NASA Helios

Взлет беспилотного летательного аппарата на солнечных батареях NASA Helios


 


13 августа 2001 года экспериментальный беспилотный летательный аппарат NASA Helios достиг высоты 29 524 м, установив мировой рекорд для крылатых летательных аппаратов, необорудованных реактивными двигателями. Самолет провел на высоте свыше 29 000 м более 40 минут, доказав свою эффективность на данных высотах.


В конце 1990-х годов ученые из NASA задумались над созданием экологически чистых беспилотных летательных аппаратов, которые могли бы в течение длительного времени совершать полеты в верхних слоях атмосферы, выполняя функцию «атмосферных спутников». Их можно было бы использовать в качестве ретрансляторов для систем связи, а также для изучения атмосферных процессов.


Разработкой летательных аппаратов занялась компания AeroVironment, Inc. Идея не была новой — еще в 1983 году этой же компанией был построен и успешно запущен «высотный солнечный беспилотный самолет» («High Altitude Solar», HALSOL), представляющий собой 30-метровое легкое и прочное крыло из композитных материалов с установленными на нем солнечными батареями и электродвигателями с пропеллерами. Существующие на тот момент технологии не позволяли создать достаточно эффективных солнечных батарей, которые смогли бы обеспечить необходимую для длительного полета энергию, поэтому проект был отложен до лучших времен.


И вот «лучшие времена» наступили — усовершенствованный прототип, получивший название NASA Pathfinder, поднялся в воздух в 1994 году в рамках запущенной NASA программы «Авиационные и сенсорные технологии для исследования окружающей среды» (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology, ERAST). Pathfinder имел размах крыла 30 м, а в движение его приводили восемь электродвигателей (позже их количество сократили до шести). Всю верхнюю поверхность крыла занимали солнечные батареи, которые обеспечивали питание электродвигателей, средств связи и прочих электронных систем беспилотника. Система резервных аккумуляторов позволяла продолжать полет в течение двух-пяти часов после наступления темноты. Скорость полета составляла от 24 до 40 км/ч.


В 1998 году прототип летательного аппарата модифицировали, заменив центральную часть крыла более длинной. Размах крыла Pathfinder-Plus (так теперь назывался самолет) составлял уже 37 м, что позволило использовать больше солнечных батарей и увеличить суммарную мощность электродвигателей почти на 70 % — с 7500 Вт до 12 500 Вт. Благодаря выполненным изменениям Pathfinder-Plus смог подняться на высоту 24 445 м, установив рекорд для винтовых летательных аппаратов.


Первый прототип — NASA Pathfinder


Следующим шагом в развитии беспилотников на солнечных батареях стал NASA Centurion. Конструктивно он очень напоминал предшественника, но имел гораздо больший размах крыла — целых 63 м. Двигателей стало 14, а количество подкрыльевых контейнеров для транспортировки аккумуляторов, компонентов системы управления и шасси увеличилось с двух до четырех. Этот летательный аппарат уже мог нести полезную нагрузку до 272,2 кг (600 фунтов). Первый полет «Центуриона» состоялся в ноябре 1998 года и продолжался 1 час 24 минуты. Серия дальнейших испытательных полетов показала эффективность летательного аппарата, дав основание разрабатывать следующий аппарат еще больших размеров.


Третий прототип — NASA Centurion


Четвертый беспилотник — тот самый NASA Helios — получил дополнительную центральную секцию крыла и пятую стойку шасси. Как и в предыдущих случаях, увеличение размеров крыла позволило добавить солнечных батарей и увеличить суммарную мощность аппарата. Размах крыла данного аппарата составлял уже 75 м (для сравнения, размах крыльев пассажирского Boeing-747 не превышает 68,5 м). Между каждой из шести секций крыла располагались пять гондол — обтекаемых стоек шасси с отсеками для размещения оборудования. В зависимости от выполняемых задач планировалась настройка беспилотника NASA Helios по одной из двух конфигураций: для достижения максимальной высоты (HP01) или для достижения максимальной длительности полета (HP03). В последней версии количество двигателей было уменьшено с 14 до 10, а для обеспечения энергией в ночное время использовались водород-воздушные топливные элементы. Каждый двигатель имел мощность 1,5 кВт, поэтому, в зависимости от версии летательного аппарата, суммарная мощность могла составлять 15 или 21 кВт.


К сожалению, через два года после установления рекорда высоты NASA Helios потерпел крушение. В ходе испытаний на максимальную длительность полета беспилотник попал в зону сильной турбулентности и начал разрушаться, после чего упал в океан примерно в 16 км к западу от Гавайского острова Кауаи. Как выяснилось, изменение конфигурации летательного аппарата привело к значительному перераспределению масс без изменения конструкции, что значительно снизило его надежность.


Программа ERAST не была продлена. Тем не менее, ученые сходятся во мнении, что разработка будет полезна в будущем при освоении Марса (поскольку плотность атмосферы этой планеты соответствует плотности атмосферы Земли) на высотах, где беспилотник зарекомендовал себя наилучшим образом.


Эволюция беспилотных летательных аппаратов на солнечных батареях в рамках программы ERAST



Эта статья из крутого проекта «Умный плакат «Планета Земля»! Хочешь узнать о нем подробнее? Тогда жми сюда!


А еще у нас есть увлекательные плакаты «Солнечная система» и «Глубины океана».