Békési László 1 Óvári Gyula 2 Rozovicsné Fehér Krisztina 3 Szolnok, 2014 A NAPENERGIA ÉS A REPÜLŐGÉPEK 4 A fosszilis eredetű nyersanyagokból egyre kevesebb található Földünkön, egyre drágábbak ráadásul alkalmazásuk környezetszennyező is. A műszaki élet területén kezdenek áttérni a megújuló energiaforrásokra. A repülőgépek meghajtásában is alternatívákat kell bevezetni. Az egyik kiemelkedő az összes közül a szolár energia, amely korlátlanul fellelhető. Napelemek beépítésével a szárnyfelületeken illetve ennek segítségével feltöltött akkumulátorokkal nem csak napsütésben, de éjszaka is tudnak közlekedni ezek a repülőgépek. Ebben a cikkben bemutatjuk a napenergiával működő repülőgépeket a kezdetektől a mai napig fejlesztés alatt álló modern pilóta által és a nélkül vezetett légi járművekig. THE SOLAR ENERGY AND THE AIRCRAFT World reserves of fossil fuels are less and less and in addition they are more and more expensive, while their use heavily pollute the environment. In every field of life there are huge efforts to find the suitable renewable energy sources. Aircraft propulsion also acquires new alternative solutions. One excellent solution can be the solar energy, which resource is unlimited. With the accumulators, charged by the solar cell applications on the wing surface, flying would be possible not only in sunshine but at the night, too. In this paper the authors show the evolution process of solar energy driven aircraft from the beginning to the today existing modern manned and unmanned aerial vehicles. NAPELEMES REPÜLŐGÉPEK A repülés nagy energia felhasználó ágazat. Évről-évre növekszik a repült órák száma az utasok számával együtt, ami maga után vonja az egyre nagyobb mértékű üzemanyag felhasználást. Nem új keletű megállapítás, hogy egyre kevesebb fosszilis eredetű nyersanyag áll rendelkezésünkre, amelyekből üzemanyag készülhet. A nyersanyag hiány mellett fontos szempont, hogy ezen üzemanyagok elégetve nem igazán környezetbarátok, ráadásként egyre drágábbak a megnehezített kitermelés illetve a csökkent fellelhető mennyiség miatt. Mindezek miatt már az előző évszázadban elindultak kutatások a megújuló energiaforrások irányába. A repülésben számításba vehető alternatív üzemanyag -ok közül kiemelkedik a Nap által sugárzott energia, amely nem csak korlátlanul áll rendelkezésünkre, hanem a belőle nyerhető energia bőven meg is haladja szükségleteinket. Ezt az energiát napelemekkel hasznosítják. A napelem egy olyan eszköz, amely elektromágneses sugárzást villamos energiává alakít át. A jelenlegi technikai fejlettség mellett már nem szükséges, hogy a Nap rásüssön, elég az is, ha 1 közalkalmazott, főiskolai tanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem, bekesi.laszlo@uni-nke.hu 2 közalkalmazott, egyetemi tanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem, ovari.gyula@uni-nke.hu 3 közalkalmazott, mérnöktanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem, rozovicsne.feher.krisztina@uni-nke.hu 4 Lektorálta: Prof. Dr. Makkay Imre ny. ezredes, egyetemi tanár, NKE Katonai Repülő Tanszék, drmi48@gmail.com 69
csak fény van. A repülőgépekbe ezen napelemek mellett különböző szerkezetű akkumulátorokra is szükség van, amelyek tárolják az energiát, és fény nélküli időszakban működtetni tudják a repülőgépeket. Kísérletek a mai napig folynak az akkumulátorokkal kapcsolatban, hogy melyik lenne a legmegfelelőbben és legbiztonságosabban alkalmazható a fedélzeten. Már az 1970-es években megjelentek modell repülőgépek, amelyek a szolár energiát hasznosították, de csak bő tíz évre rá készültek olyanok, amelyekkel már ember is repült. Az alábbiakban bemutatjuk a legfontosabb napelemes repülőgépeket: Solar Challenger A Solar Challenger elődje a Gossamer Penguin nevű repülőgép volt. Mindkettőt Paul MacCready és csapata hozta létre az AeroViroment vállalatnál. 1981-ben sikerült ennek a repülőgépnek átrepülnie az Angliát Franciaországgal összekötő csatornát. A Solar Challengert kettő darab 3 LE-s (2,2 kw-os) motor hajtja. Szárnyfesztávolsága 14,3 m, tömege 90 kg, maximális sebessége 64 km/h, míg repülési csúcsmagassága 4360 m volt. Készültekor a legkorszerűbb szintetikus anyagokat használták építéséhez (például: kevlár, Nomex, teflon stb.). Egy példány létezik belőle, amelyet jelenleg a Smithsonian Intézet Múzeumában őriznek. Sunseeker 1. ábra Solar Challenger 5 Sorban a következő napelemmel ellátott repülőgép a Sunseeker volt. 1990 nyarán emelkedett a levegőbe. Az első napenergiával hajtott repülőgép volt, amely átszelte az Amerikai Egyesült Államokat nyugat-keleti irányba. 21 szakaszban teljesítette a távot 121 repült óra alatt. A 85 kg tömegű gép szárnyaira voltak szerelve a napelemek. Ezen a szilikon anyagból készült elemek pár darab akkumulátort töltöttek, amelyeket felszálláshoz használt a repülőgép. 5 forrás: http://www.aviastar.org/air/usa/maccready_solar.php 70
2. ábra Sunseeker repülés közben 6 2002-ben továbbfejlesztették a Sunseekert, és megszületett az utódja a Sunseeker II. Erősebb motorral, nagyobb szárnyakkal látták el, mint elődjét illetve lítium akkumulátorokat építettek bele. A napelemei 50%-kal jobb hatásfokkal hasznosítják a napból érkező energiát, mint az elődje. 2009-ben az első napenergiával hajtott repülőgép volt, amely átkelt az Alpok felett. 2013-ban mutatták be először a közönségnek a kétüléses változatát, a Sunseeker Duo-t, a németországi Aero Légi Kiállításon. 3. ábra Sunseeker Duo repülés közben 7 6 forrás: Ccoonnrraadd: SunseekerFlying, http://en.wikipedia.org/wiki/electric_aircraft#mediaviewer/file:sunseekerflying.jpg 7 forrás: http://www.solar-flight.com/flight-blog/ 71
Icaré II Szolnoki Tudományos Közlemények XVIII. Németország sem akart lemaradni a szolár energiát hasznosító repülőgépek létrehozásában, és 1996-ban megalkották a stuttgarti egyetemen az Icaré II-t (neve a görög mitológiai hős, Ikarosz és az egyiptomi napisten Ré nevének kombinációjaként jött létre [4]) Rudolf Voit-Nitschmann vezetésével. Még ebben az évben elnyerte a Berblinger díjat, amely az egyik legnagyobb elismerés a civil repülésben. A 25 m-es a fesztávú repülőgép szárnyain 26 m 2 -nyi napelem található. 1996-ban még nikkelkadmium akkumulátorokat helyeztek el a gépben, amelyek segítségével 300 m magasságba emelkedtek. Napjainkban ezen akkumulátorokat lecserélték lítium-polimer típusúakra, és már az 1000 m-es magasságot is elérték repülés közben. Néhány adat még erről a repülőgépről: hossza: 7,9 m magassága: 2 m tömege: 300 kg maximális repülési sebessége: 90 km/h motor teljesítmény: 12 kw [5] A mai napig a stuttgarti egyetem hallgatói részt vehetnek az Icaré kutatásban. Helios 4. ábra Icaré II 8 Az AeroViroment vállalat fejlesztette ki szintén a Helios repülőgépet a NASA-nak, amely a negyedik generációt képviseli elődjei - Pathfinder, Pathfinder Plus és a Centurion prototípusok után. Ez a repülőgép az UAV-k (unmanned aerial vehicles pilóta nélküli légi jármű) csoportjába tartozik. Első repülésére 1999 szeptemberében került sor. 2001. augusztusban már repülési magassági csúcsot állítottak be Helios repülőgéppel, ráadásul több mint 40 percet töltött levegőben közel a csúcsmagassághoz, ezzel két rekordot is megdöntve. 2003 júniusában egy turbulencia miatt összeroppant a szerkezet, és a Csendes-óceánba zuhant (5. ábra). 8 http://www.icare-solar.de/index.php/galleries/icare-in-serres-2012 72
5. ábra Helios HP03 repülőgép roncsa az óceán tetején 9 Több kísérleti repülőgépet is megalkottak az ERAST programon belül a NASA-nál, de a két legfontosabb a Helios HP01 (6. ábra) és a HP03 (7. ábra) volt. Az elsődleges fejlesztési szempont a prototípusoknál az volt, hogy minél nagyobb magasságokba tudjon repülni a szolár elemei és az akkumulátorai segítségével. Nagy különbség a HP01 és HP03 között, hogy a második prototípusban az akkumulátorok mellett hidrogén-levegő üzemanyag cellával támogatták meg az éjszakai repülésekhez szükséges energiát. Az alábbi táblázat segítségével összevethető a két prototípus néhány fontosabb adata: tulajdonságok HP01 HP03 hosszúság (m) 3,6 5 fesztávolság (m) 61,8 75,3 max. repülési magasság (m) 29523 19812 tömeg (kg) 600 725 megengedhető max. tömeg (kg) 929 1052 motorok teljesítménye egyenként (kw) 1,5 1,5 motorok száma (db) 14 10 kiegészítő energia lítium akkumulátorok lítium akkumulátorok, üzemanyag cellák 1. táblázat Helios prototípusok néhány adatának összehasonlítása 9 Ilmari Karonen: Pages from 64317main helios-3, http://en.wikipedia.org/wiki/nasa_helios#mediaviewer/file:pages_from_64317main_helios-3.jpg 73
6. ábra 14 motoros Helios HP01 10 7. ábra 10 motoros Helios HP03 11 A Helios repülőgép építése akárcsak a hagyományos repülőgépeké a könnyű építés elvét, azaz a legkisebb szerkezeti tömeg elérését célozza meg, ezért nagyrészt kompozit anyagból készült karbon szálas erősítéssel illetve kevlár felhasználással, de például a szárny belépő élét hungarocellből alakították ki. A szárnyai felső felületén elhelyezett több mint 62 000 darab napelem töltötte a lítium akkumulátorokat, rásegítvén az éjszakai repülésre. Ezt a pilóta nélküli repülőgépet egy ember irányította a földről, aki hol egyhelyben állt, hol pedig együtt mozgott a légi járművel a távirányító hatótávolságának korlátai miatt. 10 LobStoR: Helios in flight, http://en.wikipedia.org/wiki/nasa_helios#mediaviewer/file:helios_in_flight.jpg 11 Tillman: Helios Prototype flying wing, http://en.wikipedia.org/wiki/nasa_helios#mediaviewer/file:helios_prototype_flying_wing.jpg 74
Zephyr Szolnoki Tudományos Közlemények XVIII. A Zephyr ugyanúgy, mint a Helios repülőgép az UAV-k családjába tartozik. Több prototípusa is létezik; a három legfontosabb: Zephyr 6, 7 (8. ábra) illetve 8. A Zephyrt az angol QinetiQ vállalat alkotta meg, de később megvásárolta az Airbus Defense and Space vállalat (Airbus Csoport). 2008 júliusában a 6-os prototípus egy, az amerikai hadsereg által rendezett bemutatón, megdöntötte a leghosszabb pilóta nélküli repülés rekordját 82 órával. Ezt a csúcsot szárnyalta túl a Zephyr 7-es 2010 júliusában 336 óra 22 perccel. Ezen repülés alatt a legnagyobb repülési magassága 21562 m volt. A Zephyr sárkánya szénszálas szerkezetű. Napelemei segítségével tölti lítium-kén akkumulátorait. Megfigyelések és kommunikáció területén használják katonai illetve civil szervezetek. Szárnyfesztávja 22,5 m, 50 kg a tömege (a 7-es verziónak; a 6-os kb. 20 kg-mal kevesebb), 2x450 W-os motor hajtja, amellyel 56 km/h-s sebességgel halad. 8. ábra Zephyr 7-es repülés közben 12 2014 áprilisában jelentette be az Airbus Defence and Space nevű vállalat, hogy a Zephyr 7-es repülőgépet továbbfejleszti Zephyr 8 néven. Ezen kívül sikerrel tesztelték ezen év augusztusában a 7-es prototípust téli körülmények között repülve 11 napon keresztül [9]. Az Uavvision honlap úgy fogalmaz, hogy ez a gép lesz az, amelyik áthidalja a szakadékot a műholdak és az UAV-ok között [10]. Solar Impulse A Solar Impulse egy Svájcban készült napelemmel működő repülőgép. Két prototípusát fejlesztették és készítették el eddig: az első - HB-SIA jelzésű 2006 és 2009 között, míg a második 12 http://www.air-cosmos.com/2014/04/25/22008-zephyr-le-pseudo-satellite-d-airbus 75
a HB-SIB 2011 13-ig. Szolnoki Tudományos Közlemények XVIII. A Solar Impulse 1 együléses repülőgép (9. ábra). Első tesztrepülésére 2009 decemberében került sor, amelyen egy egész napot töltött a levegőben. Ezt követően még számos további követte például Spanyolországból Marokkóba vagy az Amerikai Egyesült Államok átszelése. Több repülési magassági illetve időtartam rekordot is megdöntött. A szárny alatti négy gondolában helyezték el a lítium akkumulátorokat, amelyeket a 11628 darab napelem tölt fel. További adatok a Solar Impulse 1-ről [12]: szárnyfesztávolság: 63,4 m hossz: 21,85 m magasság: 6,4 m tömeg: 1600 kg hajtás: 4 db 7,4 kw-os (10 LE-ös) elektromotor átlagos repülési sebesség: 70 km/h felszálló sebesség: 44 km/h maximális utazó magasság: 8500 m 9. ábra Solar Impulse 1-es prototípusú repülőgép 13 A Solar Impulse 2 az egyes számú prototípus továbbfejlesztett változata (10. ábra). 2011-ben láttak hozzá a fejlesztésekhez. Első felszállása 2014 júniusában volt. Ez a szintén együléses repülőgép szénszál erősítésű kompozitból készült. Jellemzője, hogy a pilótafülke nem túlnyomásos és fejlettebb avionikai berendezések lettek beleépítve benne a robotpilótával -, mint elődjébe. Olyan megoldásokat alkalmaznak, hogy 12000 m-en is nyugodtan közlekedhet ez a légi jármű. Ezen a repülőgépen 17248 darab napelem biztosítja az elektromos energia ellátást. Néhány adat a Solar Impulse 2-ről [13]: szárnyfesztávolság: 71,9 m; 13 http://www.time4aviation.com/2012/06/04/solar-impulse-leaves-madrid-for-rabat/ 76
tömeg: 2300 kg; hajtás: 4 db 13 kw-os (17,4 LE-ös) elektromotor; sebesség tengerszinten: 37 143 km/h. 10. ábra A Solar Impulse 2 illetve Boeing 747-es szárnyfesztávolságának különbsége 14 A Föld körberepülését jövőre szeretnék megvalósítani a Solar Impulse 2-vel. A tervek szerint az északi féltekén repülne közel az egyenlítőhöz 6 szakaszra bontva 5 leszállással. Végső következtetés Megállapítható, hogy folyamatos a fejlődés, a napenergia repülőgépek energiaforrásaként történő alkalmazása terén. Egyelőre azonban, csak korlátozott felszálló tömegű légi járművek, behatárolt idejű levegőbe emelésére biztosítanak elegendő energiát, - akár a teljes, megnövelt szárnyfelületet beborító - legkorszerűbb napelemek is. A fejlődés az elmúlt évtizedekben e téren érzékelhető tempóját figyelembe véve viszont megalapozottan valószínűsíthető, hogy belátható időn belül, a katonai, és a polgári szállító repülőgépek meghajtásához egyre nagyobb arányban hasznosítanak szoláris energiát. Ahhoz, hogy ez a fejlődés bekövetkezzen, elsődlegesen az akkumulátorok töltési idejének drasztikus csökkentésére, és fajlagos (tömegegységre eső) töltési kapacitásuk nagyságrenddel történő növelésére van szükség. (Ennek egyik reménykeltő iránya az üzemanyagcellák fejlesztése.) Amíg mindez bekövetkezik - a közúti járművekhez hasonlóan - rövidtávon a hibrid meghajtás térnyerése prognosztizálható. 14 www.solarimpulse.com 77
FELHASZNÁLT IRODALOM Szolnoki Tudományos Közlemények XVIII. [1] WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA, url: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_challenger [2] WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA, url: http://en.wikipedia.org/wiki/electric_aircraft#sunseeker [3] SUNSEEKER DUO REPÜLŐGÉP HIVATALOS HONLAPJA, url: http://www.solar-flight.com/#top [4] ICARÉ II REPÜLŐGÉP HONLAPJA, url: http://www.icare-solar.de/ [5] ICARÉ II REPÜLŐGÉP HONLAPJA, url: http://www.icare-solar.de/ [6] WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA, url: http://en.wikipedia.org/wiki/nasa_helios [7] HELIOS REPÜLŐGÉP A NASA HONLAPJÁN, url: http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/factsheets/fs-068-dfrc.html#.vdoi-2d_s0- [8] WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA, url: http://en.wikipedia.org/wiki/qinetiq_zephyr#cite_note-13 [9] AIRBUS DEFENCE ÉS SPACE HONLAPJA, url: http:// www.space-airbusds.com/ [10] UAS VISION HONLAPJA, url: http://www.uasvision.com/2014/04/24/airbus-defence-and-spacelaunches-high-altitude-pseudo-satellite-zephyr-8-programme/ [11] WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA, url: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_impulse [12] SOLAR IMPULSE REPÜLŐGÉP HONLAPJA, url: http://www.solarimpulse.com/ [13] SOLAR IMPULSE REPÜLŐGÉP HONLAPJA, url: http://www.solarimpulse.com/ 78