«Solar Impulse» набирает высоту

Самолет "Solar Impulse" над мостом "Golden Gate Bridge" в Сан-Франциско. solarimpulse / Revillard

Пока самолет на солнечных батареях «Solar Impulse» участвует в серии испытательных полетов в США, на берегах Женевского озера инженеры-разработчики создают еще более легкие и прочные материалы для новой, усовершенствованной модели этого уникального летательного аппарата.

Цель Бертрана Пикара (Bertrand Piccard ) и Андре Боршберга (André Borschberg), создателей «Solar Impulse», первого самолета, способного неограниченно долго летать за счёт энергии Солнца, запасая энергию в аккумуляторных батареях, состоит не в том, чтобы устанавливать новые рекорды. В первую очередь, они стремятся продемонстрировать, что летательный аппарат, поднимающийся в воздух с использованием возобновляемой энергии, способен выдержать самые суровые нагрузки и испытания.

У проекта «Solar Impulse» около 80-ти предприятий-партнеров, среди которых – немало швейцарских. Сложные научные разработки и проекты, инициированные в связи с реализацией идеи самолета на солнечных батареях, уже дали свои результаты, пойдя на пользу не только самолету «Solar Impulse».

Сейчас во франкоговорящей части Швейцарии, вдали от внимания СМИ, идет сейчас разработка следующего поколения самолета, его регистрационный код — «HB-SIB». Для партнеров проекта «Solar Impulse» и его научного консультанта, «Высшей технической школы Лозанны» («EPFL»), самолет на солнечных батареях являет собой конкретное воплощение решений самых разных научных задач, включая разработку перспективных материалов с заранее заданными свойствами.

Начать с того, что в самолете нет ни одного болта или заклепки. Все его конструкционные элементы склеены друг с другом. Чтобы осуществить мечту о полете вокруг света в режиме нон-стоп исключительно на солнечной энергии, инженерам и ученым необходимо было создать композиционные материалы совершенно нового поколения.

Они должны были быть еще легче и еще прочнее, чем все предыдущие виды таких материалов. Выполнить это нетривиальное задание смогли специалисты швейцарских компаний «Décision SA» и «North TPT». Обе они располагаются в Лозанне и тесно сотрудничают с учеными и инженерами из «EPFL».

Композиционный материал

Специально созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей между ними.

Состоит, как правило, из матрицы и армирующих элементов, которые обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), тогда как матрица определяет параметры совместной работы армирующих элементов, защищая их от механических и химических повреждений.

Самый простой и распространенный композитный элемент – клееная многослойная фанера, из которой и строились многие модели самолетов на заре воздухоплавания.

Легче, чем бумага

Сверхлегкий каркас фюзеляжа, кабина и крылья самолета, парящего сейчас над США, были созданы как раз компанией «Décision SA» в сотрудничестве с «EPFL». Им потребовался целый год производственных и стендовых испытаний, чтобы получить лист углеродного волокна необходимой прочности и весом всего лишь 93 грамма  на квадратный метр.

Речь в данном случае идет о материале, состоящем из образованных атомами углерода тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон. Атомы объединены в кристаллы, выровненные параллельно друг другу, что придает волокну большую прочность на растяжение, а также придают ему еще и такие важные свойства, как низкий удельный вес, низкий коэффициент температурного расширения и химическая инертность.

«Это одновременно высокие технологии и очень искусная работа», — поясняет Бертран Кардис (Bertrand Cardis), шеф компании «Décision SA». Его компания создала, кроме всего прочего, несколько моделей знаменитых яхт семейства «Алинги» («Alinghi») и специальное крыло для «летающего человека» Ива Росси, швейцарского инженера, известного благодаря своим полетам на реактивном ранце-крыле собственного изобретения.

Сейчас инженеры компании трудятся над фюзеляжем новой модели «солнечного самолета». «Каждая деталь требует шести тысяч (!) часов работы», — уточнил Бертран Кардис. Размах крыльев нового самолета достигает 80-ти метров, а это больше, чем даже размах крыльев самолета «Airbus A380», самого большого пассажирского лайнера в мире.

Нужно это опять-таки не для рекорда, но для того, чтобы самолет имел больше места для солнечных панелей, которые и обеспечивают энергией электродвигатели. Углеродные листы, используемые для нового самолета, в три раза легче, чем бумага, квадратный метр такого материала весит всего 25 граммов.

«Для развития этого уникального проекта нам пришлось одновременно идти на риск и всячески стараться минимизировать его. Но пока нам нужно еще очень много сделать в сфере фундаментальных исследований», — подчеркивает Б. Кардис.

По мнению Паскаля Вюйомене (Pascal Vuilliomenet) из «EPFL» вокруг Лозанны уже сложился географически компактный и очень перспективный научный кластер, специализирующийся на создании композиционных материалов. «Для успешного развития проекта – это очень большое преимущество», — убежден ученый.

«Solar Impulse»

Трансамериканский перелет самолета начался 3 марта 2013 года.

Предусмотрены пять промежуточных посадок:

Сан-Франциско (Калифорния) – Феникс (Аризона) – Даллас (Техас) – Сент-Луис (Миссури) или Атланта (Джорджия).

Конечная цель – Вашингтон или Нью-Йорк.

Первый самолет «Solar Impulse» был представлен в июне 2009 года. Испытательные полеты успешно прошли годом позже.

Рекордным стал первый ночной полет самолета на солнечных батареях в июле 2010 года, он продлился в общей сложности 26 часов.

В сентябре 2010 года «Solar Impulse» пересек Швейцарию по воздуху. Стартовав из Женевы, он приземлился в Цюрихе.

В 2011 году самолет впервые пересек государственную границу Швейцарии, побывав вначале в Брюсселе, а затем в Париже.

В прошлом году «солнечный самолет» поднялся на воздух в Пайерне и в семь этапов слетал в Рабат (Марокко) и обратно.

2013 год пройдет под знаком конструирования нового самолета «Solar Impulse HB-SIB».

Его кругосветный беспосадочный перелет намечен на 2015 год.

Композиционные материалы

До компании «North TPT», основного поставщика комплектующих для фирмы «Décision SA», можно добраться на машине за несколько минут. Расположенное на месте бывшей кабельной фабрики, это предприятие разработало новый тип паруса для знаменитой швейцарской яхты «Alinghi», завоевавшей «Кубок Америки» в 2007 году.

Материал был создан на основе углерода, и теперь он активно используется для разработок инновационных моделей автомобилей, кораблей и поездов. Он состоит из пропитанных специальной смолой волокон. Компания «North TPT» совместно с исследованиями из «Высшей технической школы» разрабатывает еще более тонкий материал, который состоит из нескольких слоев волокон. Слои накладываются один на другой в разных направлениях.

«Это все равно как получить фотографию в еще более высоком разрешении», — пояснил Франсуа Мордасини (François Mordasini), генеральный директор «North TPT».  Новый материал настолько тонок, что требуется специальный робот, который способен расположить слои под разными углами так, чтобы создать листы или блоки углеродного композита, тщательно выверенные по размеру.

Этот материал уже сейчас можно использовать для изготовления целой палитры потребительских товаров, от удочки до гоночного автомобиля. «North TPT» предстоит еще разработать специальные компьютерные программы для расчета структуры композита, а также для оптимизации процесса наложения слоев.

Тестирование

Тонкая пленка, полученная подобным образом, может обладать самыми разными свойствами и использоваться для решения самых разных технологических и инженерных задач. Это подтвердил Роберт Амахер и его коллеги из «Лаборатории прикладной механики и анализа прочности» в «EPFL».

«Особенно замечательно в этом композиционном материале то обстоятельство, что он имеет более высокие параметры сопротивления разлому и разрыву. Износостойкость нового материала также поразительна», — говорит Робин Амахер. «Мы не только замеряем свойства, но и изучаем то, при каких условиях и как материал начинает разрушаться. Как только эти параметры будут хорошо изучены, можно будет сделать предложения по усовершенствованию его свойств», — уточняет инженер.

«EPFL» присоединился к проекту «Solar Impulse» в 2003 году, проведя, в частности, его технико-экономическое обоснование. С тех пор им был охвачен целый ряд научно-технических областей, например, таких, как создание «человеко-машинного интерфейса», то есть программ и алгоритмов, обеспечивающих взаимодействие человека-оператора с управляемыми им машинами. Первые полеты (пока что виртуальные, в специальном симуляторе полета) новой модели самолета «Solar Impulse» запланированы на декабрь 2013 года.

«Такие проекты, как «Solar Impulse», интересны для нас потому, что они дают возможность не только подчеркнуть значение высоких технологий, но и вовлечь студентов в исследовательскую работу на самом высоком уровне. При этом студенты видят, что они делают что-то, что тут же используется в реальном проекте. Такой тип сотрудничества академической науки и производства выгоден буквально всем», — подчеркивает Паскаль Вийомене.

Перевод с французского и адаптация: Людмила Клот и Игорь Петров.