Helios - "solární křídlo" Dálkově řízené letadlo na sluneční pohon

Helios - "solární křídlo"
Dálkově řízené letadlo na sluneční
pohon
ALTERNATIVNÍ ENERGIE 5/2001
Dalibor Skácel
Úvod
Křídlo Helios je dálkově řízené létající křídlo vyvinuté v rámci projektu Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST), národního úřadu
pro pro letectví a kosmonautiku (NASA). Pro potřeby projektu ERAS jsou důležité
dvě hlavní vlastnosti: schopnost nastoupat do výšky 30 km a vydržet vícedenní let ve
výšce 15 km. Pro ERAST a Helios bylo proto použito mnoho nejmodernějších hitech
technologií: materiály, pohonné jednotky, kontrolní systémy a přístroje, které umožní
v budoucnu létat a pohybovat se letadly ve vysokých nadmořským výškách a plnit tak
výzkumné mise týkající se atmosféry a Země. Samostatně a nezávisle se pohybující
letadla v extrémních výškách budou moci nést zařízení pro předpovídání počasí a
hurikánů, telekomunikační technologii, budou moci odebírat vzorky atmosféry a
monitorovat přírodní zdroje a podobně. Zatímco náklady na vynesení satelitu činí 10
až 30 miliónu dolarů, křídlo poháněné sluncem by stálo kolem jednoho miliónu
dolarů.
Září 2000, technik z Aero Vironment kontroluje solární články pro Helios
Prototyp Helios byl navržen společností Aero Vironment z Kalifornie a je jeden z
několika dálkových řízených letadel hodnocených pro projekt ERAST. Helios byl
navržen, jako letadlo na sluneční pohon, solární křídlo řízené pohonem, vrtulemi. Při
prvních leteckých testech bylo 14 elektromotorů poháněno bateriemi umístěnými na
palubě.
Helios je zvětšeninou svého předchůdce Centurionu, který prověřil v roce 1998
smysluplnost základního konceptu, monolitního ultralehkého létajícího křídla s
rozpětím větším než 60 m. V budoucnu vyráběná křídla tohoto typu budou
koncipována pro kontinuální až šesti měsíčními lety pro vědecké a komerční účely.
Vývoj letadel na sluneční pohon sahá v Aero Vironment až do sedmdesátých a
počátku osmdesátých let, kdy Robert Boucher, pionýr v této oblasti, sestrojil roku
1974 první model slunečního letadla. Pak vznikly postupně Pathfinder, Pathfinder
Plus, Centurion, který již vznikl pro projekt ERAST a nakonec oslavovaný Helios
Plus. Technici Aero Vironment vyvinuly nový tvar vrtulí, které jsou nejen pevnější, ale
také účinnější oproti vrtulím použitým u předchozích modelů.
Září 2000, technik Marshall MacCready instaluje solární články na povrch křídla
Cíle projektu
Dosažení maximální letové výšky, okolo 30 km.n.m. s malým nákladem, byl jeden ze
dvou hlavních cílů celého projektu.Tím druhým cílem národního úřadu pro letectví a
kosmonautiku (NASA) je vytrvalostní čtyřdenní nonstop let plánovaný na rok 2003.
Křídlo by se mělo pohybovat ve výšce okolo 15 km.n.m.
Rekord v dosažené nadmořské výšce
Sluneční křídlo Helios dosáhlo nového neoficiálního světového výškového rekordu
mezi vrtulovými letadly Kauai. 13.srpna 2001 v 8:48 ráno tamního času, se prototyp
Helios, po 36 minutách čekání na lepší sluneční podmínky, vznesl. Křídlu stačilo 182
m rozjezdové dráhy a "mobilní" pilot Greg Kendal odlepis stroj od země a stočil jej
směrem na západ k ostrovu Niihau, Helios začal nabírat výšku. Po dosažení výšky
600m převzal kontrolu nad strojem Wyatt Sadler. Obsluha měla vizuální podporu
vrtulníku z ostrova Niihau.Ačkoliv se očekávalo dosažení výšky 30 km, byla
maximálně dosažena výška 29,4 km, za daných ne zrovna ideálních podmínek,
úspěchem. Helios překonal výškový rekord létajících vrtulových a bezraketových
strojů, jehož držitelem byl od července 1976 americký průzkumný letoun Lockheed
SR-71A s výškou 26 km. Solární křídlo také překonalo světový výškový rekord mezi
letouny ovládanými vrtulemi, který s 24,4 km od srpna 1998 držel Pathfinder-Plus,
předchůdce Heliosu. Vzhledem ke klesajícímu času slunečního svitu, snižujícímu se
úhlu dopadu slunečních paprsků v létě na severní polokouli a nízkým mrakům v
ranních hodinách, které způsobily 36 minutové zdržení startu, měl Helios omezený
čas pro výstup na 7 hodin. Křídlo dosáhlo své maximální 29,4 km v 16:00 tamního
času, kdy úhel slunečních paprsků klesl po 45° a Helios p řestal stoupat. Přesto v
tento okamžik produkovaly solární panely stále ještě 24 kW, tedy asi 70% svého
maximálního výkonu 35 kW v poledne. Helios se držel ve výšce nad 29,2 km po dobu
40 minut než začal klesat. Po 91 hodinách klesání přistál v 1:43 ráno dalšího dne.
Duben 2001, pozemní manévr křídla Helios před jeho prvním testovacím letem
Parametry křídla Helios
Rozpětí jedinečného Heliose (75 m) je obrovské, o 1,5 m delší křídlo oproti
Centurionu za sebou nechává s tímto parametrem Boing 747 (60 m), ale také
vojenské transportní letadlo C-5 (68 m ), dva největší letouny operující na území
USA.
Ulralehké letadlo poháněné elektrickou energií je zkonstruováno převážně z
kompozitních materiálů, uhlíkových vláken, grafitových epoxidů, kevlaru,
vypěňovadel a velice tenké transparentní plastické fólie.Hlavní tubusový nosník křídla
je zhotoven z uhlíkových vláken. Slabší nosníky z vrchu a ze spodu profilu křídla,
které zajišťují tuhost křídla zejména v ohybu za letu, jsou vyztuženy nomexem a
kevlarem pro zvýšenou pevnost. Jednotlivá žebra křídla jsou také zhotovena z
epoxidu a uhlíkových vláken. Náběžná hrana křídla je vytvarována a vyplněna pěnou
na bázi styronu. Celé křídlo je potaženo speciální průsvitnou odolnou fólií z plastu.
Křídlo měří od náběžné strany po konec profilu 2,44 m a je tedy stejně široké jako
jeho předchůdci. Tloušťka profilu je téměř konstantní po celé délce křídla. Křídlo se
na koncích láme pod úhlem 10°, což zlepšuje jeho bo ční stabilitu. Plocha křídla
umožňuje jednak dostatečnou vznosnost a také dostatečnou plochu pro generování
el. energie. Křídlo se skládá ze šesti sekcí stejné délky 12,5 m. Pod každým z těchto
segmentů je umístěn podvozek ve kterém je umístěno přistávací zařízení, vybavení,
baterie, řídící počítač a další funkční prvky.
Dvě kola v každém podvozku slouží při startovacích a přistávacích manévrech,
vepředu je kolo z horského kola a vzadu menší kolo ze skútru. Pět aerodynamických
podvozků je vyrobeno ze stejných materiálů jako křídlo, kromě transparentního
plastického povrchu. Křídlo startuje a přistává přibližně stejnou rychlostí jako se
pohybuje jízdní kolo.
Helios je poháněn 14 stejnosměrnými elektromotory namontovanými podél celého
rozpětí křídla. Motory o výkonu 1,5kW pohánějí dvoulisté široké vrtule navržené pro
laminární proudění ve vysokých nadmořských výškách.
Při prvních pokusech byly motory napájeny z lithiových baterií, pak byly instalovány
fotovoltarické články a do budoucna se počítá s regenerativním systémem s
palivovými články. Pro vícedenní lety je nezbytné uložit část vyrobené energie ze
slunce na noční hodiny, kdy je solární systém nepoužitelný. Vývoj regenerativního
systému pro uskladnění vodíku a kyslíku je nezbytnou součástí příprav pro vícedenní
lety. Systém využívá přebytku elektrické energie, vygenerované fotovoltarickými
články během dne, k pohonu elektrolyzéru, ve kterém se separuje voda ne její dvě
složky, vodík a kyslík. Tyto dva chemické prvky se pak skladují pod vysokým tlakem
ve speciálně navržených tlakových nádobách. V noci pak palivové články generují
elektrickou energii pro pohon motorů a systému slunečního křídla Helios. Palivový
článek produkuje elektrickou energii chemickou reakcí, slučování vodíku a kyslíku.
Produktem této reakce je voda.
Dva subdodavatelé, Ginger a Lynntech, vyvinuli protoyp "short-stack" palivové články
a elektrolyzéry, které musí projít řadou tvrdých testů. Lynntech právě vyvinul jednotky
v plné velikosti, které podstoupí přídavné vysokotlaké testy, což je jeden z hlavních
technických problémů. Po instalaci celého systému v laboratoři v Aero Vironment,
bude zařízení podrobeno testování v podmínkách nulové výšky nad mořem a také v
podmínkách, které se vyskytují v extrémních nadmořských výškách. Pro simulaci
podmínek v různých nadmořských výškách bude použita tlaková, výšková komora.
Budou vedeny další testy palivových článků střední a plné velikosti od firmy Ginger a
komponentů elektrolyzéru. Speciálně vyvinuté a testované vysokotlaké kompozitní
nádoby pro skladování vodíku a kyslíku dodává společnost Kaiser Composite.
Ovládání klopného pohybu křídla je prováděno 72 servomotory na zadní hraně křídla
a křídlo při letu zatáčí rozdílným výkonem vrtulí na jedné či druhé straně křídla. Vše
je řizeno počítačem.
Závěr
Rekordní projekt za 15 miliónů dolarů, provedený kalifornskou společností Aero
Vironment a Národním úřadem pro letectví a vesmír (NASA), znovu potvrdil, že
sluneční energií poháněná letadla mají před sebou slibnou budoucnost.
Bezpilotní stroje vznášející se celé týdny či měsíce ve značných výškách lze použít například
pro přesné předpovědi počasí nebo také pro telekomunikační potřeby. Podle NASA je reálné,
aby se bezpilotní stroj zavěsil například nad městskou aglomeraci, a tam zajišťoval televizní
či rozhlasové přenosy nebo sloužil jako výkonná základnová stanice pro mobilní telefony.
Stroje vznášející se ve značných výškách mohou také zajišťovat fyzikálně-chemické
experimenty pro farmaceutický průmysl. Jejich význačnou předností by měla být mimořádná
spolehlivost.