракетнопрямоточные двигатели на твердом топливе (РПДТ).
Наиболее распространенной является схема РПДТ с автономным твердотопливным
газогенератором.
Процесс создания РПДТ более сложен и затратен по сравнению с аналогичными
РДТТ. Необходима экспериментальная отработка как двигательных агрегатов, таких как
стартовый двигатель, газогенератор твердого топлива (ГГ) и камера дожигания маршевого
режима, регулятор расхода маршевого топлива, так и комплексные испытания РПДТ в
целом. Подобные испытания весьма энергозатратны и дороги. Учитывая данное
обстоятельство, часть испытаний приходится проводить на масштабных моделях
штатного двигателя.
Проблемой таких испытаний является уменьшенное время работы РПДТ, т. е.
невозможность обеспечить исследование всех переходных режимов, протекающих в
штатном двигателе. В связи с этим предлагается комплексный метод отработки,
сочетающий в себе: а) испытания воздухозаборного устройства в аэродинамической трубе
(отдельно и в составе ракеты); б) холодные испытания регулятора, позволяющие оценить
передаточные функции динамических процессов и их временные параметры;
в) автономные огневые испытания масштабной модели
«ГГ-регулятор»,
с
регулированием расхода маршевого топлива в режимах реального времени, позволяющие
оценить запасы работоспособности выбранных конструкционных материалов и выявить
наиболее критичные режимы работы РПДТ, создать математические модели процессов;
г) проведение ограниченного объема стендовых испытаний с присоединенным
воздухозаборником штатного РПДТ по циклограммам, сформированным по результатам
испытаний модельного двигателя, на наиболее критичных режимах работы, позволяющих
определить основные выходные характеристики РПДТ и запасы его работоспособности.
Предложенная комплексная методика испытаний позволит сократить
объемы отработки РПДТ и снизить их стоимость.