«Техника-молодежи» 1989 г №4, с.15-16

А. ТЮМЕНЦЕВ, авиатор,
г. Улан-Удэ

Осенью 1987 года с раскисшей от дождя лужайки вблизи канадской столицы взлетел хрупкий мотопланер. Его двигатель питался энергией, передаваемой с земли микроволновым лучом.

Экспериментальная, уменьшенная в 8 раз модель получила название ШАРП-5 (аббревиатура английских слов «стационарная высотная трансляционная платформа»). С 1981 года в аэрокосмическом институте в Торонто под руководством профессора Джеймса Делорье разработана и построена целая серия таких аппаратов.

Первый показательный полет, как говорилось, состоялся полтора года назад, 6 октября на рассвете. В низкое, пасмурное небо была направлена микроволновая параболическая антенна диаметром 6 м, а виновника торжества — ШАРП-5 — спасали от дождя в переносном ангаре. В 8 часов 15 минут при очень сильном порывистом ветре модель оторвалась от земли. Электромотор, питаемый поначалу никель-кадмиевыми батареями, вращал 25-дюймовый пропеллер. Для перехвата микроволнового 10-киловаттного луча от наземной антенны мотопланер должен был подняться на высоту не менее 100 м.

Мотопланер с размахом крыла до 50 м, разрабатываемый канадскими специалистами в рамках программы ШАРП, будет получать энергию с земли, по микроволновому лучу.

Медленно, с натугой преодолевая встречные потоки воздуха, белый с красными полосами мини-самолет по спирали карабкался ввысь. За его движениями внимательно следила чаша антенны. Крошечный, мощностью в 0,5 л. с. бортовой электродвигатель гудел то громче, то тише, когда на виражах перехватывалось больше или меньше энергии луча. Через 3,5 минуты ШАРП-5 пошел на снижение. Приземление было встречено аплодисментами. После управляющий полетом с земли Гарри Бовер признался: «Это были самые плохие условия для полета из всех, с которыми приходилось иметь дело раньше».

Путь к этому первому полету был долгим и извилистым. Поначалу исследователи безуспешно пытались работать с радиоволнами в диапазоне десятков, сотен и даже тысяч метров. В конце концов стало очевидно, что сфокусировать в узкий луч можно лишь микроволны. Именно такой тип электромагнитного излучения используется теперь для передачи телевизионных сигналов или, скажем, в уже полюбившихся хозяйкам микроволновых духовках (здесь генерируется частота в 2,45 гигагерц, а длина волны составляет всего несколько сантиметров). Однако организация связи и кулинарная технология совсем не то, что передача энергии на расстояние. Чтобы послать микроволновый сигнал, который можно было бы уловить и преобразовать в электрический ток, необходимы передатчики большой мощности. Таковые появились лишь в 40-е годы: были изобретены электронные лампы, излучающие СВЧ-волны, — клистрон, магнетрон (последний, кстати, и используется в бытовых микроволновых печках), генерирующие излучение значительной мощности.

Один из первых серьезных шагов к полетам с микроволновым энергетическим обеспечением был сделан американским инженером Вильямом Брауном на рубеже 60-х годов. Беспилотный вертолет вел наблюдения в интересах министерства обороны. Успех в реализации этого сложного проекта предопределило решение преобразовывать микроволны, принятые антенной летательного аппарата в постоянный ток. Браун впервые опробовал систему со встроенными выпрямителями — маленькими антеннами-диполями, соединенными с системой полупроводниковых диодов-выпрямителей. В вертолетной антенне использовали 3 тыс. диодов. Стоит ли говорить, что такая система была громоздка и ненадежна.

Спустя десятилетие интерес к микроволновой передаче энергии возродился. На этот раз НАСА и министерство энергетики США, подстегиваемые энергетическим кризисом 70-х годов, заинтересовались проектом гигантских космических спутников, которые должны были преобразовывать солнечную энергию в микроволны и передавать их лучом на Землю. Напомним, впервые об этом проекте заговорили в 1968 году. Если бы он получил развитие, то стал бы самой грандиозной инженерной разработкой, во много раз превосходящей лунную программу «Аполлон». К 2030 году предполагалось разместить на геостационарных орбитах 60 спутников, на каждом из которых помещались бы солнечные панели размером с остров Манхэттен — центральную часть Нью-Йорка (35 км²). Суммарная мощность этих энергетических монстров составила бы 300 млрд. кВт, а стоимость перевалила бы за 1,3 триллиона долларов. Астрономическая сумма затрат, а также экологическая уязвимость проекта заставила в конце концов от него отказаться.

Однако, нет худа без добра: в 1982 году, в ходе проработки эффективной системы передачи по схеме «переменный ток — микроволны — постоянный ток», было сделано изобретение, имеющее важнейшее значение для будущих полетов. Тонкопленочная пластиковая антенна-выпрямитель, полученная по особой технологии, весила в 10 раз меньше, чем предшествующие образцы. Это дало толчок канадской программе создания микроволнового самолета. В перспективе предполагается изготовить бортовую антенну диаметром 9 м, она будет состоять из примерно 10 тыс. микроантенн-выпрямителей. На будущем мотопланере (напомним, ШАРП-5 — это пока модель, уменьшенная в 8 раз) установят автопилот с компьютерным управлением; на борт можно будет взять 80 кг полезного груза. Микроволновый луч мощностью 500 кВт донесет к приемной антенне самолета около 30 кВт — такой КПД конструкторов пока вполне устраивает. Плотность потока мощности в точке нахождения мотопланера составит таким образом 500 Вт/м². Этот уровень близок к используемому ныне в медицине при микроволновой терапии и, по уверению руководителя проекта Джо Шлесака, не превышает национального стандарта безопасности. Так что если в сектор действия луча даже и попадет человек (сам-то самолет беспилотный), он испытает лишь слабое ощущение тепла. Пассажиры же авиалайнера, по недоразумению пересекшие этот сектор, вообще ничего не почувствуют — они надежно защищены металлическим корпусом. Да и займет-то такое взаимодействие мгновение! Тщательно изучается и вопрос о возможных радиопомехах. Но здесь, видимо, тоже нечего опасаться: ШАРП-5 успешно управляется по радио, имея обычный приемник.

Решено, что ШАРП будет летать на высоте примерно 20 км по кругу диаметром в несколько километров, так что следящим за ним с земли антеннам придется поворачиваться на очень незначительный угол. Ширина луча выбрана в соответствии с размерами самолета — около 30 м в поперечнике. Теоретически для получения такого энергетического «пятна» на заданной высоте необходима наземная антенна диаметром 70 м. Она весьма недешева, к тому же достаточно сложна в управлении. Кроме того, при выходе системы из строя подача энергии к мотопланеру полностью прекратится. Есть и другой путь: применение фазированной антенной решетки из нескольких тысяч элементов — своего рода маленьких щелевых излучателей. Канадским центром исследований по связи выбран промежуточный вариант: 260 небольших параболоидов с комбинированным (механическим и электронным) управлением лучом.

Стоимость самолета составит около 2 млн. долларов, включая антенны-выпрямители и панель солнечных элементов. Последняя обеспечит энергию для взлета перед тем, как мотопланер войдет в зону действия луча, и для подзарядки батарей, которые нужны для обеспечения коммерческой связи в случае кратковременного выхода из энергетического «пятна». В дневное время солнечная панель станет экономить энергию, потребляемую от наземного передатчика. Суммарная стоимость проекта может достичь 30-50 млн. долларов. Средства немалые, но запуск коммерческого спутника связи обойдется в несколько раз дороже.

Что же даст проект? Микроволновый мотопланер охватит своим «радиовзором» территорию примерно в полтысячи километров в поперечнике. Таким образом, удастся организовать прямую телетрансляцию между крупнейшими канадскими городами Торонто и Монреалем по одному и тому же каналу. Сельские жители смогут принимать передачи на домашнюю параболическую антенну диаметром всего 30-60 см. В будущем, возможно, появится возможность обеспечить высококачественную телевизионную трансляцию для городов, где иначе потребовалось бы модифицировать кабельную систему. В отличие от космических спутников, обычно запускаемых государствами или крупными корпорациями, новая система связи может быть использована в локальном масштабе, даже средними по величине фирмами.

Нельзя не упомянуть и о других вариантах использования ШАРПов. Это создание телефонной связи для автомобилистов. Существующая уже кое-где спутниковая служба такого рода предусматривает систему многочисленных ретрансляторов, в то время как ШАРП позволит использовать стандартную штыревую антенну автомобиля.

Микроволновые мотопланеры могут нести на борту и радары. Несколько таких кружащих на большой высоте наблюдателей удержат под контролем обширнейшую территорию. Важно это не только для военных, система могла бы надежно охранять побережье от контрабандистов, нелегальных переходов границы. Особенный интерес для канадцев представляет возможность контролировать 200-мильную рыболовную зону, и в первую очередь богатую рыбой Ньюфаундлендскую банку. Пока конструкторы рассчитывают на непрерывный полет в течение 6 месяцев, а в перспективе надеются продлить его до года. В конечном итоге все упирается в стоимость самолета.

Однако не стоит забегать вперед. Пока на очереди испытание мотопланера в половину реального масштаба с высотой полета 600-900 м и наземной системы из 30 антенн. Для этого, видимо, потребуется от 2 до 3 лет. Необходима доработка компьютерного управления автопилотом, ведь на значительных высотах самолет неминуемо выйдет за пределы видимости. Да и затраты предстоят немалые — 10 млн. долларов лишь на первом этапе.

Нельзя не предусматривать и задержку работ из-за всяких непредвиденных обстоятельств. Так, старт ШАРП-5 отодвинулся на месяц по вине... обычной мыши-полевки. Она прогрызла фюзеляж из бальсового дерева и изжевала стойки и кабели системы управления. Тем не менее канадские авиаконструкторы полны оптимизма. ШАРП ждет чистое небо, считают они.