Как создать самолёт для другого мира

Самолёт для Титана. За тридцать с лишним лет работы в отрасли самолётостроения Рик Фох решал значительно более хитрые проблемы. Его лаборатория создала десятки беспилотных летающих аппаратов разных форм и размеров. На ёё счету есть БПЛА, в свёрнутом виде помещающийся в рюкзаке Морского пехотинца (Dragon Eye, 2000 год), маленький самолёт, запускаемый с борта БПЛА Predator (Finder, 2000 год) и крылатая цель, которая в момент выстрела из судового оружия выдерживает перегрузку в 10000g (Flirt, 1991 год).

Фох, конечно, понимает всю трудность отправки робота-самолета в полёт длиной в год – практически без надзора человека, во враждебной атмосфере на расстоянии в миллиард километров от Земли — в небо луны Сатурна Титана. Но, по его мнению, это вполне выполнимо, ведь он занимался решением и более сложных задач. Что же может быть сложней? А вы попытайтесь спроектировать самолет для Марса.

Густая атмосфера скрывает поверхность Титана из вида. Фотография сделана КА Кассини.

 Из всех мест в нашей солнечной системе только у некоторых есть атмосфера, допускающая полёт с помощью крыльев: Титан, Венера, Марс, Земля, плюс внешние газовые планеты. По аэродинамическим условиям Титан самое лучшее из них место для полётов. Ральф Лоренц, планетолог из лаборатории прикладной физики университета имени Джона Хопкинса, Балтимор, Мэриленд, занимающийся исследованием этой экзотической луны, называет её “раем для летчика”. Не пугайтесь того, что там идут метановые дожди, и там, настолько холодно, что вода становится твердой, как гранит. Атмосфера Титана очень плотна – в четыре раза плотнее атмосферы Земли, а сила тяжести составляет всего одну седьмую земной. Эта комбинация является идеальной для создания подъёмной силы, таким образом, полёт на Титане потребует гораздо меньше мощности, чем сопоставимый полет на Земле.

Ларри Лемк, аэрокосмический инженер из научно-исследовательского центра им. Эймса в Маунтин-Вью, Калифорния, начал изучать проблемы внеземного полета ещё в 80-ых годах. Он был прекрасно осведомлён об ужасных ограничениях, накладываемых на работу аэрокосмических инженеров ежедневно – особенно тяжело вписываться в ограничения по мощности, массе и объему. В то время он сильно нуждался в партнёре из мира аэронавтики, которого бы не пугали эти ограничения. «Двадцать лет назад, когда я начал изучать самолёты для полётов на Марсе, я искал партнёра, – рассказывает  Лемк. – Как аэрокосмический инженер я понимал принцип работы всех систем и знал, как проектировать самолеты.  Сложность была в том, как разработать самолеты со необычной конфигурацией - он должен был стартовать прямо в воздухе. Я прошелся по стандартным разработчикам - Skunk Works, Burt Rutan, AeroVironment и т.д. Все они очень компетентные самолётостроители, но почти ни один из них никогда не строил сворачивающийся самолет. К тому времени Рик Фох уже построил восемь или десять таких. Всё указывало на него”.

С помощью картинки, отправленной КА Гюйгенс в 2005 году, ученые воссоздали этот вид Титана с высоты 10000 метров, с высоты на которой будут в будущем летать самолеты.

Лемке и Фох сотрудничают до сих пор. Их новая концепция марсианского самолета, названная Matador, получила в 2006 году исследовательский грант НАСА и дошла до продувки в аэротрубе. Сегодня они работают над концептом самолета для Титана под названием AVIATR (самолёт для воздушной разведки Титана). Этот проект многие ученые из Эймса называют кандидатом на следующую миссию Discovery НАСА стоимостью $425 миллионов, которая, как намечено, будет запущена в 2016 году. Если концепт победит в конкурсе (это станет известно в 2012 или 2013 году), то он станет первым самолетом, построенным для другого мира.

Титан не просто удобное место для полётов. В последние годы он превратился в главную цель большинства планетологов. Это единственный мир около Земли (по крайней мере, о котором мы знаем) с жидкими озёрами (в данном случае состоящими из метана). Из-за обилия органических химикатов, исследователи считают его прекрасной лабораторией для изучения происхождения жизни. После того, как в 2005 году европейский зонд Гюйгенс приземлился на поверхности этой луны, ученые немедленно начали планировать возвращение туда. “Все немедленно стали думать о мобильном аппарате, - рассказывает Лемк. - Крылатый зонд может покрыть большую территорию, чем вездеход, так что преимущества полета очевидны. На луне, постоянно покрытой облаками, самолет, летящий под туманом, может “произвести аналог спутниковой разведки”. Следовательно, наше решение – лучшее».

Фох применил к проектированию самолета для Титана тот же подход, что и для БПЛА запускаемого с корабля или джипа: “Мы всегда начинаем с контейнера”. Самолёт доставляется до Титана, упакованный в спускаемую капсулу, которая по прибытии опускается на парашюте в атмосферу Титана. После этого огнеупорное дно отстреливается, и аппарат вываливается из капсулы и выравнивается, используя воздушный поток. Его скорость во время развертывания невелика - меньше 40 км/ч. Для сравнения, марсианский самолет должен отделяться от парашюта почти на скорости звука, затем он должен быстро развернуться и начать полёт. И всё это за несколько секунд. Лемк называет это “смертельным нырком”.

Крейсерская скорость AVIATR не будет превышать 40 км/ч.

 Чтобы получить достаточную подъёмную силу в разреженном воздухе Марса, самолёт потребует очень большой площади крыла, и крылья при этом станут «прозрачными и хрупкими». Для плотной атмосферы Титана, крылья могут быть короткими и жесткими, как у транспортного самолёта C-130, который, по мнению Лемке, может спокойно пройти сквозь ураган. Последний прототип AVIATR имеет дельтовидное крыло с размахов в 3 метра. “По сравнению с марсианским самолетом это выглядит просто замечательно,- говорит Фох. - Мы не должны даже сворачивать крылья во время полёта к Титану”.

После выпуска в атмосфере, AVIATR будет летать кругами (совсем как ястреб или другая хищная птица) над поверхностью Титана, делая фотографии и проводя спектрографию поверхности, оставаясь при этом постоянно в солнечном свете. В зависимости от цели, диспетчеры на Земле могут изменять высоту полёта – от нижнего безопасного предела в три километра (что точно уже выше гор) до потолка в почти четырнадцать километров, где появляется сильный риск обледенения.

Миссия продлится год или даже больше. Технология, которая сделает такой долгий полет возможным, является новым типом ядерной батареи, названной продвинутым стирлингским радиоизотопным генератором, который НАСА разрабатывает к запуску Discovery в 2016 года. Этот генератор легче и эффективнее плутониевых батарей, используемых в текущих планетарных миссиях (к примеру, в миссии Кассини). Он приводит в движение толкающий винт самолета, питает инструменты и коммуникационную антенну, и обеспечивает подогрев, ведь температура окружающей среды достигает минус 212 градусов по Цельсию.

Вы, наверное, думаете, что при такой экстремальной температуре слабым местом станут конструкционные материалы. Самолёт будет построен из стекловолокна, из того же самого материала, что и контейнеры с жидким гелием. Так что эта проблема решена. Больше всего создателей беспокоит ресурс электроники, гидроусилителей, двигателей, компьютеров и прочих маленьких компонентов. «Ни один из когда-либо созданных самолетов не может выдержать год полёта или два, - поясняет Фох, - «потому что никому никогда это не нужно было». Надежность в космосе является обязательным параметром, поэтому критические узлы будут нуждаться в резервных копиях.

 Сильный ветер также не должен стать значительной проблемой. Конечно, атмосфера Титана не так хорошо изучена как воздушное пространство Земли. Единственный контакт с низкими слоями атмосферы, на данные которого придётся положиться учёным, это парашютный спуск Гюйгенса в 2005 года. Теоретически слабый солнечный свет на Титане не даёт много энергии, таким образом, ветры должны быть слабыми, но на всякий случай, инженеры проектируют максимально устойчивый самолет с обширными функциями автокоррекции. БПЛА AVIATR может стать самым самостоятельным самолётом за всю историю авиации.

Так как космические корабли НАСА работают далеко от дома, то они разрабатываются так, чтобы в случае потери ориентации входить “в безопасный режим”: они должны находить Землю или некоторую другую распознаваемую цель, фиксироваться на ней и ожидать дальнейших инструкций. В случае AVIATR эквивалентом безопасного режима будут колебания типа "голландский шаг" — качание с крыла на крыло и по курсу, чтобы самолет не сорвался в штопор. Проектировщики придумали также дополнительный руль - “характерная особенность этого самолета”, который в случае, когда автопилот AVIATR не справляется с управлением, выдвигается в районе носа, добавляя устойчивости по крену.

Учёные планируют проверить эффективность органов управления полётом в аэродинамической трубе и атмосферных испытаниях непосредственно перед запуском - если запуск конечно состоится. Ведь этому проекту предстоит упорная борьба за победу в проекте Discovery 2016 года, в котором точно будет участвовать не меньше дюжины других умных, хорошо продуманных предложений.

Самолёт в спускаемой капсуле

Ральфу Лоренцу из лаборатории прикладной физики очень нравится идея полёта вокруг его любимой луны. Он даже проектировал свой собственный килограммовый БПЛА, который он назвал шмелем Титана, для перемещения над поверхностью. Тем не менее, для программы Discovery он со своей командой, предлагает совсем другое. Его проект, названный TIME (морской исследователь Титана), предусматривает посадку плавающего космического корабля на одно из метановых озер луны. Лоренц считает, что самолет может хорошо вписаться в будущую многомиллиардную экспедицию на Титан. По его мнению, НАСА не будет рисковать проектом Discovery и запускать первый внеземной самолет – идею которого некоторые люди все еще считают слишком оторванной от жизни.

Некоторые люди, но не Рик Фох и Ларри Лемк, которые работают над этой идеей на протяжении многих лет. Аппарат AVIATR, без сомнения их самый лучший проект инопланетного самолёта, имеющий отличный шанс на реализацию.

По материалам Air&Space