Довольно продолжительное время такой гигант как Google думает о возможности обеспечения интернетом той часть населения планеты куда сегодня телекоммуникационная индустрия не решается прокладывать дорогостоящие оптоволоконные линии. Не покидает идея обеспечения связью таких уголков планеты с воздуха. Если говорить о космических спутниках то в экономическом отношении это никак не дешевле чем оптоволоконные линии.

Таким образом чтобы избежать дорогостоящих пусков на орбиту необходимо использовать атмосферные коридоры. И таким летательным аппаратам уже приклеен термин «атмосферные спутники». В собственной разработке Гугл существовал их проект под названием «Loon». Недавно стало известно, что они приобретают молодую компанию Titan Aerospace , которые специализируются на разработке летательных дронов. Это небольшая группа разработчиков уже успела выпустить пару летательных аппаратов под названием Solara 50 и Solara 60.

Само понятие спутник подразумевает, что летательный аппарат должен после взлета находится в полете довольно продолжительное время. Так вот расчетное время полета Solara 50 составляет 5 лет. Этот аппарат с размахом крыльев около 50 метров весит всего 160 кг. Вся поверхность дрона покрыта солнечными элементами, за счет которых он и будет парить над Землей на высоте 18-20 км. Эта высота относится к верхней границе тропосферы и нижней стратосферы. Напомним, что гражданская авиация аутсайдеры в этой зоне, для которой предельная высота составляет около 15 км. Но это не единственная причина по которой была выбрана такая высота. В этом коридоре зона слабых ветров, скорость которых равна пешеходу. А также эта зона фактически безоблачная. Лишь только перистые облака преобладают в тропической зоне. Данный дрон способен обеспечить связью земную поверхность диаметром в 50 километров.

Вышеупомянутый проект «Loon» от Google выполнен в виде воздушного шара, полет которого должен быть обеспечен исключительно воздушными потоками.

В свою очередь непредсказуемость воздушных потоков ставят под сомнение управляемость таких воздушных шаров. Вероятно это и послужило причиной переориентирования в сторону самолетов-дронов.

О многообещающих горизонтах перспектив мы поговорили. Теперь попытаемся опуститься за землю и поразмыслить о реалиях данного проекта. Начнем с того, что полномасштабные проекты Titan собирался выпускать лишь только в этом году, а до этого момента были созданы кропнутые версии дронов. Также речь шла о единичных запусках, а не о группах дронов с целью обеспечения связи больших земных площадей. К примеру, для того, чтобы покрыть цифровой связью африканский континент необходимо 11 тысяч Solara 60, которые должны кружить бок о бок. А ведь координировать такой армией дронов не простая задача над решением которой еще не работали.

Вызывает сомнения энергетическая сторона дронов. Расчетное время полета около 5 лет. В свою очередь это более тысячи циклов заряда-разряда батареи. Литий-ионные батареи с самыми высокими характеристиками не смогут выдержать такой ресурс. Что касается солнечных элементов, то они способны накапливать максимальный процент энергии в дневное время и минимальный в ночное. А обеспечивать связью необходимо в течении всех суток. Разница между уровнем накопления энергии днем и ночью в десятки раз. Хотя в этом случае и ночная активность пользователей также падает. Весь вопрос в том, достаточно ли будет накапливаемой ночью энергии для обеспечения энергоснабжения системы связи и поддержания полета в целом.

Вопросы безопасности летающих дронов-самолетов также остаются острыми. Это не спутники, которые в случае аварии сгорают в слоях атмосферы. Представьте, сколько в воздухе,покрывая необходимую территорию, может парить дронов? На 50 метров диаметра Земли - 1 аппарат. Вероятность падения на фоне такого большого их числа, думаю, не низкая. От падения такого аппарата могут пострадать как гражданская авиация так и население Земли. Кроме того, один из факторов возможного падения - неравномерные воздушные потоки, воздействию которых подвержены дроны в разных слоях атмосферы в момент взлетов. Какие решения предложат инженеры, пока не известно.

С легкой руки журналистов летательные аппараты на солнечной энергии, способные находиться в воздухе неограниченное время, стали называть атмосферными спутниками, хотя это понятие вмещает в себя гораздо больше объектов, например аэростаты. Наиболее распиаренным проектом в этой области стал Solara 50 американской компании Titan Aerospace, картинки которого заполонили интернет и страницы журналов. Но реальных полетов так никто и не дождался. Концепция провалилась из-за того, что большой самолет нельзя сделать таким же, как маленький. Ролик получился очень красивым, но такой самолет, увы, не смог полететь.

Ночь продержались

С некоторой натяжкой «отцом» атмосферных спутников можно назвать беспилотный аппарат на солнечных батареях NASA Helios, который 3 августа 2001 года достиг высоты 29 524 м, что остается действующим на текущий момент мировым рекордом высоты устойчивого горизонтального полета для крылатых летательных аппаратов без реактивных двигателей, и провел на высоте более 29 км более 40 минут. Однако продержаться хотя бы сутки в воздухе ему не удалось, и в 2003 году в ходе испытательного полета на максимальную длительность нахождения в воздухе на высоте 850 м Helios попал в зону сильной турбулентности, разрушился и упал в Тихий океан.

Гораздо бóльших успехов добился разработанный британской компанией QinetiQ сверхлегкий беспилотник Zephyr, поставивший в 2007 году неофициальный мировой рекорд длительности полета для БПЛА — 54 часа. В 2008 году 30-килограммовый Zephyr-6 провел в воздухе 82,5 часа, а в 2010 году уже 30-килограммовый Zephyr-7 продержался над аризонской пустыней две недели, причем максимальная высота полета составляла 18 км. После этого компанию QinetiQ приобрела Airbus Defence and Space, и проект стал полностью военным и секретным. Новый Zephyr-8 в 2015 году продержался в воздухе те же две недели, но уже с полезной нагрузкой в 5 кг. И в этом году сообщается о начале испытаний Zephyr S с 22,5-метровым размахом крыльев. Проект Zephyr получил доступ к самым последним технологиям. Например, он использует литий-серные аккумуляторы Li-S, которые имеют удельную емкость в два раза выше, чем те, которые доступны на рынке.

В этом году в игру вступил могущественный Facebook, который ранее приобрел британскую компанию Ascenta, разработавшую гигантский высотный дрон Aquila. В июне 2016 года Aquila совершил первый, пока 90-минутный полет. О российских разработках в области атмосферных спутников долгое время не было слышно ничего до августа 2016 года.

Главный конструктор, летать и конструировать авиационную технику начал с 14 лет. Основные алгоритмы системы управления, вопросы устойчивости и управляемости.

2 августа 2016 года появилась новость, что в России удачно испытан беспилотный аппарат, который продержался в воздухе более 50 часов на высотах до 9 км. Заместитель генерального директора Фонда перспективных исследований Игорь Денисов объявил, что был совершен экспериментальный полет масштабной модели в рамках проекта «Сова», реализуемого Фондом перспективных исследований и компанией «Тайбер». И через неделю мы сидели в московском офисе «Тайбера» и расспрашивали руководителя проекта Юрия Тыцыка и главного конструктора Вячеслава Шпилевского о технических подробностях.

Новый подход

Мысль о самолете с гибким крылом пришла Юрию в голову два года назад. Он поделился идеей со своими друзьями по планерному спорту: почти вся команда разработчиков «Совы» — выходцы из планерных клубов, и это видно по проекту. Друзья его поддержали, и, не откладывая в долгий ящик, Юрий и Вячеслав из пенопласта смастерили первую модель с размахом крыльев под два метра. Сохранились трогательные кадры первых пусков, которые проходили во дворе дома. Модель полетела, да еще как! Так сформировался костяк команды — Юрий стал руководителем проекта, Вячеслав Шпилевский — главным конструктором, а Алексей Стратилатов взялся за интеграцию своей системы управления в новую схему летательного аппарата, электронную начинку и автопилоты. За прошедшие пару лет ребята сделали около двадцати прототипов. Год назад проект поддержал Фонд перспективных исследований, и в сентябре в воздух должен подняться полноразмерный аппарат с размахом крыльев в 28,5 м.

Связанные одной нитью

Как ведут себя в небе атмосферные спутники, которые должны находиться в воздухе месяцами? Днем они заряжают через солнечные панели свои аккумуляторные батареи и набирают максимально возможную высоту, накапливая потенциальную энергию. После захода солнца они должны как можно медленнее терять высоту, экономно расходуя электроэнергию, — летающих энергозаправщиков еще не придумали. Поэтому аппараты должны иметь аэродинамику на уровне самых лучших планеров, а еще лучше — превосходить их. Один из главных приемов увеличения аэродинамического качества (сколько метров может пролететь летательный аппарат при снижении на один метр) — удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней ширине). Только у трех в мире рекордных планеров это значение превышает 50 единиц, и это практически предел. При классической компоновке сломаться крылу не дает лонжерон — мощный силовой элемент, располагающийся по всей длине крыла и воспринимающий изгибающий момент. Чем длиннее крыло, тем тяжелее лонжерон, и даже современные углепластики не спасают ситуацию. А от скручивания крыло спасает мощная обшивка. В любом учебнике по проектированию самолетов четко написано, что при увеличении линейных размеров самолета его масса растет в кубе, из-за чего масштабирование красивых ажурных моделей-прототипов на реальные размеры часто приводит к катастрофам. Именно поэтому мы не увидели полноразмерного спроектированного по классической схеме Solara.

Идея Юрия Тыцыка была необычной — сделать гибкое крыло без классических лонжеронов и работающей на кручение обшивки. Кто-нибудь слышал, чтобы у альбатроса в полете от нагрузок сломались крылья? А ведь эти птицы летают в штормовой ветер. Обычные самолеты избегают этого, не говоря уж об экспериментальных или рекордных аппаратах. Природа явно подсказывает применение «гибких решений». Также у птиц нет элеронов — для поворота они закручивают все крыло.

«Вот мы на фотографии втроем держим самолет, — Юрий открывает файл на компьютере. — Если два человека по краям отпустят, он сломается. Аппарат гибкий и непрочный. Мы его даже несколько раз ломали при переноске. Но в полете такого не происходит». Вячеслав Шпилевский пытается объяснить мне идею доступными образами: «Наш аппарат подобен косяку птиц, кончики крыльев которых связаны, чтобы им проще было держать дистанцию». По сути «Сова» — это три самолета, летящих в очень-очень плотном строю. Более плотном, чем летают легендарные «Стрижи». И если они сломают строй, самолет развалится. Полет данной схемы аппарата стал возможен благодаря электронике, на базе автопилота, созданного Алексеем, и уникальных алгоритмов, написанных Вячеславом.

У «Совы» нет и элеронов — классических аэродинамических органов управления на задней кромке крыла, регулирующих угол крена самолета. Креном управляют горизонтальные стабилизаторы на хвостовой части фюзеляжей боковых корпусов. За курс и тангаж отвечает оперение центрального корпуса. На «Сове» два электромотора. «Чем больше моторов, тем больше винтов, а чем их больше, тем меньше их диаметр и они легче. — У Юрия на все есть простые и логичные ответы. — К тому же моторы компенсируют вес хвостовых балок со стабилизаторами».

Планерные гены

Напоминая о планерных корнях создателей, спрашиваю, использует ли аппарат восходящие потоки. Набирает ли в них высоту в автоматическом режиме? «Сейчас у нас реализован алгоритм центрирования восходящего потока. Если аппарат натыкается на зону восходящих потоков, то закладывает вираж, смещаясь в область, где скороподъемность выше, — Юрий руками наглядно показывает маневр планера, — и в автоматическом режиме отрабатывает поток до самой кромки облаков. Восходящие потоки работают до высоты нижней кромки кучевой облачности — около 2000 м. Если поток пропадает, он продолжает лететь дальше по программе. Пока еще он не умеет самостоятельно искать восходящие потоки, да и никто сейчас не умеет. Но это скорее наш интерес как планеристов, ведь бóльшую часть времени «Сова» проводит выше облаков, где термические восходящие потоки почти отсутствуют. Мы использовали термики еще и для того, чтобы проверить живучесть аппарата в неспокойной атмосфере, — в них ощутимо трясет».

За все время полета заряд аккумуляторных батарей «Совы» не опускался ниже 30%, и я задаю вопрос, который собирался задать в самом начале беседы: если был такой запас по энергии, почему не установили новый рекорд? «Такой задачи у нас просто не было, — улыбается Юрий Тыцык. — А для того чтобы выяснить способность энергетической системы работать автономно, достаточно двух циклов зарядки-разрядки».

В настоящее время ряд стран занимаются разработкой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), способных выполнять широкий круг задач, в частности непрерывно обеспечивать связь и вести разведку в течение длительного срока. Предполагается, что в будущем они заменят дорогостоящие низкоорбитальные спутники связи и наблюдения. Тем не менее, существующие прототипы таких аппаратов могут находиться в воздухе не более 14 суток, чего недостаточно для работы в отдаленных районах. Кроме того, эти БПЛА должны поддерживать большую высоту полета, чтобы избежать столкновения с гражданской авиацией.

Новый многофюзеляжный атмосферный спутник «Сова» рассчитан на полеты на высотах более 13 000 метров. Аппарат изготовлен из прочного и легкого углепластика и имеет размах крыла 28 метров. Крыло беспилотника оснащено солнечными панелями - благодаря им и рекордному удлинению крыла атмосферный спутник может находиться в воздухе неограниченно долгое время. Сообщается, что небольшой массы «Совы» удалось добиться с помощью установки на фюзеляжи трех синхронизированных автопилотов. Это также позволило отойти от высокой жесткости крыла с сохранением устойчивости к атмосферным возмущениям.

«Сова» может выполнять полеты в полностью автоматическом режиме, однако допускает дистанционное вмешательство оператора: связь с аппаратом осуществляется по нескольким защищенным радио- и спутниковым каналам. Высота полета беспилотника (20 000 метров) позволяет ему оставаться выше атмосферных явлений. Предполагается, что он сможет обеспечить стабильную радиосвязь с военными базами на арктических островах и кораблями, а также вести постоянное патрулирование Арктики и труднодоступных районов Мирового океана. Испытания «Совы» продолжаются в течение полугода, завершить их планируется к апрелю. Другие подробности проекта не уточняются.

О начале испытаний нового российского атмосферного спутника стало известно летом 2016 года. В рамках испытательного полета, который проходил 14–17 июля возле Орла, прототип аппарата провел в воздухе 50 часов на высоте до 9 000 метров, после чего совершил принудительную посадку. Масса прототипа составила 11,8 килограмма, размах крыла - девять метров, мощность солнечных панелей - более 270 ватт. В планах компании было дополнительно оснастить беспилотник водородными топливными элементами, которые позволят ему продолжать работу в условиях низкой солнечной радиации. После завершения новых испытаний Минобороны РФ примет решение о постановке «Совы» на вооружение.

Ближайшим действующим аналогом российского атмосферного спутника является семейство британских БПЛА Zephyr, которые разрабатываются Airbus Defence and Space. При взлетном весе 32 килограмма и способности подниматься на высоту до 21 000 метров максимальная длительность их полета оценивается в 336 часов. Аппараты Zephyr активно закупаются оборонным ведомством Соединенного Королевства.

Видеозапись испытательного полета прототипа / ©«Тайбер»

В России завершаются испытания беспилотного атмосферного спутника.

Минобороны примет на вооружение беспилотные высотные летательные аппараты (БЛА) типа «Сова». Ожидается, что гигантские планеры заменят дорогостоящие низкоорбитальные спутники наблюдения и связи. Подпитываясь солнечной энергией и используя воздушные потоки, они будут вести постоянное патрулирование отдаленных районов Мирового океана и Арктики. Их задача — ведение разведки, а также передача сигналов управления и связь с кораблями и военными объектами, находящимися за Полярным кругом.

В фирме «Тайбер» , которая разработала и изготовила уникальный БЛА, «Известиям» рассказали, что испытания новой техники шли последние полгода и завершатся в этом месяце. По их итогам в конструкцию «Совы» будут внесены изменения, после чего будет принято решение о постановке аппарата на вооружение.
Высотный ретранслятор «Сова» может находиться в воздухе круглогодично. Конструкция беспилотника создана из материалов на основе углеродных волокон, которые имеют высокую прочность, малый вес и рассчитаны на длительную непрерывную эксплуатацию.

Ретранслятор имеет размах крыла 28 м и может подниматься на высоту до 20 тыс. м . Благодаря солнечным батареям, установленным в плоскости крыла, аппарат может находиться в воздухе неограниченное время . Связь с ним осуществляется по нескольким резервированным каналам — спутниковым и нескольким защищенным радиоканалам.
Весь полет проходит в автоматическом режиме, но может корректироваться оператором . Поэтому в любой момент аппарат можно посадить и починить, заменив вышедшую из строя полезную нагрузку.
Эксперт в области беспилотной летательной техники, редактор отраслевого журнала UAV.ru Денис Федутинов рассказал «Известиям», что «Сова» — первый аппарат подобного класса в России . До его появления основное внимание специалистов было сосредоточенно вокруг проекта компании Facebook — Aquila. Это изделие способно выполнять полет на высоте более 18 тыс. м, что практически позволяет ему находиться выше всех возможных атмосферных явлений.
Аппарат летает выше облаков и погодных явлений , так что окружающая среда и ветер стабильны или, по крайней мере, предсказуемы. На такой высоте в поле зрения беспилотника попадает сразу около 45 тыс. кв. км земной поверхности. Поэтому базовая станция сотовой связи, установленная на Aquila, может заменить 100 таких объектов на поверхности Земли .
— Атмосферные спутники — недорогое решение глобальных задач, — рассказал Федутинов. — Особенно там, где создание наземных базовых станций связи дорого и сложно в обслуживании. В последнее время у России появилась необходимость обеспечивать постоянную радиосвязь с кораблями в мировом океане и военными базами на Арктических островах . Необходимо контролировать Северный морской путь . «Сова» с ее возможностями полностью решит стоящие перед военными задачи.
Высотные БЛА, которые могут летать длительное время на солнечной энергии, часто называют атмосферными спутниками. Схож у них и функционал — беспилотные аппараты обеспечивают видеонаблюдение и связь над заданным районом.
Наиболее известный зарубежный военный аналог «Совы» — семейство высотных БЛА Zephyr . Их создала британская компания QinetiQ (сейчас разработка перешла компании Airbus Defence and Space ). Эти аппараты активно закупаются Минобороны Великобритании. В гражданском секторе активно внедряется семейство высотных ретрансляторов Solara компании Titan Aerospace.

Атмосферный спутник "Сова" / Фото: cdn2.img.ria.ru

В России прошли испытания первого отечественного атмосферного спутника «Сова», который совершил беспосадочный полет в течение двух суток. Это беспилотный летательный аппарат, оснащенный солнечными панелями и аккумуляторными батареями, предназначенный для «сверхдлительных полетов на всех широтах России», как заявил заместитель генерального директора Фонда перспективных исследований Игорь Денисов.

Продолжительность экспериментального полёта составила 50 часов на высоте до 9 километров. «Длительность полёта при этом была ограничена не возможностями модели, а исключительно решением руководителя испытаний о достаточности цикла для подтверждения заявленных характеристик», - рассказал И. Денисов.

Начало лётных испытаний второго прототипа аппарата «Сова» запланировано на сентябрь 2016 года.

Обычные космические спутники хорошо справляются со своими стандартными задачами и технологии их изготовления и запуска детально отработаны. Единственный их недостаток - огромная дороговизна. Американская компания Titan Aerospace два года назад предложила альтернативный низкобюджетный проект.

Инженеры Titan Aerospace предложили запускать в верхние слои атмосферы беспилотники, работающие на энергии Солнца. В августе 2013 года на международной выставке беспилотных летательных аппаратов в Вашингтоне (США), компания Titan Aerospace представила два высотных беспилотных аппарата Solara 50 и Solara 60, которые она назвала «атмосферными спутниками» (atmospheric satellites). Каждый из них сможет подниматься на высоту около 20 км и оставаться там в течение пяти лет.

Беспилотники Solara имеют один электродвигатель с воздушным винтом большого диаметра, который питается от солнечных батарей, размещенных на поверхности крыльев. Солнечные батареи подзаряжают литий-ионные аккумуляторы для работы электромотора ночью.

Беспилотник Solara / Фото: hsto.org

Запускается аппарат с катапульты и несет полезную нагрузку до 100 кг.

Высота полета выбрана не случайно, а в силу особенностей этого слоя атмосферы. На такой высоте (от 18 до 24 километров) практически нет облаков, а скорость ветра не превышает девять километров в час. В то же время здесь вполне достаточно воздуха, чтобы можно было удерживать аппарат на заданной высоте с помощью пропеллера.

Атмосферные спутники, летающие в стратосфере (так называется этот уровень земной атмосферы), могут вести фотосъемку местности и обеспечивать услугами связи территорию радиусом до тридцати километров. Мультиспектральная съемка поверхности Земли обойдется всего в пять долларов за квадратный километр, что в семь раз ниже цены спутниковых фото.

Впервые атмосферный спутник создала и запустила компания AstroFlight в 1974 году. Аналогичный беспилотник на солнечных батареях, созданный компанией AeroVironment, в 1980 году пересек Ла-Манш, а в 2001 году, поднявшись на высоту 29 километров, пробыл там 40 минут.

Ни одна из вышеперечисленных компаний не смогла добиться коммерческого эффекта от своих аппаратов. Причина была в низкой эффективности солнечных батарей, ограниченной емкости и малой долговечности аккумуляторов, а также ненадежности конструкции самих аппаратов.

И только пару лет назад стало возможным создать надежные и коммерчески выгодные атмосферные беспилотники.

Аппаратами компании Titan Aerospace сразу же заинтересовалась корпорация Google, и, недолго думая, просто купила ее. Ранее о покупке Titan Aerospace задумывался другой интернет-гигант — Facebook, однако в итоге приобрел другого производителя дронов - британскую фирму Ascenta. Оба интернет-гиганта заявляют, что атмосферные спутники им необходимы для обеспечения интернет-услугами населения развивающихся стран.

«Атмосферные спутники могут дать миллионам людей доступ к интернету и помочь решить другие проблемы, в том числе в случае стихийных бедствий и причинения ущерба окружающей среде, например, обезлесения», — говорится в пресс-релизе Titan Aerospace.

Экспериментальные беспилотники на солнечных батареях с 1983 года запускала NASA.

Cпутник NASA Pathfinder / Фото: ic.pics.livejournal.com

Справочная информация:

NASA Pathfinder — экспериментальный беспилотный летательный аппарат. Создан компанией AeroVironment на основе конструкции БПЛА «HALSOL» («High Altitude Solar»).

Helios был одним из опытных аппаратов, чьё строительство было спонсировано NASA. Ему принадлежит установленный в 2001 году и пока непревзойденный рекорд по высоте подъёма среди крылатых летательных аппаратов без реактивных двигателей — 29,5 км. Солнечные батареи размещены по всей длине 75-метровых крыльев. Аппарат также был способен продержаться ночь на накопленной предыдущим днём энергии.

Чисто военный атмосферный спутник Zephyr-7 создала британская оборонная компания QinetiQ при финансовой поддержке Министерства обороны Великобритании. Zephyr-7 продержался в воздухе 11 суток, причем в зимних условиях, этот рекорд пока никем не побит. Рекордный полет был выполнен, когда компания QinetiQ была куплена авиагигантом «Эйрбас».

Во время этого полета впервые была использована спутниковая связь для управления воздушным судном. Представитель «Эйрбаса» Йенс Федерхен сказал, что это подтвердило возможность управления полетами летательных аппаратов по всему миру с наземного центра управления.

Что касается российского БПЛА «Сова», то он дает возможность создать сеть ретрансляторов видео- и радиосигналов по всей территории России, включая даже районы, где невозможно использовать авиацию из финансовых и климатических соображений. «Сова» изготовлена из композитов с применением углеродных волокон, которые отличаются высокой прочностью, легкостью и надежностью.

В любой момент аппарат может быть возвращен на землю для ремонта. Связь с «Совой» осуществляется по спутниковым и защищенным радиоканалам. Полет спутника проходит автоматически, то есть это роботизированный комплекс, однако оператор всегда имеет возможность откорректировать полет.

МОСКВА, "Суть Событий"
21