Стратосферный диск: новая концепция высотного полета

Средняя стратосфера открывает бездну возможностей, но сегодня там лишь дрейфуют редкие аэростаты. Концепция стратосферного дисколета объединяет подъемную силу легкого газа и аэродинамику самолета, открывая революционный класс автономных наблюдательных и транспортных платформ.

Они сочетают управляемую внутреннюю архитектуру и огромную площадь сбора солнечной энергии, физику сверхзвуковых винтов и грузоподъемность, быстрый полет и неограниченную дальность. Эти системы способны радикально перекроить рынки глобальной связи и мониторинга Земли и стать принципиально новым видом транспорта.

Высотные воздушные шары — частые гости стратосферы. Ее царство простирается в небе с высоты 10–12 км до 55 км. В три раза больше по толщине, чем наша бурлящая погодой тропосфера, этот гигантский слой разреженного воздуха имеет яркие особенности. Одна из них — прозрачность.

С высот 25–35 км, из средней стратосферы, в ясную погоду хорошо, далеко и много видно Землю и небо. Можно получать данные для разведки, мониторинга земной поверхности, метеорологии, астрономии, исследований и экспериментов. Стратосферные аэростаты не раз доставляли туда и людей с разными задачами.

Все стратосферные аэростаты объединяет общая черта: неподвижность в окружающем воздухе. Их полет — чистый дрейф без обтекания шара воздушной средой. Попав в стратосферные течения, шары просто висят в них, вместе дрейфуя на большие расстояния.

Дирижабли с собственной скоростью и обтеканием летают ниже стратосферы, в нашей более плотной тропосфере, в ее нижних километрах. Потому что подъемная сила слабеет с ростом высоты, а кабина и двигатели, оболочка и каркас дирижабля утяжеляют его сильнее, чем подвеска высотного шара. Лишь в самое последнее время появились разработки и прототипы стратосферных дирижаблей. Они висят в стратосфере своей архимедовой подъемной силой и летят силой тяги винтов.

Возможность самостоятельно двигаться в стратосфере неоценимо обогащает полет. Можно перелетать к нужным течениям, чтобы двигаться дальше с ними и в них. И выполнять рейс по заданному маршруту. Так летят самолеты в меняющихся воздушных массах.

Движение в разреженном стратосферном воздухе вызовет обтекание и аэродинамическое сопротивление. С ростом скорости оно растет, требуя подпереть движение тягой двигателей. Высота помогает скорости: в 20 км над Землей двигаться гораздо легче — в 14 раз легче, чем у Земли. Для 30 км разница с уровнем моря вырастает до 67 раз.

На такой высоте становится рациональным движение обтекаемых летательных аппаратов с большим поперечным сечением. Для уравновешивания их аэродинамического сопротивления хватит тяги перспективных двигателей и движителей, а скорость будет достаточной для дальних полетов.

В стратосфере работают и турбореактивные двигатели, и воздушные винты. Последними оборудовались медленные высотные электрические аппараты вроде «Гелиоса», летавшего на высоте 29,5 км. Для небольших скоростей оптимальны винты.

Но в столь разреженном воздухе не годятся обычные узкие самолетные и вертолетные лопасти. Разница давлений сверху и снизу лопасти уменьшается в сто раз. Чтобы ее «уловить» до ощутимой силы тяги, нужны широкие, площадные лопасти. И это одна особенность винтов для разрежения.

Вторая: даже широким лопастям нужно очень быстрое вращение.

Примером служит винт марсианского вертолета Ingenuity. Он выполнил десятки полетов на Марсе в атмосфере, по плотности соответствующей высоте 30 км над Землей. Его винт годен к стратосферным полетам на высоте 30–35 км. Возможны другие формы и варианты конструкции винта для средней стратосферы. Концы лопастей может обрамлять тонкое кольцо, повышающее эффективность винта. Количество лопастей, их форма и режим вращения тоже могут быть разными.

Лопасти обычных винтов создают разрежение на своей передней поверхности, возникает разность с давлением атмосферы на нижней поверхности, толкающая винт. Но если само давление атмосферы очень мало, то и перепад давлений невелик, и тяга винта окажется слабая. В условиях низкой плотности стратосферы лучше подойдут сверхзвуковые винты. Они переводят дозвуковую аэродинамику в область газодинамического сжатия воздуха.

На передней кромке лопасти, движущейся со сверхзвуковой скоростью, возникает сверхзвуковой скачок уплотнения. За ним по нижней поверхности лопасти течет сжатый в несколько раз (или в десятки раз) поток. Его большое давление снизу лопасти создает тягу сверхзвукового винта.

Но сжатие воздуха сверхзвуковыми частями винта — это непрерывная механическая работа. Такой компрессор на концах лопастей требует большого крутящего момента. В сильном разрежении стратосферы необходимый крутящий момент технически достижим. Например, края лопастей нового поколения марсианских вертолетов SkyFall будут выходить на М = 1,2 и уже испытаны в барокамере на скорости М = 1,08.

Баланс тяги и расхода энергии определяется развитием технологий. Они решают задачу эффективности сверхзвуковых винтов. Это даст в стратосфере больше тяги на один киловатт электроэнергии, чем дозвуковые пропеллеры. Решения ищут для конкретных аэродинамических схем и технических систем. Выбор источника энергии для них сегодня все дальше уходит в электричество.

Солнечные панели вполне подходят для стратосферы, где солнце светит весь день. А для сбора большей энергии корпус может быть дисковидным, с большой площадью сбора энергии света. По аэродинамике выйдет проигрыш в сравнении с более обтекаемыми сигарными формами. Но его компенсирует прибавкой тяги получаемая большой площадью диска электромощность. А если тяги выйдет еще больше, вырастет крейсерская скорость полета.

У диска наименьший периметр для охватываемой площади. Он оптимизирует баланс аэродинамики и выработки энергии при итоговой большой скорости полета. Это принцип и концепция такого летательного аппарата.

После поддержания скорости полета на уровне скорости самых обтекаемых форм останется изрядный остаток полученной энергии. Например, еще столько же, сколько ушло на движение. Этот энергетический ресурс можно пустить на двигатели и превратить в прирост тяги. Электрический форсаж может сильно ускорить полет.

Можно направить избыток собранной электроэнергии на работу бортового оборудования с многими задачами. Или и на то, и на другое. Так солнечная энергия дает скорость, которая создает полет и облик летящей конструкции. Большая роль солнечных лучей позволяет назвать такой аппарат солнцелетом.

Форма — базовое начало, на котором стоит аэродинамика. Оптимизация формы диска и его размеров покажет области возможного. Геометрию корпуса можно выбрать сферической линзой, плоской снизу и выпуклой сверху. При высоте выпуклой макушки над плоским дном в 20–30 м диаметр будет 130–170 м. Объем такой оболочки вместит водород для подъема десятков тонн груза. Увеличение диаметра до 0,5 км позволит поднимать сотни тонн.

Каким делать корпус? Надувные конструкции легче, но что удержит диск от раздувания в шар? Внутренние связи оболочки могут задавать любую ее форму. Так принимают аэродинамическую форму планирующие оболочки парапланов и парашютов, наполняемые воздухом.

Внутри дисковой оболочки могут быть отсеки, тканевый силовой каркас или связи поверхностей в виде тяжей, веревок. Распределенные внутри диска сотни таких связей точно выполнят форму оболочки. Управление длиной этих связей даст управление формой и размерами оболочки. Сматывая их или выпуская компактными устройствами, можно решить задачу расширения оболочки с ростом высоты. А можно менять степень линзовидности прямо в полете.

Такой корпус будет управляемой динамической системой и позволит решить множество задач. Мощное дневное солнце днем нагреет дисколет и газ внутри, он начнет расширяться. Свободная мягкая оболочка раздуется и изменит аэродинамический профиль линзы корпуса. Контролируемая кинематика внутренних связей позволит плавно и синхронно выпустить длиннее силовые тяжи. Оболочка дозированно увеличит общий объем при сохранении формы и обводов.

Ночью начнется охлаждение и уменьшение объема газа, и лебедки стянут тяжи обратно, уменьшая объем при сохранении формы. Суточное циклическое «дыхание» оболочки будет происходить при стабилизированной геометрии дисколета.

Могут использоваться и сверхлегкие жесткие конструкции из материалов на базе углеродных нанотрубок; графен на подходе. Жесткие каркасы тоже обеспечат необходимую прочность и надежность геометрии диска, его работу в условиях более интенсивного обтекания. А также распределение веса груза по корпусу диска. Возможно и комплексное применение обеих форм каркаса в одной конструкции.

С активным движением в воздухе на корпусе возникают течения, легко дающие аэродинамическую подъемную силу. Для этого диск нужно поставить под углом атаки к встречному потоку носом выше горизонта. Чем выше нос, тем больше подъемная сила на малых углах. Но одновременно растет и аэродинамическое сопротивление, требуя прибавки тяги двигателей.

А после задирания носа на критические углы обтекание меняется и не создает подъемной силы. Оптимальные углы обтекания с наибольшей силой вверх и наименьшей встречной будут зависеть от формы и высоты. С возникшей аэродинамической подъемной силой высота полета начнет расти и может достичь 30–35 км.

Здесь сложится баланс угла атаки и скорости полета, сопротивления воздуха и тяги двигателей, сбора электроэнергии, подъемной силы и веса. Он задаст статический потолок дисколета — высоту стабильного горизонтального полета с крейсерской воздушной скоростью. Вес аппарата уравновешивается подъемной силой — суммой двух сил: аэростатической архимедовой и аэродинамической от обтекания корпуса.

Архимедова сила на этой высоте будет мала для удержания веса дисколета. Но она поработает на рост скорости, уменьшая нужную аэродинамическую подъемную силу. Меньше станет и угол атаки набегающего потока для ее создания. А значит, меньше аэродинамическое сопротивление и выше скорость полета. Достигая сотен километров в час, она приблизится к скорости пассажирских и транспортных самолетов. Так архимедова сила создает рост и горизонтальной скорости аппарата.

Полет требует управления; здесь это изменение углов к воздушному потоку. Величины углов по тангажу, рысканию и крену выполнят органы управления. Они могут быть разной конструкции. Например, в виде отклоняемых щитков по всему периметру диска, как плавник у камбалы. Возможны и более сложные и эффективные рабочие исполнительные органы.

А взлет и посадка будут вертолетными, медленным вертикальным всплытием. И тут будет необходима балансировка корпуса и управление положением дисколета. Если оболочка расширяется с подъемом, возникнут интересные динамические задачи. Расширение оболочки вызовет рост аэродинамического сопротивления, а падение плотности атмосферы снизит его. Каков будет их баланс с наименьшими потерями при движении, на каких высотах и режимах?

Возможны и другие решения типа размещения основных двигателей на подвижных консолях с углами разворота по трем осям пространства. Тяга под углом создаст нужные моменты, отклоняющие диск. Направляя тягу винтов вертикально вверх или вниз, можно тонко управлять скоростью посадки. Выбор возможностей тут большой, его сделают конкретные проекты.

При достижении большой эффективности аэродинамики корпуса, двигателей и системы получения и хранения электроэнергии дальность и длительность полета станут неограниченны. Топливо не требуется, электроэнергия собирается за суточный цикл в нужном количестве.

Можно решить и задачу поддержания объема легкого газа для архимедовой силы. Для этого стоит взять водород — самый легкий и эффективный для аэростата. Любой газ даст с течением времени утечку, но именно водород можно восполнять неограниченно.

Для этого нужно собрать воду из воздуха. И электроэнергией разложить на кислород и водород. Это даст и неограниченное получение водорода, и воду для экипажа в обитаемых дисколетах. Кислород тоже найдет применение на борту. Здесь снова нужны эффективные технологии получения и разложения воды, которые впишутся в энергетический баланс дисколета.

Задача получения воды из воздуха решаема в нижнем слое атмосферы — нашей тропосфере, насыщенной водой и облаками. Проблема в чрезвычайной сухости стратосферы. Однако при больших размерах дисколета и скорости его движения можно создать технические системы получения воды, обрабатывающие огромные объемы воздуха, достаточные для извлечения нужного количества воды. Решение комплекса этих задач позволит летать без посадки месяцы и годы.

На высотах 30–35 км небо даже днем черное, а Земля визуально закругляется. Открывающиеся виды на горизонт и земную поверхность будут завораживающими. Ночью на небосводе ярко вспыхнут звезды; Вселенная визуально раскинется совсем рядом. Любоваться окружающими со всех сторон видами можно долго, без напрягающих перегрузок и тошноты невесомости. Если грузом дисколета будет жилой модуль с пассажирами, они отправятся в стратосферные каникулы на день, неделю, месяцы.

Можно сделать постоянное жилье в стратосфере, с комфортабельным интерьером и бесконечным путешествием. Отдельной темой станут кругосветные путешествия в стратосфере. Их ждут особые траектории, за одно путешествие огибающие Землю сразу в двух направлениях: и в экваториальном, и через оба полюса.

Найдется масса применений, где нужна высота, длительность и энергия. Скорость полета сделает рациональными грузовые и пассажирские перевозки; последние станут комфортабельнее обычных самолетных. Помимо доставки грузов и пассажиров, стратосферные дисколеты сыграют роль квазиспутников.

Так называют средства, долго работающие в больших высотах ниже космоса. Это метеонаблюдения и мониторинг земной поверхности, связь и ретрансляция сигналов. Сотовая связь на базе стратосферных дисколетов упростит дозвон по сравнению со спутником и снизит задержку сигнала на пробег расстояния. Прямая радиовидимость для этих высот около 600–700 км позволит аппарату непрерывно наблюдать площадь более 1,3 млн кв. км. А расстояние до Земли окажется на порядок меньше низких околоземных орбит.

Военное значение тоже широкое. У самолетов дальнего радиолокационного обнаружения высота полета не больше 12 км. Работа дальних радаров намного эффективнее с высоты 30–35 км. Использовать эту высоту можно и для связи и управления, она даст широкий охват территорий. А запуск зенитных ракет из средней стратосферы с подвески под дисколетом снизит потери скорости ракеты, сократит время перехвата цели и отодвинет рубежи защиты, расширив зону поражения.

Возможны новые концепции зенитного перехвата, когда ракета полетит основной путь к цели сразу в средней стратосфере, с большой скоростью и малыми потерями энергии, и в конце пути спикирует на авиационную цель. А при запуске из стратосферы противоракет по падающим баллистическим боеголовкам перехват получится раньше и дальше, его рубежи отодвинутся от защищаемого района.

При больших уровнях потребляемой энергии можно оснастить дисколет компактным ядерным реактором. Солнечные панели станут не нужны, энергии реактора хватит на все задачи и бортовых потребителей.

Ядерные дисколеты смогут полететь значительно быстрее, а значит, и выше. Возможно, недосягаемо высоко для солнцелетов, ведь плотность энергии ядерных реакций намного больше, чем у лучистого потока от солнца. Скорость ядерных дисколетов приблизит их к полетам дозвуковой авиации.

Разумеется, реактор нужно сделать безопасным на случай любых происшествий, включая падения и пожары. Капсула безопасности с реактором, прочная и огнестойкая, дополнится другими элементами безопасности. Решения лежат на поле конструкторов реакторов. Как и выбор системы управления реактором, интеграция его с другими бортовыми системами и другие моменты.

Эта задача сходна с созданием космических ядерных реакторов для спутников. Очевидно, что разработать оптимальный для дисколета реактор можно уже сегодня. Развитие компактных ядерных реакторов небольшой мощности для широкого использования сегодня новый тренд. Оснащение реактором кардинально расширит потенциал дисколета, откроет его новые конструктивные конфигурации и станет большим шагом вперед.

Перестать плыть по течению и начать неограниченно летать в средней стратосфере: решение этой задачи приведет к компромиссу между авиацией и космонавтикой. Начнется новый этап освоения околоземного пространства, где экстремальные особенности среды превращаются в главные достоинства.

Крайнее разрежение воздуха позволит развивать большие крейсерские скорости полета, а беспрепятственный доступ к солнечной энергии и технологии получения водорода на борту дадут неограниченную автономность. Управление формой и объемом оболочки даст эффективность полету дисколетов, делая их постоянными обитателями неба.

Стратосферные платформы для связи, глобального климатического мониторинга, дистанционного зондирования Земли и астрономических наблюдений дополнятся массой других применений. Туризм и летающее жилище, загоризонтная радиолокация и перевозка крупных конструкций продолжат использование высотных летающих дисков, которые могут открыть совершенно новую эпоху освоения человеком стратосферы.