Стратосферный диск: новая концепция высотного полета
Средняя стратосфера открывает бездну возможностей, но сегодня там лишь дрейфуют редкие аэростаты. Концепция стратосферного дисколета объединяет подъемную силу легкого газа и аэродинамику самолета, открывая революционный класс автономных наблюдательных и транспортных платформ.
Они сочетают управляемую внутреннюю архитектуру и огромную площадь сбора солнечной энергии, физику сверхзвуковых винтов и грузоподъемность, быстрый полет и неограниченную дальность. Эти системы способны радикально перекроить рынки глобальной связи и мониторинга Земли и стать принципиально новым видом транспорта.
Дрейф высотных пилигримов
Высотные воздушные шары — частые гости стратосферы. Ее царство простирается в небе с высоты 10–12 км до 55 км. В три раза больше по толщине, чем наша бурлящая погодой тропосфера, этот гигантский слой разреженного воздуха имеет яркие особенности. Одна из них — прозрачность.
С высот 25–35 км, из средней стратосферы, в ясную погоду хорошо, далеко и много видно Землю и небо. Можно получать данные для разведки, мониторинга земной поверхности, метеорологии, астрономии, исследований и экспериментов. Стратосферные аэростаты не раз доставляли туда и людей с разными задачами.
Все стратосферные аэростаты объединяет общая черта: неподвижность в окружающем воздухе. Их полет — чистый дрейф без обтекания шара воздушной средой. Попав в стратосферные течения, шары просто висят в них, вместе дрейфуя на большие расстояния.
Дирижабли с собственной скоростью и обтеканием летают ниже стратосферы, в нашей более плотной тропосфере, в ее нижних километрах. Потому что подъемная сила слабеет с ростом высоты, а кабина и двигатели, оболочка и каркас дирижабля утяжеляют его сильнее, чем подвеска высотного шара. Лишь в самое последнее время появились разработки и прототипы стратосферных дирижаблей. Они висят в стратосфере своей архимедовой подъемной силой и летят силой тяги винтов.
Полет вместо дрейфа: стратосферные плюсы
Возможность самостоятельно двигаться в стратосфере неоценимо обогащает полет. Можно перелетать к нужным течениям, чтобы двигаться дальше с ними и в них. И выполнять рейс по заданному маршруту. Так летят самолеты в меняющихся воздушных массах.
Движение в разреженном стратосферном воздухе вызовет обтекание и аэродинамическое сопротивление. С ростом скорости оно растет, требуя подпереть движение тягой двигателей. Высота помогает скорости: в 20 км над Землей двигаться гораздо легче — в 14 раз легче, чем у Земли. Для 30 км разница с уровнем моря вырастает до 67 раз.
На такой высоте становится рациональным движение обтекаемых летательных аппаратов с большим поперечным сечением. Для уравновешивания их аэродинамического сопротивления хватит тяги перспективных двигателей и движителей, а скорость будет достаточной для дальних полетов.
Тяга в разреженной среде
В стратосфере работают и турбореактивные двигатели, и воздушные винты. Последними оборудовались медленные высотные электрические аппараты вроде «Гелиоса», летавшего на высоте 29,5 км. Для небольших скоростей оптимальны винты.
Но в столь разреженном воздухе не годятся обычные узкие самолетные и вертолетные лопасти. Разница давлений сверху и снизу лопасти уменьшается в сто раз. Чтобы ее «уловить» до ощутимой силы тяги, нужны широкие, площадные лопасти. И это одна особенность винтов для разрежения.
Вторая: даже широким лопастям нужно очень быстрое вращение.
Примером служит винт марсианского вертолета Ingenuity. Он выполнил десятки полетов на Марсе в атмосфере, по плотности соответствующей высоте 30 км над Землей. Его винт годен к стратосферным полетам на высоте 30–35 км. Возможны другие формы и варианты конструкции винта для средней стратосферы. Концы лопастей может обрамлять тонкое кольцо, повышающее эффективность винта. Количество лопастей, их форма и режим вращения тоже могут быть разными.
Лопасти обычных винтов создают разрежение на своей передней поверхности, возникает разность с давлением атмосферы на нижней поверхности, толкающая винт. Но если само давление атмосферы очень мало, то и перепад давлений невелик, и тяга винта окажется слабая. В условиях низкой плотности стратосферы лучше подойдут сверхзвуковые винты. Они переводят дозвуковую аэродинамику в область газодинамического сжатия воздуха.