Солнечные беспилотники способны находиться в воздухе неделями и даже месяцами, но у этой идеи есть фундаментальное ограничение: ночью солнечные батареи не работают. Приходится запасать дневную энергию в аккумуляторах, а значит, увеличивать массу самолета и жертвовать частью полезной нагрузки.
Британская компания BAE Systems предлагает необычное решение. Ее высотный беспилотник PHASA-35 хотят научить получать электроэнергию непосредственно с земли — с помощью направленного микроволнового луча. Если технология подтвердит работоспособность, аппарат сможет поддерживать длительный полет даже тогда, когда солнечного света недостаточно.
Проект рассчитан на три с половиной года и финансируется британским Агентством перспективных исследований и изобретений (Advanced Research + Invention Agency, ARIA). Стоимость контракта составляет 15,7 млн фунтов стерлингов, или около $21 млн.
Что такое PHASA-35
PHASA-35 относится к классу HAPS (High Altitude Pseudo-Satellite) — высотных беспилотных платформ, которые работают в стратосфере и по своим функциям могут частично напоминать спутники.
Аппарат имеет размах крыла 35 метров, но весит всего около 150 кг. Он способен подниматься выше 20 км — примерно на высоту 66 000 футов — и развивать скорость около 90 км/ч. Такая конструкция рассчитана прежде всего не на быстрый перелет из одной точки в другую, а на продолжительное нахождение над определенным районом.
Солнечные панели обеспечивают самолет электричеством днем, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах. После захода солнца PHASA-35 переходит на запасенную энергию. В идеальных условиях компания рассчитывает на продолжительность полета до года.
Однако именно здесь возникает проблема.
Почему одного солнца недостаточно
На экваторе продолжительность дня меняется относительно мало, поэтому солнечному самолету проще получать необходимое количество энергии в течение всего года. В более высоких широтах ситуация совершенно иная.
Зимой световой день становится коротким, а ночь может продолжаться много часов. Более того, в стратосфере продолжительность периода, когда солнечной энергии недостаточно для нормального питания двигателей и зарядки аккумуляторов, может стать критическим фактором.
Можно увеличить емкость батарей, но аккумуляторы тяжелые. А для сверхлегкого самолета вроде PHASA-35 каждый дополнительный килограмм имеет значение.
Именно поэтому разработчики хотят перенести часть энергетической инфраструктуры с самого самолета на землю.
Как работает передача энергии лучом
В рамках нового проекта на земле будет размещена установка, способная направлять микроволновый энергетический луч в сторону летящего беспилотника.
На крыле PHASA-35 разместят специальный приемник. Он будет принимать направленное микроволновое излучение и преобразовывать его обратно в электричество. Полученная энергия сможет использоваться непосредственно для питания систем самолета и для зарядки его аккумуляторов.
Сама идея беспроводной передачи энергии на расстояние не нова. Микроволновые диапазоны уже широко применяются в авиации, радиолокации и спутниковой связи. Новизна проекта заключается в попытке использовать направленную передачу энергии для постоянного питания летательной платформы на большой высоте.
В результате PHASA-35 получит своего рода «энергетическую страховку»: днем основным источником питания останется Солнце, а наземная система сможет компенсировать дефицит энергии.
Больше энергии — меньше аккумуляторов
У технологии есть еще один потенциальный эффект. Если самолет сможет получать часть энергии с земли, ему не придется брать с собой столь большой запас аккумуляторов.
А высвободившуюся массу можно использовать для другой цели — увеличить полезную нагрузку.
Сейчас PHASA-35 рассчитан на перевозку до 15 кг оборудования. Освободившийся вес потенциально позволит разместить дополнительные сенсоры или другое оборудование для наблюдения за Землей, связи и других задач.
Получается интересная инженерная цепочка: передача энергии с земли → меньше аккумуляторов → меньшая масса → больше полезной нагрузки.
Для высотного беспилотника это может оказаться не менее важным преимуществом, чем возможность переживать длинные ночи.
Самолет вместо спутника
Одна из главных особенностей HAPS-платформ заключается в том, что они занимают промежуточное положение между самолетами и спутниками.
PHASA-35 может находиться намного выше обычной авиации и погодных систем, оставаясь при этом внутри атмосферы. Это позволяет использовать его как продолжительно работающую платформу для связи и наблюдения. В отличие от спутника, такой аппарат можно относительно быстро развернуть и модернизировать или заменить его оборудование без запуска новой космической миссии.
BAE Systems уже проводила испытания PHASA-35 в стратосфере. В 2023 году аппарат провел в воздухе около суток и поднялся выше 66 000 футов.
Разработчики рассматривают HAPS-платформы, в частности, для организации связи, наблюдения за поверхностью Земли и работы в районах, где обычная инфраструктура недоступна. Компания также указывает на возможное применение таких аппаратов для помощи при чрезвычайных ситуациях и восстановления коммуникаций.
Технологию еще предстоит испытать
Пока передача энергии на PHASA-35 остается не готовой системой, а исследовательским проектом. Программа рассчитана на три этапа и завершится интегрированными летными испытаниями, во время которых разработчики должны проверить работу энергетической системы непосредственно на самолете.
Главный вопрос здесь очевиден: насколько эффективно удастся передавать энергию на высоту около 20 км и удерживать узконаправленный луч на движущемся аппарате. Чем дальше находится приемник и чем меньше его размеры, тем сложнее точно направить на него поток энергии.
Если испытания окажутся успешными, PHASA-35 получит возможность значительно меньше зависеть от продолжительности светового дня. В перспективе это может превратить солнечные высотные беспилотники из сезонных или ограниченных по продолжительности платформ в действительно долговечные воздушные системы, способные месяцами работать в стратосфере.
И здесь особенно интересен сам принцип: вместо того чтобы заставлять летательный аппарат нести все необходимое для автономной работы, часть инфраструктуры можно оставить на земле и передавать энергию туда, где она нужна, буквально по воздуху.
