Кралете на стратосферата: Самолетът, който ще лети до границата с космоса

Юни 2022 г. е и летяща машина, която прилича на кръстоска между праисторически звяр и космически кораб, е на път да излети. Наречен Zephyr S, тя има дълги вретенообразни крила с дължината на пътнически самолет. Заедно с малкото му тънко тяло и глава, те го правят да прилича на птеродактил. Неговите блестящи слънчеви панели, подобни на станиол, и леката скелетна рамка приличат повече на нещо, което бихте оприличили на кораб, предназначен за космоса, пише BBC Future в свой специален материал.

Необходими са пет-шест души, за да вдигнат Zephyr. Когато е готов за изстрелване, те тичат през пистата, като държат кораба над себе си. Двете малки витла на машината се въртят трескаво, преди самолетът да започне бавното си изкачване в безоблачното небе до 18 300 м или 21 300 м – безмилостно изкачване в стратосферата, което може да отнеме 10 дни.

Неговата мисия за американската армия е тайна, но очевидно в ума на неговия производител е желанието да разбие няколко рекорда, особено този за най-дълга продължителност на полета за всеки тип самолет, който се държи вече 63 години. През 1959 г. двама мъже летят с четириместен лек самолет Cessna в продължение на 64 дни, 22 часа и 19 минути, зареждайки гориво по време на полет от камион.

Британският пионер в авиацията Крис Келехър проектира първия Zephyr през 2002 г. Неговата визия е за самолет без екипаж, способен на „вечен полет“ в стратосферата. Той предвижда, че слънчевата енергия и леките материали ще доведат до самолети, способни да останат във въздуха месеци или дори години. Zephyr S е първият сериен модел.

Предизвикателства

Стратосферата е вторият слой на нашата атмосфера. Започва около 10 000 м и завършва на около 48 800 м височина. Ако самолет може да лети над 15 150 м, той може да лети над турбулентното време, което преживяваме по-близо до земята, в тропосферата. Проблемът е, че толкова високо въздухът е много разреден, което прави летенето и дишането предизвикателство.

Дълго време имаше само една възможност, ако искате да изследвате стратосферата, и това беше балон. Балоните могат да се изкачат до тавана на света, където има твърде малко кислород за крила или двигатели. Тогава проблемът е да останеш жив на тези височини и голям брой балонисти се провалиха.

През 1931 г. човечеството най-накрая достигна стратосферата, като един балонист достигна височина от 15 800 м в херметизирана гондола, прикрепена към напълнен с водород балон. Две години по-късно Жанет Пикар стана първата жена, достигнала стратосферата, с изкачване до 17 600 м.

От 50-те години на миналия век дойде ред на скъпите, финансирани от държавата и свръхсекретни шпионски самолети като U-2, SR-71 и напоследък дрона RQ-170. Сега стратосферата също е дом на метеорологични балони, любители летящи на голяма височина китайски шпионски балони и маркетингови трикове.

И все пак ерата на изследването не е приключила. Планерът Windward Performance Perlan 2 под налягане постави нов рекорд за надморска височина от 23 500 м през септември 2018 г. Той летя по-високо от всеки планер, който някога е летял, и дори надмина максималната рекордна височина на шпионски самолет U-2.

Новите крале на стратосферата

Построеният от Великобритания Aalto Zephyr (компанията наскоро беше отделена от Airbus) е нов тип летателна машина, предназначена да превземе стратосферата чрез вечен полет. Летателни апарати, които в комбинация с миниатюризиране на компоненти и мощни нови компютърни модели на атмосферата, дават на човечеството възможност за почти постоянно присъствие на тези големи височини за първи път.

Известни като Haps (псевдосателити за голяма надморска височина), тези автономни, супер леки самолети варират от планери, захранвани със слънчева енергия, до захранвани със слънчева енергия сребърни цепелини. Техните задачи включват осигуряване на 4G или 5G телефонно покритие и интернет услуга след бедствие, забелязване на горски пожари и проследяване на движението на вражеските сили по време на война. През цялото време те могат да оперират по-добре, по-евтино, по-бързо и по-гъвкаво от сателитите.

Технологичните подобрения, особено в разработването на леки материали, слънчеви панели и технология за батерии, правят частта за „дълга издръжливост“ от брифа реалност.

Предизвикателството за техните дизайнери е да намерят баланса от това да имат самолет, който е лек и достатъчно здрав, за да остане на тези височини за достатъчно дълго време, който може да тегли достатъчно полезен товар, за да бъде полезен на плащащите клиенти, и да може да оцелее при изкачване – и спускане – през тропосферата“, казва Робърт „Боб“ Краус, декан в John D Odegard School of Aerospace Sciences в Университета на Дакота.

Дори в ниска земна орбита микросателитите обикалят около Земята на около 547 км по-високо от самолет като Zephyr. Това означава, че все още има леко забавяне – забавяне на комуникацията, което може да попречи на високоскоростната широколентова комуникация. Има и някои фундаментални ограничения при използването на сателити за дистанционно наблюдение по отношение на разделителната способност, скоростта и гъвкавостта, които правят случая още по-силен за използването на Haps.

Някои вече започват да придобиват физическа форма.

Вътре в голяма структура, подобна на цилиндър в Розуел, Ню Мексико, например, има голям сребърен цепелин Haps. Това е поредният „вечен“ самолет. Алуминиевите му части са заменени с карбонови. Дирижабъл Goodyear, създаден със същия размер, би бил 12 пъти по-тежък.

Започнахме с малка версия от 2.7 м, която не можеше да вдигне собственото си тегло, така че трябваше да я прикрепим към балон, само за да започнем да генерираме данни“, казва Микел Вестергаард, основател на Sceye. „След това през ноември 2020 г. отворихме вратите на хангара за първи път за версия от 82 метра.“

До май 2021 г. цепелинът достига целевата си височина от 19 800 м със средна скорост от 305 м в минута и само тази година те имат шест полета. Това, което наистина отличава цепелина, е полезният товар, който може да носи. Докато Zephyr може да вдигне около 5 кг, цепелинът вече може да вдигне повече от 100 кг. Бъдещите версии могат да вдигат 300 кг или комуникационен масив за излъчване на широколентов достъп директно до голям брой хора. Широколентовите услуги могат да се предоставят от цепелин.

Ние сме много големи“, смее се той. „Ние сме много видими. И затова работим най-добре у дома на приятелска територия, за да свързваме хората, да помагаме на хората. В края на деня, след като стигнете до стратосферата, няма смисъл да оставате, освен ако не можете да превърнете това в бизнес.“

Някои от балоните, използвани за пренасяне на хора до стратосферата, са били с размерите на футболен стадион. Не и този на Urban Sky. Надути на земята, тези микробалони за многократна употреба са с размерите на кола, с полезен товар, прикрепен отдолу.

Те правят въздушни изображения с висока разделителна способност, необходими за наблюдение на последствията от горски пожари и дори за изобразяване на цели градове, от които може да се нуждаят застрахователните компании или градостроителите.

„Можем буквално да стартираме от задната част на пикапа“, казва Джаред Лейдич, съосновател и главен технологичен директор на Urban Sky. „Разбираме от метеорологичните модели откъде ще трябва да изстреляме балон, за да го накараме пасивно да се носи над целта си, и да караме там. Преди двадесет до 30 години моделите не бяха достатъчно добри, за да направят това.“

Последиците

Но климатолозите започват да се тревожат за въздействието, което цялата тази повишена активност може да има върху стратосферата. Водните пари присъстват в минимални количества. Така че всяко увеличаване на употребата му поради използването на самолети, задвижвани с водород, може да има непропорционално въздействие, особено като допринесе за разрушаването на озоновия слой.

„Замърсителите ще останат в стратосферата много по-дълго, защото атмосферното смесване е много по-бавно“, казва Михаела И Хеглин, професор по атмосферна химия в Университета на Рединг в Обединеното кралство и член на Forschungszentrum Juelich в Германия.

Така че трябва да обмислите как можете да нарушите стратосферата, ако внезапно започнете да изграждате голям самолетен флот, който ще лети там всеки ден“, казва Хеглин.

Около 4 часа сутринта на 19 август 2022 г. Zephyr най-накрая се предаде на гравитацията след невероятен тримесечен полет с дължина 56 300 км на около 21 300 м височина и престой от над 64 дни – само на часове от подобряване на рекорда.

Полетът беше огромен успех“, казва Крис Маклафлин от програмата Aalto Haps. „Той прелетя чак до Южна Америка на мисия и обратно. И американската армия е щастлива, но не ни е позволено да разкриваме какво са направили с него.“

Осем до десет часа са необходими на Zephyr за издигане до стратосферата и това означава, че самолетът се нуждае от много стабилна метеорологична среда, за да лети.

Планираме да изградим няколко „пристанища на Аалто“ по света в страни с много добро, стабилно време през различни периоди от годината“, казва Маклафлин. „Така че винаги ще можем да получим достъп до стратосферата и всичко това беше част от първоначалната концепция на Крис Келехър.“

През април 2023 г. Аалто подписа договор за пробен полет на Zephyr над Япония с полезен товар за мобилни комуникации. Очаква се Zephyr да влезе в търговска експлоатация до края на 2024 г.

В стремежа си да завладеят отново стратосферата, стартиращи фирми като Aalto, Sceye и Urban Sky може би преодоляват технологичните препятствия към „вечния полет“, но ще се изправят пред нарастващ брой регулатори. Неотдавнашният злополучен полет на китайския шпионски балон над САЩ подчерта, че стратосферата е национално, а не международно въздушно пространство и прогнозираното увеличение на трафика може да доведе до изисквания за стратосферен трафик и контрол върху околната среда.

Това е чудесен естествен баланс, който имате. И не искате да се забърквате с него“, предупреждава Хеглин.

На примамката от летенето в стратосферата обаче може да е трудно да се устои.

В момента стратосферата е почти празна“, казва Лейдич. „Така че ние все още разработваме основната физика… Това е нещо като математическо разбиране от нулево ниво на областта, което го прави забавно.“