1 czerwca 2005 r., w samym środku nocy, „piloci” Alana Cocconiego zaszyli się w małej przyczepie (1,5×2,4 m) na pustyni kalifornijskiej i patrząc sobie przez ramię, obserwowali wirtualne przyrządy pomiarowe umieszczone na trzech monitorach komputerowych i usiłowali utrzymać swój samolot w powietrzu. Zadanie, które przed sobą postawili, było nadzwyczaj trudne nawet dla pilotów z dużą wprawą w lataniu na przyrządach, a polegało na utrzymaniu pułapu lotu za pomocą sterowania z ziemi i obserwacji tylko danych telemetrycznych. Do tego dochodził jeszcze problem mocy. Od „pilotów” oczekiwano, że utrzymają w locie samolot, którego silnik zasilany był cieniutkim strumyczkiem prądu z pokładowych baterii litowo-jonowych, naładowanych kilka godzin wcześniej energią słoneczną.
„Piloci” Cocconiego nie tylko utrzymali samolot w powietrzu przez jedną noc, ale udało im się przedłużyć nieprzerwany lot przez dalszych 48 godzin. Do dziś ich osiągnięcie stanowi rekord dla samolotów napędzanych energią słoneczną, co jest szczególnie ważne ze względu na obiecujące perspektywy nowych zastosowań w elektronice lotniczej i kosmicznej. Zastosowania mogłyby sięgać od geostacjonarnych satelitów o niskich orbitach, do przekazywania informacji z pola bitwy do centrów decyzyjnych
– Zespoły, które zademonstrował Alan Cocconi, mogą znaleźć zastosowanie w całej klasie samolotów charakteryzujących się wysokim pułapem i znaczną długością lotu. Dzięki takiemu systemowi może powstać samolot eksploatowany przez wiele miesięcy w stratosferze – zauważył Stuart Hindle, wiceprezes do spraw strategii i rozwoju biznesowego firmy AeroVinronment, Inc., która jest bezpośrednim konkurentem Cocconiego.
Wprawdzie korzyści wynikające z tych systemów mogą być dla większości z nas niezrozumiałe, ale Hindle z innymi doskonale zdają sobie z nich sprawę. Twierdzą, że samoloty latające przez długi czas zmienią oblicze komunikacji, najprawdopodobniej służąc jako przekaźniki radiowe zawieszone na niebie. Mogą się przydać do wykrywania pożarów lasów, śledzenia trasy huraganów i sztormów, a także znaleźć zastosowanie w rozpoznaniu i nadzorze pola bitwy oraz dla celów bezpieczeństwa narodowego. Firmy nadawcze i t e l e k o m u n i – kacyjne widzą i c h o g r o m n y potencjał, ponieważ s a m o l o t y stratosferyczne mogą zawisnąć 2000 razy bliżej powierzchni Ziemi niż satelita geostacjonarny, dzięki czemu mogą być wykorzystane w charakterze telekomunikacyjnych stacji przekaźnikowych, dysponujących tysiąckrotnie wyższą szerokością pasma komunikacyjnego w porównaniu z tym, co mogą zapewnić satelity.
– Biorąc pod uwagę cenę jednego bita na sekundę, można zrealizować transmisję, która będzie kosztować ułamek tego, co w przypadku zastosowania satelitów. Potencjalne korzyści są gigantyczne – powiedział Hindle.
Sprawność w centrum zainteresowania
Rzeczywiście, taki samolot ma mnóstwo zalet. Nasuwa się więc pytanie: „Dlaczego tych maszyn nie widać jeszcze nad naszymi głowani”. Odpowiedź brzmi: „Samolot o możliwości długotrwałego lotu, nawet zawieszony na wysokości 21 km, musi charakteryzować się rozsądnym zużyciem paliwa potrzebnego do pokonywania oporu atmosfery, aby mógł utrzymać ustaloną pozycję w określonym punkcie nad Ziemią. Właśnie w tym miejscu wkracza Alan Cocconi, założyciel, prezes i główny inżynier firmy AC Propulsion Inc. (www.acpropulsion. com). Cocconi długo czekał na zastosowanie swych niezwykłych doświadczeń technicznych w pracy nad budową samolotu, który nieprzerwanie kontynuowałby lot przez wiele dni lub nawet miesięcy. Jako absolwent Cal Tech, ekspert w elektronice zarządzającej mocą, z doskonałym doświadczeniem przy samolocie SunRaycer produkcji General Motors, a także z trzydziestoletnim doświadczeniem jako hobbysta modelarstwa lotniczego, Cocconi wydawał się idealnym kandydatem do realizacji takiego projektu. Już w 2003 roku wziął urlop, zainwestował swoje oszczędności i przystąpił do pracy nad samolotem, który ostatecznie nazwany został „SoLong”. Nawet dla największego optymisty sukces konstrukcji SoLong był wielce problematyczny, zwłaszcza że Cocconi pracował nad nim samotnie i z ograniczonym budżetem. Projekt samolotu wymagał sporządzenia ekspertyz w czterech podstawowych obszarach: kompozytowej konstrukcji, napędu, systemów automatycznych pilotów i krzemowych ogniw słonecznych.
– Zdałem sobie sprawę, że jestem w stanie to zrobić dzięki temu, czego się nauczyłem, pracując przy samochodach elektrycznych, elektronice sterowania mocą i silnikach. Pomogło także to, że miałem doświadczenie na polu autopilotów lotniczych i systemów sterowania – wspomina Cocconi.
Bazując na takim doświadczeniu, Cocconi na początku zbudował model, w którym zastosował dostępne na rynku skrzydła o rozpiętości 5 m. W modelu tym nie było paneli słonecznych. Zamiast projektować od podstaw zasilanie słoneczne, wyposażył swój model w duży zestaw akumulatorów i w specjalnie zaprojektowane silniki. Próby modelu w locie Cocconi prowadził prawie dwa lata – aż do pierwszych miesięcy roku 2005, kiedy rozpoczął prace nad samolotem SoLong zasilanym energią słoneczną.
Kiedy Cocconi skoncentrował swoje wysiłki na wersji z napędem słonecznym, okazało się, że jego wcześniejsze prace są bardzo cenne, zwłaszcza gdy wszedł w trudną dziedzinę bilansu mocy dla samolotu zasilanego energią słoneczną. Cocconi stwierdził, że w odróżnieniu od pierwszego samolotu latającego prawie dwa lata ten nowy model wymaga bardziej zaawansowanej elektroniki do sterowania siedmioma silnikami, które zasilały powierzchnie sterujące i napęd śmigła. Powód takiego zapotrzebowania był prosty: SoLong wymagał stosunkowo dużej mocy startowej (około 1000 W), niezbędnej do uniesienia go w powietrze i dodatkowo wysokiej sprawności przy niskim poborze mocy (około 100 W), aby mógł magazynować energię słoneczną podczas ustabilizowanego lotu. – Silnik musi mieć wysoką sprawność przy małym otwarciu przepustnicy. Nie jest łatwo to osiągnąć. Wysoka moc i zoptymalizowana sprawność nie zawsze idą w parze – mówi Cooconi.
Nie dysponując taką sprawnością, SoLong zużyłby całą energię na napęd śmigła w ciągu dnia, nie pozostawiając żadnego zapasu na lot w nocy. Z tego powodu Cocconi kupił w firmie Kontronik Electric Power Systems (http: //www.kontronikusa.com) bezszczotkowe silniki o wysokiej sprawności, które nie były zbudowane z żelaza. Następnym krokiem było zaprojektowanie wyspecjalizowanych systemów napędu dla tych silników. Cocconi stwierdza, że został zmuszony do opracowania takich systemów napędowych, ponieważ konkonstrukcja silników, w których nie ma żelaza, w połączeniu z konwencjonalnym systemem napędu modulowanym szerokością impulsu, powodowałaby powstanie dużej składowej zmiennej prądu tętniącego, co w konsekwencji prowadziłoby do obniżenia sprawności. Aby obejść ten problem, Cocconi stworzył napęd dziewięciofazowy, używając własnego sterownika na płytce o rozmiarach 5×2,5 cm z ośmiobitowym procesorem produkcji Microchip Technology, Inc. (www.microchip.com). Napęd o rozdzielonych fazach dał w rezultacie prąd trójfazowy o bardziej płynnym przebiegu, niskiej składowej tętniącej i większej sprawności.
– Rzeczywista korzyść polega na tym, że silnik ma obecnie sprawność 90% przy obciążeniu dziesięcioprocentowym. To bardzo trudno osiągnąć w silnikach tego rodzaju – wyjaśnia Cocconi.
„Bezpłatne” latanie
Optymalizując silniki o wysokiej sprawności, Cocconi równocześnie opracował solarne skrzydła dla swego samolotu, wykorzystując dostępne na rynku krzemowe ogniwa słoneczne, zamiast używać o wiele droższych ogniw słonecznych stosowanych w technikach kosmicznych.
– Żeby kupić ogniwa słoneczne stosowane w technikach kosmicznych, nawet takie, które są odrzutami, trzeba by dziesięciokrotnie podwyższyć koszty. Nie mogliśmy sobie na to pozwolić – powiedział.
Cocconi wykorzystał więc 76 ogniw słonecznych kupionych od korporacji SunPower (www.sunpowercorp.com), pokrywając nimi powierzchnię skrzydła i używając przy tym form aluminiowych wykonanych na obrabiarce sterowanej numerycznie. Płaskie ogniwa zostały zamontowane w skrzydle o konstrukcji kompozytowo-przekładkowej, wykonanym z włókien węglowych, kevlaru i szklistego epoksydu. Skrzydło ukształtowano w formie płata nośnego i utwardzono. W rezultacie powstało skrzydło solarne zawierające krzemowe ogniwa słoneczne wpasowane w jego profil.
Ostatecznie, jak mówi Cocconi, wybór komercyjnych ogniw słonecznych okazał się bardzo trafny, ponieważ miały kluczowe styki elektryczne z tyłu. – Kiedy wkleiliśmy je w pokrycie skrzydeł, wszystkie styki były z tyłu, dzięki czemu krawędź natarcia była gładką warstwą włókna szklanego – wspomina.
Podczas rekordowego lotu SoLong wykorzystał to skrzydło w dzień do zamiany energii światła słonecznego w prąd elektryczny. Każde ogniwo słoneczne dawało moc około 3 W, generując moc impulsową w granicach 228 W. W przybliżeniu 90% tej energii było magazynowane w pakiecie 120 baterii litowo-jonowych o masie około 6 kg.
Wieczny lot
Po udowodnieniu, że przy wykorzystaniu odpowiedniej techniki można utrzymać samolot w powietrzu co najmniej dwie doby, Cocconi przeprowadził rozmowy z inżynierami z Solar Impulse SA w Szwajcarii. Rozmowy dotyczyły większego projektu, a mianowicie załogowego samolotu solarnego, który mógłby okrążyć kulę ziemską. Lot dookoła świata to jednak jeszcze sprawa co najmniej pięciu lat.
Mimo to Cocconi i inni dostrzegają miejsce dla takich technik w bliskiej przyszłości, szczególnie w zastosowaniach telekomunikacyjnych. Jak mówi Cocconi, samoloty napędzane energią słoneczną były zawsze poszukiwanym Świętym Graalem. Ludzie marzyli o nich od co najmniej dwudziestu lat.
Budowa „podniebnej stacji radiowej” jest technicznie możliwa, ale niełatwa, jak twierdzą eksperci. Taki samolot musiałby udźwignąć około 90 kilogramów sprzętu komunikacyjnego i potrzebowałby dodatkowo kilowata mocy tylko do zapewnienia działania tego sprzętu. W rezultacie rozpiętość skrzydeł samolotu napędzanego energią słoneczną musiałaby wzrosnąć z 5 m (samolot Cocconiego) do około 30 m, co w konsekwencji prowadziłoby do zasadniczego wzrostu jego kosztów.
Po potwierdzeniu możliwości stosowania tej techniki na skalę przemysłową wielu wierzy, że firmy telekomunikacyjne będą skłonne dużo za nią zapłacić.
Faktycznie, Cocconi i inni działający w dziedzinie długotrwałych lotów wierzą, że dwudobowy lot samolotu SoLong zaledwie powierzchownie zasygnalizował możliwości techniczne.
– Teoretycznie taki system może działać w nieskończoność. Praktycznie czas pomiędzy lądowaniami może wynieść sześć miesięcy – zauważa Stuart Hindle z AeroVinronment.
– SoLong był na dobrej drodze. Z większą liczbą pilotów mógłby bez trudu przebywać w powietrzu pięć dni, a prawdopodobnie jeszcze dłużej – dodaje Cocconi.
