Для большинства читателей покажется, что на фото выше изображен авиамоделист, гордый своим творением. Быть может, немного смущает размах крыльев модели, но это еще ладно. Наибольший интерес вызывают уже к этому времени хорошо примелькавшиеся солнечные панели для выработки электричества. Очевидно, ничего просто так не бывает и перед нами образец летательного аппарата на электротяге, энергию которой дают солнечные панели. А каково будет узнать, что такие летательные аппараты готовы составить конкуренцию спутниковым группировкам различного назначения? Если затравка показалась интересной, то добро пожаловать к ознакомлению...
От авиамоделей к спутникам
SAT-i
Запускать авиамодели, судя по старым маркам и плакатам, было мейнстримом еще в 30-е годы прошлого века. Для создания тяги использовались разные двигатели: от резиномоторов до полноценных двухтактников.
С появлением доступных электродвигателей, легких и емких аккумуляторов, солнечных панелей вполне закономерно, что рано или поздно будет опробована и их коллаборация. Представленный к обзору аппарат не был первым в череде попыток энтузиастов, но может показать своими характеристиками на что эта коллаборация способна.
Беспилотный летательный аппарат SAT-i предназначен для выполнения задач мониторинга различных объектов (по-простому - обзор сверху), картография и все в таком духе. Полет может осуществляться в автоматическом режиме или с вмешательством со стороны оператора. Основные характеристики:
- Скорость: 8-14 м/с,
- Размах крыла: 7,3 м,
- Масса: 5,8 кг,
- Двигатель: электрический, мощность 400 Вт,
- Дополнительная нагрузка: 600 г,
- Радиус выполнения задачи: 250 км, "безлимитное" нахождение в воздухе, пока угол наклона солнечных лучей к панелям более 20 градусов,
- Батарея: опционально продлевает нахождение в воздухе от 2 до 4 часов,
- Практический потолок: 9000 м.
Наиболее интересным фактом является безлимитность до тех пор, пока солнечная энергия восполняет потраченную электромотором энергию. Внимание - вопрос! А может ли этот аппарат чисто технически продержаться в воздухе более чем один день и зарядиться с первыми солнечными лучами следующего утра? Давайте прикинем это весьма примерно.
Пусть вечером подпитка батареи закончилась на высоте 9000 метров, потом за следующие 4 часа она разрядилась через двигатель и началось снижение. По внешним признакам аэродинамическое качество позволяет беспилотнику снижаться со скоростью около 0,3 м/с. (как же я это прикинул? Аэродинамическое качество, да скорость горизонтальная). Не будем придираться к сильной разряженности атмосферы на высоте 9000 м. За минуту произойдет снижение на 60*0.3=18 метров. За час - на 1080 метров, а уж потерять всю высоту можно часов за 8. Учитывая, что для зарядки нужно высокое положение солнца над горизонтом можно сказать, что скорее всего до утра аппарат не дотянет. Но эти расчеты не главное. Мы сейчас затрагиваем принцип, по котрому такие аппараты могут стать искусственными спутниками Земли, но со своей спецификой.
Зефиры
Идем далее... Разумеется, для обеспечения полета таких аппаратов на протяжении недель и месяцев необходимо сделать хоть что-то: увеличить практический потолок или увеличить емкость батарей. Это было реализовано в таком проекте, как Zephyr S.
Что известно о характеристиках этого проекта:
- Размах крыльев: 25 м,
- Практический потолок: 21000 м,
- Масса: 62 кг,
- Время полета: до 30 суток,
- Полезная нагрузка: 5 кг.
Это уже более похоже на искусственный спутник Земли, несущий полезную нагрузку. Проект следующий модели Zephyr T с размахом крыльев 33 метра способен нести полезную нагрузку до 20 кг. Это уже неплохо для "спутника", хотя бы для организации связи в отдельно взятом регионе.
Общее устройство таких аппаратов, включает в себя следующие узлы:
- несколько аккумуляторных батарей и их контроллеры;
- бортовой компьютер;
- электродвигатели;
- сервомоторы для рулей направления, высоты и элеронов;
- модули телеметрии и связи;
- датчики давления, скорости, акселерометры, магнетометры и т.п
- камеры (обычная и тепловизионная).
Что можно сказать по поводу возможности ведения разведки? Электрический двигатель гораздо тише бензинового, да и стратосферный полет это гарантия абсолютной бесшумности. Однако, необходимо учесть высоту полета (21 км) и то, что довольно часто нашу планету скрывает густая облачность. Значит, с более низколетящими бензиновыми собратьями тягаться не получится. У таких аппаратов своя собственная техническая ниша. Они занимают положение между привычными беспилотными летательными аппаратами, летающими на высотах до 15 км (MQ-9 Raper) и искусственными спутниками Земли, время использования которых без дозаправки и ремонта длится годами.
Очень порадовали кадры видео (3:27) со средой моделирования цифровых устройств ModelSim, которая используется при отладке модулей, рассматриваемых в статьях на этом канале)
Использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) продиктовано их высоким быстродействием и одновременно низким энергопотреблением. Как мы уже убедились, энергопотребление это один из первых вопросов в подобного рода аппаратах.
В сравнении с настоящими спутниками такие беспилотники имеют гораздо меньшую зону покрытия (говоря связными терминами), однако, стоимость производства и запуска одного экземпляра несоизмеримо меньше. Расходы большими могут быть только на телеметрию через Иридиум, например, и при сервисном обслуживании техники на земле. Очень даже вероятно, что накрыть территорию целой страны сетью из таких ретрансляторов окажется экономически оправданным. Летают они "выше погоды", что охраняет их от ураганов, выше магистральных самолетов, мешать никто никому не будет.
Пишите свои соображения по поводу возможного носимого оборудования. Что имеет смысл на них вешать, а что нет.
Эпилог
Как можно убедиться, прогресс имеет свойство неожиданно ускоряться, открывая все новые горизонты использования привычных вещей. На самом деле, по отдельности все это порядком заезженные технологии, но их компиляция это как рог изобилия. Еще немаловажным фактом является постоянная потребность таких стартапов в грамотных инженерах и разработчиках аппаратной и программных частей. Без вдоха царицы всех наук математики, обретающей реальные очертания в программном обеспечении и схемотехнике, такие сложнейшие технические изделия остаются грудой пластика и металла. Заходите в гости, берите материалы, делитесь соображениями, ставьте лайки) До новых встреч!