СОЗДАНИЕ ВЫСОТНОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОГО БАРРАЖИРОВАНИЯ В ЗАДАННОЙ ТОЧКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЯЗКИ ДВУХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

© В.И.Маврицкий, А.В.Редькин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2012 г.

В течение последних трех десятилетий проблема использования высотных беспилотных летательных аппаратов (ЛА) с большой продолжительность полета вместо или в дополнение к высотным самолетам и спутникам представляет одно из приоритетных направлений работ как военных, так и гражданских ведомств ряда стран: США, Японии, Англии, ФРГ и др.

В нашей стране реализация данной идеи может быть особенно эффективной для решения оборонных и других государственных задач в связи с большой протяжённостью наземных и морских границ. Возможность такого решения подкреплена имеющимся в нашей стране опытом создания аэростатических ЛА.

Основные концепции технической реализации данной идеи основаны на использовании солнечной энергетики как постоянного источника энергии. Однако, климатические и широтные условия нашей страны ставят жёсткие условия для обеспечения энергетического баланса с использованием солнечной энергетики, особенно в северных районах, где и существует наибольшая потребность для их эксплуатации.

Существует и другой альтернативный источник энергии, основанный на свойствах земной атмосферы. Его смысл заключается в использовании энергии ветровых потоков земной атмосферы, движущихся с различной скоростью и (или) в различных направлениях. Наиболее реально для реализации данного замысла использовать высоты 17-23 км.

Таким образом, мы имеем две воздушные среды, движущиеся в противоположных относительно земной поверхности направлениях и разграниченных между собой переходной областью в летний период. В зимний период в диапазоне высот 15-25 км существуют пограничные высотные зоны с одинаковым направлением ветра, но со значительной разницей в скорости ветрового потока.

Расположив ЛА так, чтобы он имел физическую связь между двумя противоположными потоками или потоками, имеющими значительную разницу в скорости, мы получим возможность использовать энергию движущихся сред для удержания ЛА в заданной точке и (или) для его перемещения с небольшой скоростью.

Для того, чтобы предполагаемый ЛА имел контакт с двумя воздушными потоками, необходимо, чтобы он имел соответствующие размеры, перекрывающие размеры тропопаузы. Достижение таких размеров одним ЛА – трудновыполнимое решение задачи и экономически нецелесообразное. Возможным вариантом исполнения такого ЛА может быть связка двух аппаратов, возможно, различных типов, посредством кабель-троса.

Предполагаются следующие возможные практические варианты реализации данной идеи.

Первый вариант предполагается как самый простой и логичный для условий летней велопаузы. При наличии двух ветровых потоков на разных высотах, имеющих противоположное направление относительно фиксированной точки на земной поверхности, расположим каждый из двух ЛА в этих потоках и соединим их кабель-тросом. Мы получим возможность уравновесить силу сопротивления каждого ЛА, при этом будем располагать возможной при данных скоростях воздушных потоков полезной подъёмной силой для обоих ЛА.

Для данных условий применим следующую комбинацию: верхний (основной) ЛА – привязной аэростат, суммарная подъёмная сила которого соответствует суммарному весу собственной конструкции, весу кабель-троса и полезной нагрузки, и нижний, или вспомогательный ЛА, несущий функцию паруса и управляющего элемента.

Необходимо также отметить, что данная комбинация ЛА в связке практически позволяет уравновесить систему не только в условиях велопаузы, но и при наличии разности в скоростях ветровых потоков по высотам, имеющих одно направление относительно земли. Только в данном случае мы можем рассматривать равновесие системы в пространстве, движущейся с определённой скоростью, и, вероятно, имеющей возможность перемещаться в направлениях, перпендикулярных воздушным потокам.

Второй вариант является последовательным усложнением первого и ориентирован на более распространённые атмосферные условия, когда ветровые потоки на разных высотах имеют одинаковое, преимущественно, западное направление, но значительную разность по скорости.

В данной ситуации для фиксации системы относительно заданной точки на земной поверхности оба ЛА должны двигаться против направления ветровых потоков. Используем для реализации данной идеи кабель-трос для осуществления энергообмена между связанными ЛА.

Мы можем установить на ЛА, расположенный на большей высоте, ветрогенератор (аналог резервной энергосистеме для гражданских самолётов), который будет вырабатывать электроэнергию и передавать её на нижний ЛА через кабель-трос. При этом нижний ЛА становится основным и несущим полезную нагрузку, так как движется в потоке с меньшей скоростью, но с большей плотностью воздуха. На нижнем ЛА расположим силовую установку с электроприводом, при этом её сила тяги должна компенсировать суммарное аэродинамическое сопротивление всех элементов связки двух ЛА.

Предварительные расчёты позволяют сделать вывод о возможности реализации высотной платформы в виде связки двух ЛА по первому концептуальному варианту, имеющей в качестве верхнего ЛА привязной аэростат, а в качестве нижнего – управляемую парашютную систему.

Для определения возможности реализации второго концептуального варианта, имеющего в перспективе более широкую сезонно-географическую область применения, необходимо выполнить оптимизацию и весовую оценку основных элементов энергосистемы – кабель-троса, ветрогенератора, трансформаторов и преобразователей электроэнергии.

Необходимо отметить очевидные экономические преимущества такого носителя, который не требует установки дорогостоящих солнечных элементов и системы накопления энергии. Полученный расчётный объём оболочки аэростата (в случае его применения в качестве основного верхнего ЛА в связке) в 50368 м3 при массе полезной нагрузки в 500 кг почти на порядок меньше расчётных объёмов оболочки высотного стратодирижабля на солнечной энергии для круглогодичного барражирования в тех же широтах эксплуатации.