Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание - Станислав Зигуненко

Для тех, кто не читал упомянутых публикаций, коротко доложу суть дела. Самолет бы выполнен в масштабе 1/8 натуральной величины, имел крыло с размахом 4 м. На взлете и посадке питание электродвигателя с воздушным винтом осуществлялось за счет энергии бортовых никель-кадмиевых батарей. После взлета и подъема на высоту 90 м батареи отключались, и в дальнейшем полет осуществлялся за счет передачи на борт аппарата СВЧ-энергии с помощью наземного передатчика с параболической антенной. На борту самолета находилась специальная приемная антенна, которая обеспечивала преобразование принимаемого СВЧ-излучения сначала в постоянный, а затем и в переменный ток, необходимый для питания электродвигателя.

Далее сообщалось, что в перспективе предлагается создать усовершенствованный вариант самолета больших габаритов и испытать его уже на высотах 2,5—3 км. Однако такой самолет до сих пор не появился. Почему?

Оказалось, что затраты на его создание оказались существенно выше, чем предполагалось вначале. Ведь в окончательном варианте, по мнению разработчиков, самолет должен иметь размах крыла 36,6 м, длину фюзеляжа 23,8 м, диаметр диска с антеннами-выпрямителями 9,1 м и массу полезной нагрузки около 90 кг.

Чтобы обеспечить эффективный прием передаваемой энергии, на борту самолета предполагается установить около 10 тыс. антенн-выпрямителей. Они будут располагаться под консолями крыла и фюзеляжа, а также непосредственно на диске. Управление аппаратом обеспечит бортовой компьютер.

Схема передачи СВЧ-энергии из космоса

Чтобы передаваемой на борт самолета СВЧ-энергии хватило для поддержания полета, необходимо, чтобы ширина сфокусированного луча не превышала 30 м, давала мощность на ходе бортового электродвигателя не менее 30 кВт, а стало быть, плотность энергии на нижней части самолета должна составлять порядка 500 Вт/кв. м при полете на высоте до 21 км.

С этой целью выбрана частота передаваемого излучения 2,45 ГГц; при этом меньше потери энергетического пучка в воздушной среде. А чтобы передаваемый луч достиг приемной антенны, не распыляясь в пространстве более чем на 30 м в окружности, диаметр передающей антенны должен быть не менее 70 м.

Чтобы выбрать оптимальный вариант, разработчики предполагали рассмотреть несколько конструкций передающего оборудования — как в виде одной большой антенны, так и антенной системы. Одно из предложений предусматривает также использование системы из 260 параболических антенн с диаметром отражателя 4,6 м с механическими и электронными средствами управления пучком энергии.

В общем, трудностей оказалось предостаточно. Тем не менее разработчики полагают, что коммерческий самолет такого типа будет создан в начале следующего столетия.

Согласно расчетам, он должен выполнять барражирующие полеты по кругу диаметром 4,5 км на высоте 21 км при скорости 220 км/ч, охватывая площадь диаметром около 600 км. Продолжительность такого полета составит от 6 месяцев до 2 лет, а сам аппарат предполагается использовать как летающую антенну для ретрансляции программ регионального радиовещания, ведения прямых телепередач и обеспечения телефонной связи с подвижными транспортными средствами, наблюдения за океанской акваторией и для дальнего радиолокационного обнаружения низколетящих целей, ведения круглосуточного наблюдения за границами и т.д.

«Бензоколонка» на орбите

Снабжение энергией летательных аппаратов, кстати, может осуществляться не только с поверхности Земли, но и из космоса. Так, во всяком случае, полагают директор Исследовательского центра имени М.В. Келдыша (бывший Институт тепловых процессов), академик А.С. Коротеев и его сотрудники В.Н. Акимов, Ю.М. Еськов и В.Ф. Семенов. Суть же дела они пояснили следующим образом.

Ныне очень модно говорить о возобновляемых источниках энергии. Однако энергия ГЭС, как выяснилось, обходится нам отнюдь не столь дешево, как считали еще недавно. Ветры дуют в определенных, не столь уж многочисленных регионах страны. Для солнечных же электростанций, учитывая северное расположение основных территорий России, характерна низкая плотность энергии (в среднем за год не более 100 Вт/кв. м) и большая неравномерность, вплоть до полного отсутствия солнечного света зимою в Заполярье.

Поэтому если уж использовать даровую энергию нашего светила, то станции надо строить на околоземной орбите, где солнце светит круглые сутки и круглогодично, причем плотность энергии почти в 15 раз выше, чем не поверхности планеты.

Сама по себе идея создания орбитальных электростанций — не бог весть какая новость; она муссируется в специальной и научно-популярной литературе добрых лет тридцать. Во всяком случае, первую работу на эту тему наш соотечественник П.А. Варваров опубликовал еще в 1960 году, а его коллега П.Е. Глейзер из США — в 1968 году. Отметим вкратце основные преимущества и недостатки подобного способа получения энергии.

Несомненным достоинством идеи, как уже говорилось, является наличие такого «бесплатного» источника, как наше светило. Однако, чтобы преобразовать солнечный свет в электричество, а потом переправить электроэнергию на поверхность планеты, человечество должно затратить определенные усилия. Необходимо доставить на орбиту и развернуть там огромные конструкции солнечных элементов — как говорят предварительные расчеты, речь здесь идет о площадях 100 х 100 км и более. Ныне существующие преобразователи солнечной энергии имеют довольно низкий КПД, но солидную массу. Так, ныне в основном используются батареи, имеющие отношение массы к вырабатываемой энергии порядка 100 кг/кВт, когда хотелось бы иметь соотношение хотя бы на два порядка поменьше. Подобные конструкции на основе аморфного кремния, могущие дать в перспективе порядка 1 кг/кВт, разрабатываются в США и Японии, но исследования пока не вышли за стены лабораторий.

Тем не менее наши специалисты, по словам академика А.С. Коротеева, рассмотрели несколько вариантов передачи энергии на Землю из космоса. На сегодняшний день наиболее реальны два способа: передача энергии по лазерному или СВЧ-лучу. Японские исследователи отдают предпочтение первому, наши — второму. И вот почему. КПД лазерных систем в лучшем случае составляет 15—20%, СВЧ-систем — до 90%. Кроме того, производство лазеров технологически значительно сложнее, а с точки зрения экологии они ничуть не безопаснее.

Конечно, СВЧ-луч будет определенным образом воздействовать на атмосферу, проделывая в ней ионизированные каналы. Причем ионизацию можно будет использовать в полезных целях, например для выжигания фреона в ионосфере Земли с целью уменьшения парникового эффекта. Что же касается воздействия излучения на нижние слои атмосферы и непосредственно на поверхность планеты, то проектировщики надеются свести вред от него к минимуму. Надежды их покоятся вот на каком основании.

Во-первых, само по себе СВЧ-излучение не более вредно для экологии, чем нынешние запуски ракет-носителей: ведь при их запусках, как известно, тоже образуются ионизированные каналы, которые держатся в атмосфере несколько часов, а то и суток. Во-вторых, подобные каналы будут меньшего диаметра и точно нацелены на приемные антенны; интенсивность же излучения за пределами канала сразу же резко уменьшается в тысячи и более раз. Так что суммарный вред от применения такой энергетической системы будет куда меньший, чем, скажем, от нынешних тепловых электростанций.

Проекты XXI века

«Летающие крылья»

Использоваться же подобные энергетические станции могут, например, для питания двигателей вот таких перспективных летательных аппаратов.

Так будет выглядеть «летающее крыло» на 936 пассажиров

При первом же взгляде на модель сразу бросается главное отличие этого летательного аппарата от привычных глазу — у него нет фюзеляжа. Равнобедренный треугольник модели кажется почти плоским, как-то даже не верится, что внутри смогут разместиться люди и грузы.

«Эффект масштаба, — улыбнулся над моими сомнениями один из авторов новой конструкции, заместитель начальника отдела перспективных разработок Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) В.Е. Денисов. — Модель имеет размах крыла чуть больше метра, а сам аппарат будет в 100 раз больше. Так что места для пассажиров и груза хватит, их можно разместить даже в два этажа...»

В обшей сложности на двух ярусах смогут занять свои места 936 пассажиров. Здесь же разместится их багаж, другие грузы. Столь большая вместимость перспективного авиалайнера весьма кстати. Во всем мире перевозки людей и грузов, в том числе и по воздуху, растут быстрыми темпами; к 2000 году планируется их увеличение в 2,5 раза. Однако ни одна страна не может себе позволить во столько же раз увеличить количество аэропортов и самолетов — для этого не хватит ни территории, ни производственных мощностей, ни средств. Таким образом, остается увеличивать вместимость каждого самолета. То есть идти по пути, намеченному уже сегодня, когда на смену обычным самолетам, вмещающим 100—150 пассажиров, все чаще приходят широкофюзеляжные аэробусы, берущие на борт сразу 300—350 человек.