Солнечный самолёт Рафаэля

История началась в 2010 году, когда швейцарский лётчик-испытатель Рафаэль Домжан отправился в кругосветное путешествие на Turanor PlanetSolar — первом в мире корабле, где всё, от двигателей до уборных, функционировало за счёт энергии солнца. На борту не было ни капли топлива. Покрытое чёрными солнечными батареями судно напоминало инопланетный объект.

Turanor PlanetSolar вышел из Монако в сентябре 2010 года. Экипаж состоял из четырёх человек: трёх моряков и инициатора проекта Рафаэля. За 585 дней путешественники увидели 28 стран, пересекли 3 океана и 11 морей.

— Труднее всего было пережить шторм. До последнего момента никто не знал, сможет ли техника выстоять, — вспоминает Рафаэль. — Когда море успокоилось, мы встретили судёнышко местных рыбаков — жертв разбушевавшейся стихии. Аборигены жестами попросили топлива и долго не верили, что наш корабль «питается» солнечным светом. В итоге мы подружились, и они накормили нас только что пойманной рыбой.

В Индийском океане экипаж PlanetSolar столкнулся с сомалийскими пиратами. К счастью, разбойники не рискнули напасть на корабль.

— Это кругосветное приключение было не только опасным, но и очень романтичным, — рассказывает Рафаэль. — В один из вечеров я любовался звёздным небом и думал, как здорово было бы приблизиться к нему, долететь до границы с космосом. Так родилась идея электрического самолёта SolarStratos.

Проект Рафаэля Домжана пока ещё в начале пути — как и сама отрасль электрического самолётостроения. Впрочем, уже существуют воздушные суда с электрическим двигателем, рассчитанные на 4, 6 и 8 пассажиров. Но пока все эти аппараты летают в нижних слоях атмосферы.

Самолёт SolarStratos должен подняться на высоту 25 000 метров. Для этого кабину требовалось максимально облегчить, и конструкторы решили её не отапливать и не герметизировать, а пилотов при необходимости посадить на диету. При этом из-за экономии веса у них не будет с собой ни еды, ни парашютов.

От стратосферного мороза и низкого давления, из-за которого человек раздувается, как пузырь, а слюна и слёзы начинают кипеть, пилотов будет защищать специальный скафандр из лёгких материалов, созданный российским предприятием «Звезда». Кстати, именно «Звезда» делала скафандры для Юрия Гагарина и Алексея Леонова.

В стратосфере пилоты столкнутся с неизвестностью. Главная опасность таится в устройстве самолёта: инженерам пока неизвестно, как солнечные батареи будут работать на высоте 25 000 метров при столь низких температурах и под воздействием космического излучения.

Разработчики хотят, чтобы самолёт каждую секунду получал максимум солнечной энергии. Поэтому траектория полёта представляет собой цилиндр с радиусом 50 километров: если Солнце на востоке, самолёт будет лететь на восток; если на западе, то на запад. Инженеры работают и над другими типами траекторий, но пока считают, что спираль лучше всего.

Предполагается, что подъём на нужную высоту со скоростью 20 км/ч займёт около трёх часов. В самой стратосфере, где давление очень низкое и нет такого сопротивления, как в нижних слоях, самолёт сможет преодолевать порядка 250 км/ч.

Над SolarStratos работают космонавты, пилоты, метеорологи, доктора, техники, инженеры, программисты из Швейцарии, Франции, Германии, России. Более 40 компаний со всего мира поддержали проект финансово.

В мае 2017-го был проведён успешный тестовый полёт на высоте 300 метров. Выход в стратосферу запланирован на 2020–2021 год.

— Это великолепно! Мы разрабатывали самолёт в течение многих лет, и теперь команда испытывает огромное удовлетворение, — говорит Рафаэль Домжан. — Я безумно счастлив, что наш самолёт наконец-то готов. Мы работали не покладая рук, старались быть организованными оптимистами, хотя периоды суматохи и паники тоже случались (смеётся). Мы хотим показать миру эффективность солнечной энергии, её возможности. Доказать, что возобновляемые источники энергии — это будущее. SolarStratos — рискованная магия, невероятное путешествие на грани возможного.

— Рафаэль, ваш проект очень дорогой. Как вы думаете, можно сделать его более доступным и организовать массовое производство подобных самолётов?

— Да, это возможно, но для более низких слоёв атмосферы, где пилотам не нужны дорогостоящие скафандры.

— А как долго такой самолёт может находиться в пути без дозаправки?

— Около двух часов. Но это пока. Думаю, спустя некоторое время мы сможем летать за счёт батарей, запасающих солнечную энергию, — как на электромобилях, только на электросамолётах. Плюс станет возможным находиться в стратосфере длительное время. Сейчас уже есть скафандры, в которых космонавты работают в открытом космосе до восьми часов.

— Какова научная цель ваших полётов? Какие необычные измерения вы планируете сделать?

— Хороший вопрос. Через стратосферу проходят ракеты и сверхзвуковые самолёты, но на больших скоростях, которые не позволяют проводить полноценные исследования. Наш аппарат будет лететь в стратосфере достаточно долго и медленно. Сейчас мы ведём переговоры с научными институтами, которые хотели бы проводить измерения для исследования стратосферы.

— Как пилоты будут спасаться, если случится авария?

— Этот вопрос остаётся открытым, — отвечает Сергей Поздняков, генеральный директор научно-производственного предприятия «Звезда». — Самолёт должен быть очень лёгким. И пилот, как жокей, тоже должен быть очень лёгким. Инженеры удаляют каждый лишний килограмм конструкции. Самолёт спускается долго, и мы думаем, как обеспечить безопасность пилота на протяжении всего полёта. Нужен особый парашют, специальный кислородный прибор для дыхания. Сложная задача — это сделать.

— Полёт планируется уже через два-три года. Получается, есть риск отправить пилота в небо без возможности спастись?

— В корень смотрите. Я думаю, мы попробуем всё-таки сделать полноценную систему безопасности. Но, понимаете, в случае прыжка с такой высоты спуск почти невозможно контролировать: человек сильно вращается, воздух разрежен.

Сам Рафаэль относится к опасному испытанию с долей юмора:

— Конечно, будут риски, но я исследователь! Если вы назвались первооткрывателем, но боитесь рисковать, ничего не получится — никакого приключения. Таким людям нужно сидеть в офисе (смеётся). Так что полёт состоится, даже если система безопасного спуска не будет доработана. Не забывайте, жизнь — это и есть приключение! И мы все умрём когда-нибудь. Значение имеет лишь то, что находится между началом жизни и её концом.

Давняя мечта инженеров и механиков, работающих с авиацией, — электрический самолёт: крылатая машина, которая приводится в движение электрическим двигателем. Электродвигатель проще в обслуживании, чем двигатели другого типа, не имеет существенных ограничений по оборотам, легко запускается и останавливается, а также имеет крайне высокий КПД.

Почему же электросамолёты до сих пор не вытеснили обычные? Проблема кроется в источниках электричества. Для того чтобы запасти сколько-нибудь существенные объёмы энергии, требуются огромные, массивные аккумуляторные батареи. Даже самые совершенные литиевые аккумуляторы уступают в ёмкости хранения энергии старому доброму керосину. Плюс ко всему, если обычное топливо в полёте расходуется, значительно облегчая самолёт (и, как следствие, снижая расход топлива и нагрузку на конструкцию при посадке), то масса электрического самолёта во время движения остаётся практически неизменной. А перегрев аккумуляторов, риск повреждения и взрыва делает их куда опаснее, чем классическое авиатопливо.

При этом в обозримом будущем не намечается адекватных по стоимости прорывных технологий, которые позволят аккумуляторам сравниться по эффективности с традиционным топливом.

Так что, мечта оказалась несбыточной? Не совсем, ведь мы рассмотрели лишь самый простой вариант электросамолёта.

Альтернативой огромной батарее, рассчитанной на весь полёт, является относительно небольшой аккумулятор, подзаряжаемый в полёте от внешнего источника энергии — в первую очередь Солнца. Построенный по этому принципу Solar Impulse 2 совершил успешное кругосветное путешествие с несколькими остановками. Правда, самолёт массой около двух тонн имел размеры колоссального Airbus 380 и летел со скоростью менее 100 км/ч. Для гражданских авиаперевозок такая машина определённо не подходит, но зато может использоваться как атмосферный спутник — для аэрофотосъёмки, наблюдения за погодой и иных задач. В любом случае концепция электрического самолёта на солнечной энергии была успешно опробована на практике.

Но есть и другие способы генерации электроэнергии, в том числе с помощью того же авиационного, а точнее, газотурбинного двигателя. В современных самолётах двигатель (источник энергии) и движитель (источник движения) объединены, что накладывает ряд технических ограничений как на конструкцию самолёта, так и на сами двигатели. Но их можно разделить — например, в хвостовой части разместить двигатель, вырабатывающий электричество для винтов на крыльях. Такая машина называется турбоэлектролётом. При должном развитии технологий и некоторых конструкторских усилиях вполне возможно получить более выигрышные (в сравнении с традиционными схемами) решения по массе и расходу топлива.

Правда, новые массивные элементы — генераторы, электродвигатели и силовые кабели — могут запросто нивелировать все преимущества этой конструкции, поэтому разработка конкурентоспособной машины с разделёнными двигателем и движителем, без сомнения, будет трудным делом.

Самое же массовое и наиболее перспективное применение электромоторов в авиации мы видим в маленьких беспилотниках. Квадрокоптеры сейчас демонстрируют настоящие чудеса, немыслимые каких-то несколько лет назад: скоростной маневренный полёт на большие расстояния, доставка грузов, аэрофотосъёмка. В случае миниатюрных летательных аппаратов что поршневой, что газотурбинный двигатель прожорливы, ненадёжны, с трудом управляются. И здесь как раз электрический двигатель превосходит любой двигатель внутреннего сгорания. Так что, возможно, будущее электрического воздухоплавания за малоразмерными самолётами и вертолётами.