Table of Contents

Будущее самолетов на солнечных батареях: возможности и технические трудности

Солнечные самолеты представляют собой один из самых перспективных рубежей в области возобновляемых источников энергии и авиационных технологий. Поскольку опасения по поводу интенсивности изменения климата и авиационной промышленности сталкиваются с растущим давлением декарбонизации, разработка устойчивых вариантов полета стала приоритетом для инженеров и ученых во всем мире. В отличие от обычных самолетов, которые сжигают реактивное топливо на основе керосина, самолеты на солнечных батареях собирают энергию непосредственно от солнечного света, предлагая потенциал для почти нулевых эксплуатационных выбросов. Хотя концепция была изучена в течение десятилетий, последние достижения в фотоэлектрике, легких композитах и хранении энергии приблизили солнечную авиацию к практической реальности. В этой статье рассматриваются основные возможности, постоянные технические препятствия и вероятная траектория самолетов на солнечных батареях, поскольку они стремятся выработать значимую роль в будущем полета.

Исторический контекст: от концепции до рекордных полетов

Мечта о солнечном полете восходит к 1970-м годам, когда первые рудиментарные беспилотники на солнечных батареях поднялись в воздух. Solar Challenger, разработанный командой Пола МакКреди, пересек Ла-Манш в 1981 году, доказав, что устойчивый пилотируемый человеком солнечный полет был возможен. Однако, самолет был чрезвычайно легким и имел ограниченную грузоподъемность. Последующие десятилетия видели устойчивый прогресс, с беспилотными солнечными самолетами, такими как NASA Pathfinder и Helios достигая рекордных высот в 1990-х и начале 2000-х годов. Наиболее громкая веха пришла в 2015-2016 годах, когда Solar Impulse 2 завершил кругосветное плавание, используя только солнечную энергию. Это достижение продемонстрировало, что самолет на солнечных батареях может летать днем и ночью через океаны и континенты, хотя путешествие

Основные возможности в солнечной авиации

Неограниченная выносливость полета

Наиболее преобразующая возможность, предлагаемая самолетами на солнечных батареях, - это потенциал для практически неограниченной продолжительности полета. Пока самолет может собирать достаточно солнечной энергии в течение дня для питания своих систем и перезаряжать свои батареи на ночь, он может оставаться в воздухе в течение недель, месяцев или даже лет. Эта возможность невозможна для обычных самолетов с топливным двигателем, которые ограничены топливной мощностью. Расширенная выносливость открывает совершенно новые профили миссий, такие как непрерывное наблюдение, постоянные реле связи и долгосрочный мониторинг окружающей среды.

Снижение воздействия на окружающую среду

На авиацию в настоящее время приходится около 2,5% глобальных выбросов CO2, и эта доля растет. Самолеты на солнечных батареях производят нулевые прямые выбросы во время полета. В то время как производство солнечных элементов и батарей действительно имеет экологический след, выбросы в течение жизненного цикла значительно ниже, чем у самолетов на ископаемом топливе. Для некоторых применений - особенно на больших высотах, где особенно вредны контрацептивы и выбросы оксида азота - солнечный полет может предложить гораздо более чистую альтернативу.

Новые возможности рынка: высотные псевдоспутники (HAPS)

Одним из наиболее перспективных вариантов использования самолетов на солнечных батареях является высоковысотные псевдоспутники (HAPS). Эти самолеты работают в стратосфере (обычно на высоте 18-25 км), над погодой и коммерческим воздушным движением. Они могут обеспечить постоянное покрытие для телекоммуникаций, подключения к Интернету, наблюдения Земли и мониторинга стихийных бедствий, дополняя или заменяя спутники за небольшую часть стоимости. Такие компании, как Airbus (проект Zephyr), AeroVironment и BAE Systems активно разрабатывают платформы HAPS на солнечных батареях. В отличие от спутников, HAPS можно вернуть на землю для обслуживания и модернизации полезной нагрузки, предлагая большую гибкость.

Тихие и эффективные операции

Самолеты на солнечных батареях по своей природе тихие, потому что они используют электродвигатели, а не двигатели внутреннего сгорания. Эта бесшумная работа делает их идеальными для миссий, требующих низких акустических сигнатур, таких как мониторинг дикой природы, пограничное патрулирование или военная разведка. Кроме того, электрическая тяга очень эффективна, преобразуя более 90% электрической энергии в тягу, по сравнению с примерно 30-40% для типичного реактивного двигателя. Со временем эксплуатационные расходы для солнечных самолетов могут быть очень низкими, поскольку они не требуют топлива и имеют меньше движущихся частей, нуждающихся в обслуживании.

Основные технологии, обеспечивающие полеты на солнечной энергии

Чтобы понять технические препятствия, необходимо сначала понять ключевые технологии, которые делают возможным полет на солнечной энергии. Эти системы должны работать вместе без проблем, и любое слабое звено ограничивает общую производительность.

Фотоэлектрические клетки

Солнечные панели являются сердцем любого солнечного самолета. Они должны быть очень эффективными при преобразовании солнечного света в электричество, но достаточно легкими, чтобы не ставить под угрозу летные характеристики. Традиционные кремниевые элементы имеют эффективность около 20-22%, но они относительно тяжелые. Более передовые технологии, такие как многоканальные ячейки III-V, первоначально разработанные для космических применений, могут достигать эффективности выше 30%, но чрезвычайно дороги. Для солнечных самолетов цель состоит в использовании тонкопленочных элементов или гибких легких панелей, которые могут быть интегрированы в крылья и фюзеляж. Исследования в перовскитных солнечных элементах, которые предлагают высокую эффективность и низкий вес, обещают для будущих самолетов, хотя долговечность и масштабируемость остаются проблемами.

Системы хранения энергии

Поскольку солнечная энергия является прерывистой — недоступной ночью и уменьшенной в облаках — эффективное хранение энергии имеет решающее значение . Литий-ионные батареи в настоящее время являются доминирующей технологией, используемой в солнечных самолетах, предлагая хорошую плотность энергии (около 250-300 Втч / кг. Однако это все еще намного ниже плотности энергии реактивного топлива (около 12 000 Втч / кг. ) Для поддержания ночного полета солнечный самолет должен нести батареи, которые весят значительную часть общей массы самолета. литий-серные батареи (потенциально 500 + Втч / кг) и твердотельные батареи могут значительно улучшить выносливость. Некоторые экспериментальные конструкции также исследуют использование регенеративных топливных элементов, которые расщепляют воду на водород и кислород в течение дня, а затем рекомбинируют их для выработки энергии ночью, предлагая более высокую плотность энергии, но дополнительную сложность.

Легкие материалы и конструкции

Каждый грамм имеет значение на самолете с солнечной энергией. Планер должен быть чрезвычайно легким, но достаточно сильным, чтобы выдерживать нагрузки полета, особенно на больших высотах, где атмосфера тонкая. Обычно используются композиты из углеродного волокна, кевлар и передовые пены. Крылья должны быть большими, чтобы вместить достаточно солнечных панелей, что часто приводит к конструкциям с очень высокими соотношениями сторон (длинные, узкие крылья), напоминающим планеры. Конструкционная инженерная задача состоит в том, чтобы противостоять изгибу и торсионным нагрузкам без добавления избыточного веса.

Электрические двигательные системы

Эффективные электродвигатели и пропеллеры необходимы. Современные безщеточные двигатели постоянного тока в паре с легкими контроллерами могут достигать эффективности выше 95%. Пропеллер должен быть оптимизирован для конкретного режима полета - обычно низкой скорости и большой высоты. Некоторые конструкции используют несколько небольших двигателей, распределенных вдоль крыла, чтобы улучшить избыточность и аэродинамическую эффективность.

Основные технические трудности

Несмотря на обещание, между современным экспериментальным солнечным самолетом и широким практическим развертыванием существует несколько серьезных технических препятствий.

Ограничения плотности энергии

Самой фундаментальной проблемой является разрыв плотности энергии между системами солнечной батареи и ископаемым топливом. Даже лучшие современные батареи хранят примерно в 40 раз меньше энергии на килограмм, чем реактивное топливо. Солнечные батареи также добавляют вес и генерируют энергию только в дневное время. Чтобы летать ночью, солнечный самолет должен собирать достаточно энергии в течение дня, чтобы покрыть потребление в ночное время, а также учитывать неэффективность зарядки и разрядки. Это ограничивает возможности самолета в области полезной нагрузки, скорости и высоты. Например, Solar Impulse 2 имел размах крыльев 72 метра (больше, чем Boeing 747), но нес только один пилот и имел крейсерскую скорость всего 70 км / ч. Масштабирование до перевозки значительных полезных нагрузок на полезных скоростях остается огромной проблемой.

Погода и облачный покров

Солнечные самолеты сильно зависят от погодных условий. Облака, дымка и осадки резко уменьшают солнечное излучение. Даже тонкие перистые облака могут сократить выход солнечных панелей на 30-50%. Это означает, что планирование миссии должно учитывать сезонные и региональные погодные условия. Самолетам может потребоваться летать над облачными слоями (что требует большей высоты и большей энергии) или нести дополнительную емкость батареи в облачные дни. В северных широтах зимой дни короткие, а углы солнца низкие, что ограничивает жизнеспособность солнечного полета. Некоторые конструкции смягчают это, летая на очень больших высотах, где атмосфера тоньше, а облачный покров ниже, но это добавляет структурные и двигательные проблемы.

Вес и структурные ограничения

Добавление солнечных панелей и батарей неизбежно увеличивает вес самолета. Весовой штраф снижает грузоподъемность и ограничивает эксплуатационную гибкость. Инженеры должны идти на компромиссы: большие крылья собирают больше солнечной энергии, но добавляют массу и сопротивление; более прочные структуры могут нести больше батарей, но тяжелее. Потребность в больших площадях крыла для размещения солнечных элементов приводит к высокому соотношению крыльев, которые склонны к изгибу и трепету. Для поддержания стабильности, добавления сложности и стоимости требуются расширенные композиты и активный структурный контроль.

Высота и температурные крайности

Для высотных применений, таких как HAPS, самолеты должны работать в стратосфере, где температура может опускаться ниже -70 ° C. Холодные температуры снижают производительность батареи и могут привести к тому, что материалы станут хрупкими. И наоборот, солнечные панели и электроника генерируют тепло, которое должно быть управляемым, чтобы избежать перегрева. Системы терморегулирования добавляют вес и потребление энергии. Низкая плотность воздуха на больших высотах также снижает эффективность пропеллера и подъема, требуя больших крыльев и более медленных скоростей.

Долговечность и надежность

Солнечные самолеты, предназначенные для длительных полетов, должны работать в течение недель или месяцев без технического обслуживания. Это требует чрезвычайно высокой надежности для всех компонентов: двигателей, батарей, солнечных панелей и систем управления. УФ-излучение на больших высотах ухудшает материалы с течением времени. Пыль и накопление льда на панелях могут снизить эффективность. Удары молнии и турбулентность создают риски. В настоящее время ни один солнечный самолет не продемонстрировал надежность отправки, ожидаемую для коммерческих применений.

Дизайн инновации и подходы

Инженеры используют различные стратегии проектирования, чтобы преодолеть эти препятствия.

Интегрированные солнечные панели

Вместо того, чтобы прикреплять панели к существующим крыльям, современные конструкции интегрируют солнечные элементы непосредственно в структуру крыла. Это снижает вес и аэродинамическое сопротивление. Некоторые проекты изучают гибкие солнечные элементы, которые могут соответствовать изогнутым поверхностям крыла и даже прозрачным ячейкам для использования на навесе или окнах.

Морфинговые крылья и адаптивные структуры

Для повышения эффективности в различных условиях полета исследователи разрабатывают морфинг крыльев, которые могут менять форму. Например, крылья могут расширяться, чтобы обеспечить большую площадь солнечных панелей в течение дня, когда самолет поднимается, а затем убираться, чтобы уменьшить сопротивление ночью. Такие концепции остаются на экспериментальной стадии, но могут значительно улучшить общую производительность.

Гибридно-электрические и солнечно-ассистирующие концепции

Другой подход заключается в сочетании солнечной энергии с другими источниками энергии. Гибридно-электрический самолет может использовать солнечные батареи для увеличения дальности или снижения расхода топлива, не полагаясь полностью на солнечную энергию. Например, система солнечной помощи может перезаряжать батареи во время круиза, позволяя обычному самолету использовать меньшие двигатели и сжигать меньше топлива. Этот подход менее технологически рискованный и может увидеть коммерческое внедрение раньше, чем чистый солнечный самолет.

Автономный полет и ИИ

Многие солнечные самолеты предназначены для автономного или дистанционного пилотирования, что снижает потребность в системах жизнеобеспечения и позволяет более эффективно управлять полетами. Системы управления полетом на основе ИИ могут оптимизировать использование энергии путем регулировки высоты, скорости и направления на основе солнечного излучения в реальном времени и состояния батареи. Такие системы также могут прогнозировать погодные условия для планирования циклов зарядки.

Применение: где солнечные самолеты могут изменить ситуацию

В то время как пассажирские самолеты на солнечных батареях остаются отдаленной перспективой, некоторые краткосрочные приложения уже экономически целесообразны.

Мониторинг окружающей среды и наука

Самолеты на солнечных батареях могут нести датчики для мониторинга качества воздуха, концентрации парниковых газов, биоразнообразия и здоровья океана на обширных территориях в течение длительных периодов времени. Они могут отслеживать лесные пожары, разливы нефти и вырубку лесов в режиме реального времени. Возможность слоняться над конкретным местом в течение нескольких дней или недель предоставляет данные, которые спутники не могут сопоставить из-за орбитальных ограничений.

Телекоммуникации и интернет-соединение

Такие компании, как Airbus (Zephyr) и HAPSMobile (совместное предприятие SoftBank и AeroVironment) разрабатывают стратосферные солнечные самолеты для обеспечения широкополосного интернета в отдаленных и недостаточно обслуживаемых регионах. Эти платформы могут служить летающими вышками сотовой связи, предлагая покрытие в районах стихийных бедствий или заполняя пробелы в наземных сетях. Они также могут обеспечивать связь между 5G и обратно.

Реагирование на чрезвычайные ситуации и помощь в случае стихийных бедствий

После стихийного бедствия солнечные самолеты могут быть быстро развернуты для обеспечения ретрансляции связи и воздушного наблюдения, когда наземная инфраструктура разрушена. Их длительная выносливость означает, что они могут оставаться на станции в течение нескольких дней, координируя спасательные усилия и оценивая ущерб.

Военные и оборонные

Военные организации заинтересованы в HAPS на солнечных батареях для постоянной разведки, наблюдения и разведки (ISR). Эти платформы могут работать в течение нескольких месяцев без дозаправки, обеспечивая непрерывное покрытие на театре операций. Они также менее уязвимы, чем спутники для противоспутникового оружия, и могут быть восстановлены и передислоцированы.

Экономическая жизнеспособность и отраслевые вызовы

Экономика самолетов на солнечных батареях все еще неопределенна. Текущие затраты на разработку высоки, потому что каждый самолет по существу является прототипом. Производственные затраты на легкие солнечные панели и батареи остаются значительно выше, чем для коммерческих готовых компонентов. Скромная полезная нагрузка солнечных самолетов ограничивает их потенциал получения доходов. Например, HAPS класса Zephyr может нести только около 20-30 кг полезной нагрузки - достаточно для нескольких полезных нагрузок связи или небольшой системы визуализации, но не для тяжелых грузов. Инвесторы взвешивают эти ограничения против уникальных возможностей постоянного стратосферного присутствия. Некоторые аналитики прогнозируют, что рынок HAPS может стоить миллиарды к 2030-м годам, что обусловлено спросом на связь и мониторинг окружающей среды.

Проблемы регулирования и воздушного пространства

Интеграция самолетов на солнечных батареях в существующее воздушное пространство создает проблемы регулирования. HAPS работают в стратосфере, которая выше коммерческого воздушного движения, но все еще подчиняется национальным и международным правилам. Гармонизирующие правила в разных странах для сертификации, распределения частоты для связи и предотвращения столкновений потребуют координации между авиационными властями, такими как FAA и EASA. Солнечные беспилотники также должны взаимодействовать со спутниковыми и наземными системами связи.

Дорога впереди: перспективы будущего

Заглядывая вперед, наиболее значительные прорывы, вероятно, будут происходить из улучшений в хранении энергии и эффективности солнечных элементов . Если батареи могут достигать 500-600 Втч / кг, а солнечные элементы достигают 40% эффективности при разумной стоимости, производительность солнечных самолетов значительно расширится. Продолжающиеся достижения в композитах и аэродинамике также помогут. Исследования в перовскитных солнечных элементах и печатной электроники могут снизить производственные затраты и позволить новые форм-факторы. Между тем, растущая доступность легких электродвигателей с высокой мощностью делает более доступной эффективную тягу.

В настоящее время реализуется несколько амбициозных проектов. Фонд Солнечного импульса продолжает продвигать чистые технологии. Европейское космическое агентство поддержал инициативы HAPS. В Японии HAPSMobile SoftBank нацелен на запуск коммерческой услуги к середине 2020-х годов. Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны СШАDARPA также инвестирует в высотные платформы на солнечных батареях для военного использования.

Маловероятно, что солнечная энергия заменит реактивное топливо для дальнемагистральных пассажирских рейсов в обозримом будущем. Разрыв в плотности энергии просто слишком велик. Однако для приложений, которые используют выносливость, низкий уровень шума и нулевые выбросы, самолеты на солнечных батареях готовы стать важной частью авиационной экосистемы. В течение следующих двух десятилетий мы можем ожидать, что беспилотники на солнечных батареях будут проводить рутинные экологические исследования, обеспечивать подключение к Интернету в отдаленных районах и служить постоянными платформами наблюдения. Путь к широкому внедрению будет постепенным, но каждое преодоление технического препятствия приближает технологию к коммерческой реальности.

Для дальнейшего чтения см.: