Samolot przyszłości. Jego paliwo to słońce

Bartłomiej Mrożewski
26.05.2011
A A A Drukuj
Jak wygląda samolot przyszłości? Dość pokracznie. Ma 8 metrów długości przy 40 m rozpiętości skrzydeł. Waży ledwie 300 kg. To Phoenix, samolot powstający w warszawskim Instytucie Lotnictwa.

Napędzany wyłącznie energią z ogniw słonecznych, ma wzbić się - bez kropli paliwa - na pułap 20 km. Na razie Phoenix istnieje jedynie jako model w komputerach inżynierów. Ale jeszcze w tym roku ma się wzbić w powietrze model w skali 1:5. O ile próby w tunelu aerodynamicznym wypadną pomyślnie. Po takich samolotach jak Phoenix tak wojsko, jak i cywile obiecują sobie wiele.

Słoneczny samolot z prędkością braci Wright

W maju świat obiegła wiadomość o lądowaniu prototypowego samolotu o napędzie elektrycznym w porcie lotniczym w Brukseli. Solar Impulse leciał tam ze Szwajcarii aż 13 godzin, bo w powietrzu poruszał się z prędkością motoroweru. Silniki mają moc 10 KM, podobną do tej jaką mieli do dyspozycji bracia Wright podczas swojego dziewiczego lotu w samolocie The Flyer.


Solar Impulse - niepozorny kadłub i rozpiętość skrzydeł porównywalna z Jumbo Jetem

Jednak w odróżnieniu od maszyny pionierów lotnictwa, Solar Impulse podczas całej podróży nie spalił ani jednej kropli paliwa. Cała energia niezbędna do napędzania silników pochodziła z 12 tys. ogniw słonecznych zainstalowanych na gigantycznych skrzydłach o rozpiętości 63 metrów. To wielkość porównywalna do rozpiętości skrzydeł Boeinga 747 Jumbo Jet, jednego z największych samolotów pasażerskich na świecie.

- Utarło się powiedzenie, że samoloty słoneczne to takie latające dywany - śmieje się dr Bohdan Naumienko z warszawskiego Instytutu Lotnictwa. - Konstruktorzy takich maszyn dążą do jak największej powierzchni skrzydeł, by mieć jak najwięcej miejsca na rozmieszczanie paneli słonecznych.  

Aby Solar Impulse w ogóle mógł wznieść się w powietrze niezbędna było radykalne odchudzenie samolotu, dlatego jego konstrukcja przypomina wielki szybowiec z niewielką kabiną i doczepionymi nieproporcjonalnie małymi silniczkami.

Przy tak ogromnej rozpiętości samolot waży zaledwie 2 tony, 200 razy mniej niż gotowy do lotu Jumbo Jet, i zabiera na pokład tylko jednego pilota, który na dodatek musi zmierzyć się z ekstremalnymi warunkami.Ze względu na ograniczenia masy startowej w samolocie nie dało się już zamontować kabiny hermetycznej. Kierujący maszyną Andre Borschberg, wiceszef zespołu, który stworzył Solar Impulse, o mało co nie zamarzł w czasie podróży. Temperatura na pułapie 4 km, gdzie leciał samolot wynosiła zaledwie -11 st. Celsjusza.

Solar Impulse podczas startu - zobacz na YouTube

Solar Impulse w dalszym ciągu będzie skupiał na sobie uwagę świata, gdyż kierujący projektem Bertrand Piccard, pierwszy człowiek, który okrążył Ziemię balonem, planuje w powtórzenie wyczynu właśnie w Solar Impuse. Dokładniej: w nowej wersji samolotu wyposażonej w nowoczesną awionikę, niezbędną do nawigacji na dalekich dystansach i kabiną ciśnieniową, która zapewni komfortową atmosferę w kabinie.

Mimo spektakularnego sukcesu, ze względu na małą prędkość i udźwig, samoloty napędzane energią słoneczna nieprędko wyprą Jumbo Jety z linii komunikacyjnych. Natomiast już są sprawcą rewolucji w innej dziedzinie lotnictwa, w lotach bezzałogowych.

Samolot, który nie musi lądować

Samoloty bezzałogowe kojarzą się przede wszystkim z MQ-1 Predator, wojskowym samolocie zwiadowczym, co raz częściej używanym także do misji bojowych. Słyszymy o nim najczęściej  przy okazji informacji o śmierci ważnego islamskiego watażki, którego amerykańskie służby wytropiły gdzieś na afgańsko-pakistańskim pograniczu. I by nie ryzykować życiem komandosów, likwidują go właśnie za pomocą zdalnie sterowanego, uzbrojonego robota.

Mimo że Predator jest doskonałą maszyną, ma jedną poważną wadę. Podobnie jak każdy samolot potrzebuje paliwa. Dlatego maksymalnie po 24 godzinach musi wylądować i przejść procedurę sprawdzenia i tankowania przed kolejnym startem. Poza tym lata dość nisko, na wysokości 7 km, gdzie jest narażony na gwałtowne zjawiska atmosferyczne.

Zephyr (na zdjęciu wersja z 2007 r.)

Tych wad nie ma samolot o napędzie elektrycznym. Ponieważ jest zasilany ogniwami słonecznymi nie musi lądować. W ciągu dnia słońce nie tylko dostarcza energii silnikom, ale także ładuje pojemne i lekkie akumulatory litowo-siarkowe zainstalowane w każdym z nich. Dzięki temu samolot ma zapas "paliwa” potrzebny na lot w nocy. Dlatego czas jego pracy może być liczony nie w godzinach, ale w tygodniach. A nawet miesiącach.

Na granicy kosmosu

Samoloty bezzałogowe o napędzie słonecznym wyróżniają się także bardzo wysokim pułapem operacyjnym. Latają w stratosferze, na wysokości 20 km lub wyżej.

- Dzięki temu znajdują się ponad chmurami, gdzie nic nie przeszkadza im w czerpaniu energii słonecznej - tłumaczy Andrzej Frydrychewicz, konstruktor samolotów, który zaprojektował słynną Wilgę -  A nieskrępowany dostęp do słońca jest kluczowy, jeśli samolot ma latać w nieskończoność.



Poza tym w rozrzedzonym powietrzu nie ma burz, ani gwałtownych wiatrów. To znacznie lepsze środowisko dla delikatnej konstrukcji, niż troposfera, gdzie powstają odczuwane przez nas zjawiska pogodowe. Z drugiej strony samolot musi poprawnie funkcjonować w temperaturze sięgającej -70 stopni, co jest poważnym wyzwaniem dla konstrukcji oraz dla akumulatorów, których pojemność zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury.

Podobnie jak zwykłe bezzałogowce, samoloty zasilane energią słoneczną mogą przenosić najróżniejsze zestawy sensorów: optyczne, radarowe czy działające na podczerwień.  Ze względu na zdolność do długotrwałego i autonomicznego lotu, są też idealną platformą do przekazywania sygnałów, i mogą zapewnić łączność w dowolnym miejscu świata. Słowem mogą zastąpić nie tyle latające nisko, manewrowe Predatory i podobne do nich samoloty bezzałogowe, lecz urządzenia znacznie droższe i bardziej ekskluzywne: satelity.

Zamiast satelitów

Nad satelitami mają także przewagę, oprócz radykalnie niższej ceny samego urządzenia, operator nie musi ponosić kosztów wyniesienia ich w przestrzeń kosmiczną

- Koszt wyniesienia ładunku na orbitę odpowiada cenie jego wagi w czystym złocie - podkreśla Dariusz Rataj, szef działu rozwoju i promocji w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych. - Dlatego za zastąpieniem satelitów samolotem stratosferycznym przemawia prosty rachunek ekonomiczny.

Poza tym samolot po starcie może cały czas być w jednym miejscu, podczas gdy satelita przelatuje w określonych odstępach czasu, a zmiana jego orbity choć możliwa, wymaga zużycia paliwa, którego na orbicie nie można uzupełnić.

Wadą jest natomiast niewielki, kilkudziesięciokilogramowy udźwig, który uniemożliwia zabrania tak bogatego wyposażenia, jak odrzutowe samoloty stratosferyczne, np. załogowy U2, czy bezzałogowy MQ-4 Global Hawk, obydwa używane przez amerykańskie lotnictwo wojskowe.

- Global Hawk może zabrać ponad 1000 kg sprzętu rozpoznawczego - mówi Andrzej Frydrychewicz. - To pozwala przenosić jednocześnie radar SAR, który tworzy obraz powierzchni o rozdzielczości 0,3 metra, nawet przez chmury, kamerę termowizyjną FLIR oraz zestaw do obserwacji optycznej o rozdzielczości pozwalającej obserwować ludzi i pojazdy.  

Poza tym ze słońca nie zawsze da się pozyskać energię. Późną jesienią i zimą na naszych szerokościach geograficznych, w czasie krótkiego dnia samoloty o napędzie słonecznym nie zdołają zgromadzić dostatecznie dużo energii by naładować baterię na dwa razy dłuższą noc.

Pierwsze próby NASA

Początki samolotów elektrycznych zasilanych energią słoneczną, podobnie jak wielu innych przełomowych wynalazków, są związane z amerykańskimi programami rządowymi. Pierwsze próby stworzenia takiej maszyny na zlecenie jednej z agencji podejmowała w latach 80-tych firma AeroVironment, jednak kluczowe komponenty, czyli akumulatory i ogniwa słoneczne były za mało wydajne, by samolot mógł utrzymać się w powietrzu na samym zasilaniu słonecznym.

Pierwsze samoloty słoneczne wzbiły się w powietrze dopiero w latach 90-tych dzięki staraniom NASA. Agencja szukała platformy do monitorowania dziury ozonowej nad Antarktydą. Nie można było tam wysłać samolotów ER-2s, cywilnej wersji szpiegowskich U2, gdyż nie mogły przebywać w rejonie zbyt długo, poza tym w razie awarii, pilot byłby skazany na pewną śmierć w lodach. Z kolei satelity nie mogły pozostawać dostatecznie długo w jednym miejscu.

W ramach programu ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology) podjęto próbę stworzenia satelity atmosferycznego. Pierwszy latający demonstrator - Pathfinder, o rozpiętości skrzydeł 30 metrów powstał na początku lat 90-tych i mógł unosić się w powietrzu do 12 godzin. Niestety nie mógł latać w nocy, był też bardzo delikatny, co wykluczało go z praktycznych zastosowań. Mimo to NASA rozwijała projekt, budując kolejne modele o co raz większej rozpiętości.

Finalnym efektem programu był samolot Helios o rozpiętości 75 metrów, który po raz pierwszy wzniósł się w powietrze we wrześniu 1999 roku, a dwa lata później pobił rekord świata lotu poziomego utrzymując przez 40 min. zawrotny pułap 29 260 metrów.

Zobacz Heliosa w powietrzu

Mimo sukcesów, Helios nie spełnił pokładanych w nim nadziei. Bez dodatkowego zasilania w postaci ogniw paliwowych lub baterii, nie był w stanie utrzymać się w powietrzu przez 24 godziny, a więc nie można go było użyć w roli platformy do monitorowania środowiska, w zastępstwie satelitów. Zresztą dwa lata po rekordowym locie, samolot spadł do Pacyfiku w pobliżu Hawajów, gdyż delikatna konstrukcja nie wytrzymała nagłego podmuchu wiatru podczas wznoszenia. Po tej katastrofie program został zlikwidowany.

Dwa tygodnie bez lądowania

Upadek Heliosa nie oznaczała końca samolotów o napędzie słonecznym, bo pałeczkę szybko przejął sektor prywatny. Samolotem, który tygodniami może unosić się w powietrzu, z oczywistych względów interesuje się wojsko, który nie szczędzi grosza na zaawansowane projekty. Dzięki środkom wyasygnowanym przez brytyjskie i amerykańskie ministerstwo obrony powstał Zephyr, opracowany przez firmę zbrojeniową QinetiQ, znaną m.in. z robota saperskiego Talon, który jest używany do zdalnego rozbrajania i detonowania min pułapek w Iraku i Afganistanie.


QinetiQ Zephyr - panele słoneczne na skrzydłach mają grubość papierowej kartki

Ten niewielki samolot, o rozpiętości 22,5 metra, jest zbudowany z ultralekkich kompozytów węglowych. Cała powierzchnia skrzydeł jest pokryta panelami słonecznymi o grubości kartki papieru, a zasilanie w nocy dostarczają ładowane z paneli baterie litowo-siarkowe. Dzięki tym nowoczesnym materiałom udało się zredukować masę płatowca do nieprawdopodobnej wręcz wagi 53 kilogramów. Samolot nie ma nawet podwozia i startuje "z ręki”, trzymany przez pięciu ludzi.

Dwa wolno obracające się śmigła pozwalają mu rozwinąć prędkość zaledwie kilkudziesięciu kilometrów na godzinę, ale to wystarcza by samolot osiągnął pułap operacyjny 20 km, na którym może przebywać wiele dni. Zephyr dzierży aktualny rekord świata długości lotu bez lądowania. Podczas prób w 2010 roku przebywał w powietrzu nieprzerwanie przez 336 godzin, czyli okrągłe dwa tygodnie.

Wyniki wprawiły generałów w stan euforii i już w tym roku samolot ma trafić na testy polowe do Afganistanu.

Satelita stratosferyczny

Po sukcesie Zephyra Pentagon rozwiązał worek z pieniędzmi na dalsze badania. QinetiQ został wybrany obok Boeinga do realizacji finansowanego przez agencję DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) programu Vulture II. Kosztem 89 mln dolarów powstanie prototyp samolotu elektrycznego napędzie słonecznym, który, jak czytamy w opisie projektu, "będzie łączył zalety dwóch najważniejszych platform rozpoznawczych: samolotów bezzałogowych i satelitów”. Samolot ma mieć zupełnie fantastyczne możliwości.

- Solar Eagle to duży, bezzałogowy samolot, zaprojektowany tak by docelowo mógł latać na wysokościach stratosferycznych przez okres 5 lat - mówi Pat O'Neil z Boeinga, który kieruje zespołem tworzącym samolot. - To olbrzymie wyzwanie, ale dysponujemy technologią, która pozwoli sprostać wymaganiom i stworzyć platformę do misji rozpoznawczych prowadzonych z wysokości 20 tys. metrów.


Pathfinder podczas lotu nad Hawajami. Czy jego następca - Solar Eagle - odniesie sukces

Ta platforma to płatowiec o rozpiętości skrzydeł 120 metrów, który ma mieć możliwość przenoszenia pół tony sprzętu szpiegowskiego. Prawdopodobnie będzie wykonany w podobnej technologii co QinetiQ Zephyr, tyle że z lepszymi ogniwami słonecznymi i akumulatorami, które bez wątpienia pojawią się na rynku do czasu zaplanowanego lotu prototypu.

Zgodnie z wytycznymi DARPA, samolot ma wznieść się w powietrze w 2014 roku i latać przez 30 dni bez pomocy człowieka. Wcześniej wzniesie się demonstrator zasilany ogniwami paliwowymi, co pozwoli na przetestowanie aerodynamiki i zdolności lotnych samolotu, przed instalacją baterii słonecznych i akumulatorów.

Teraz Polska

Jednak samoloty elektryczne zasilane bateriami słonecznymi to nie tylko domena wojska. Podobny projekt powstaje w warszawskim Instytucie Lotnictwa i jest przeznaczony przede do zastosowań cywilnych.


Komputerowy model Phoeniksa

Kadłub Phoeniksa będzie miał 8 metrów długości przy 40 m rozpiętości skrzydeł. Dzięki zastosowaniu ultra lekkich materiałów kompozytowych, jego waga to zaledwie 300 kg. Będzie mógł zabrać ok. 20 kg sprzętu obserwacyjnego, co dzięki postępującej miniaturyzacji urządzeń obserwacyjnych, wystarczy do zainstalowania kamery do obserwacji powierzchni Ziemi. Samolot będzie mógł wystartować z dowolnego lotniska, także trawiastego, a pułap operacyjny 20 km osiągnie samodzielnie.

-  Ten pułap jest korzystny nie tylko ze względu na duży horyzont obserwacji - mówi dr. Bohdan Naumienko z Instytutu Lotnictwa. - Przestrzeń powyżej 15 km nie podlega kontroli, więc samolot stratosferyczny może latać nad dowolnymi miejscami, bez obawy kolizji np. z odrzutowcami pasażerskimi.

Samolot Phoenix będzie można wykorzystać do wszelkich zastosowań związanych z monitorowaniem powierzchni Ziemi, a więc nadzoru linii przesyłowych, lasów a nawet natężenia ruchu drogowego. Do tworzenia map i wykrywania konfliktów przestrzennych, oraz przede wszystkim do zarządzania kryzysowego w tym do usuwania skutków klęsk żywiołowych.

- Ogromną zaletą naszego samolotu jest możliwość prowadzenia obserwacji według określonej trasy, co jest nie możliwe przy użyciu satelitów - mówi dr. Bohdan Naumienko. - Dzięki temu Phoenix będzie mógł dokładnie monitorować na przykład bieg rzeki od źródeł do ujścia, co jest nieocenioną pomocą np. w czasie walki ze skutkami powodzi.

Ważne jest też to, że sam samolot będzie na tyle tani, że na usługę związaną z wykorzystaniem samolotu będzie mogła pozwolić sobie gmina, a nawet osoba prywatna, np. rolnik, który będzie potrzebował dokładnej mapy zasiewów.


Samolot będzie można wkrótce zobaczyć samolot w powietrzu, bo jeszcze w tym roku ma wzbić się w powietrze model w skali 1:5, oczywiście jeśli wcześniejsze próby w tunelu aerodynamicznym potwierdzą sprawność konstrukcji, która do tej pory jest rozwijana wyłącznie w oparciu o modele i obliczenia komputerowe.

Samolot ma być gotowy pod koniec 2012 roku, wówczas kończy się finansowanie z Unii Europejskiej w ramach programu operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, dzięki którym projekt został rozpoczęty.

- W tym momencie będziemy musieli znaleźć partnera przemysłowego, który zdecyduje się na wprowadzenie samolotu do produkcji - mówi dr Bohdan Naumienko. - Mam nadzieję, że zainteresuje się nim jedna z polskich firm. Samoloty elektryczne o napędzie słonecznym to mało zagospodarowany rynek, w przeciwieństwie do samolotów bezzałogowych o klasycznym napędzie, których powstały setki typów. Być może uda się rozwinąć ich produkcje i polski przemysł lotniczy znajdzie dla siebie kolejną niszę, bo obecnie jedyny rynek, na którym liczą się nasze konstrukcje to małe samoloty sportowe dla indywidualnego użytkownika - dodaje Naumienko.

 

Podyskutuj o samolotach przyszłości: facebook.com/madrzejszy.swiat

 

Bartłomiej Mrożewski - z wykształcenia historyk, pasjonat nowoczesności. Od 2000 roku związany z prasą komputerową. Pracował m.in. w Enterze, CRN-nie, Next (nomen omen). Obecnie związany z PC Formatem. Specjalizuje się w tematyce internetowej i fotograficznej. Poza tym chętnie pisze o najnowszych osiągnięciach nauki i techniki.

 

http://bi.gazeta.pl/im/9/9676 /z9676979U.jpg

Zobacz więcej na temat: