Dwa miesiące w powietrzu bez przerwy – i końca wciąż nie widać. Dokładnie tyle trwa lot próbny pseudosatelity wysokiego pułapu (High Altitude Pseudo-Satellite, HAPS) Airbus Zephyr S. Ultralekki samolot bezzałogowy wystartował 15 czerwca. Celem było wykonanie trzydziestodniowego lotu nad Arizoną, jednak próby szły tak dobrze, że zdecydowano się na jego przedłużenie i zrealizowanie w ciągu jednego lotu kilku celów badawczych rozpisanych wcześniej na kilka osobnych lotów. Próby Zephyra S są prowadzone z ramienia US Army, która bada możliwe zastosowania wojskowe drona.

Trwający lot Zephyra S miał na celu przetestowanie zdolności samolotu do gromadzenia zapasów energii, żywotności akumulatorów, wydajności paneli słonecznych i zdolności do pozostawania w nakazanym rejonie. Ponadto w czasie lotu samolot po raz pierwszy operował w międzynarodowej przestrzeni powietrznej, po raz pierwszy leciał nad wodą (nad Zatoką Meksykańską do Belize), wykonał najdłuższy lot bez przerwy z wykorzystaniem łączy satelitarnych do przesyłania komend, a przede wszystkim pobił swój własny rekord długotrwałości lotu samolotu bezzałogowego. Nowy rekord ustanowiono 11 lipca, wynosił wtedy dwadzieścia sześć dni. Obecnie jest już ponaddwukrotnie dłuższy od poprzedniego.

—REKLAMA—

– Bezzałogowe platformy o dużej długotrwałości lotu mają potencjał, aby zaoferować siłom zbrojnym nowe zdolności i większą świadomość w ramach zdywersyfikowanej, wielowarstwowej architektury rozpoznawczej wojsk lądowych – powiedział Michael Monteleone, dyrektor zespołu badawczego US Army do spaw nawigacji i kosmosu. – W ostatnich latach widzimy niesamowity progres w rozwoju platform dużego pułapu. Prowadzone doświadczenia pozwalają nam zdobywać wiedzę w zakresie różnych ładunków użytkowych i możliwości wykorzystania samolotów stratosferycznych do zastosowań wojskowych do dalekiego rozpoznania, wskazywania celów czy utrzymywania łączności.

HAPS

Zephyr S ma rodowód brytyjski. To tam około dwóch dekad temu narodził się pomysł stworzenia pseudosatelitów. Początkowo w prace nad nimi zaangażowały się stosunkowo niewielkie przedsiębiorstwa, ale obecnie zadanie to przejęły koncerny zbrojeniowe. Spośród wielu koncepcji do fazy realizacji przeszedł Zephyr i PHASA-35 (Persistent High Altitude Solar Aircraft). Pierwszy był opracowywany przez spółkę QinetiQ, ale w 2013 roku projekt odkupił Airbus. Drugą konstrukcję opracowywała Prismatica, ale w 2019 roku cale przedsiębiorstwo przejął BAE Systems. Termin „pseudosatelita” wiąże się z dużą wysokością, na jakiej mają latać opisane (18–20 tysięcy metrów) i długotrwałością lotu sięgającą kilku miesięcy.

Pseudosatelita Zephyr S z obsługą naziemną

Pseudosatelita Zephyr S przygotowywany do startu.
(Airbus)

Airbus wymyślił dla swojego samolotu przynajmniej dwanaście zastosowań dla użytkowników komercyjnych, publicznych i wojska, w tym obserwację przy użyciu sensorów światła widzialnego, podczerwieni, sensorów multispektralnych, z wykorzystaniem radaru i LIDAR-u, monitorowanie emisji elektromagnetycznych czy monitorowanie ruchu statków z wykorzystaniem systemu automatycznej identyfikacji. Dostępne obecnie kamery pozwalają z danego punktu śledzić obszar wielkości 20 na 30 kilometrów.



Największe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem pseudosatelitów w roli przekaźników komunikacyjnych. W porównaniu z klasycznymi satelitami drony są znacznie tańsze w budowie i utrzymaniu oraz bardziej elastyczne, ponieważ nie są przywiązane do jednej orbity. Obecne satelity komunikacyjne nie oferują przesyłu danych z prędkościami odpowiadającymi sieciom 4G i 5G. Starlink w wersji standardowej oferuje prędkość od 50 do 150 megabitów na sekundę, a w wersji business ma oferować prędkość od 150 do 500 megabitów na sekundę przy abonamencie 500 dolarów miesięcznie. Dla porównania: sieć 4G oferuje prędkość ponad 300 megabitów na sekundę i jest dostępna w abonamencie za kilkanaście złotych, a 5G – powyżej 1000 megabitów na sekundę. Ponadto w przypadku łączności satelitarnej trudnym do wyeliminowania problemem jest kwestia opóźnień w przekazie sygnału.

W styczniu 2022 roku Airbus podpisał list intencyjny z kilkoma japońskimi operatorami telekomunikacyjnymi w sprawie wspólnego zbadania możliwości zbudowania i opłacalności funkcjonowania ekosystemu szerokopasmowego przesyłu danych z wykorzystaniem Zephyrów i klasycznych satelitów komunikacyjnych. Wskazano przy tym na zdolność połączenia się pseudosatelity z najbliższym istniejącym już przekaźnikiem telefonii komórkowej i rozszerzenia jego zasięgu na obszarach słabo zurbanizowanych czy morskich. Drugim oczywistym rynkiem jest sieć łączności przeznaczona dla sił zbrojnych.

Start PHASA-35.
(BAE Systems)

Już w 2015 roku Airbus podpisał umowę z brytyjskim ministerstwem obrony na przetestowanie możliwości Zephyra w dziedzinie łączności. W testach miały być wykorzystane trzy egzemplarze zbudowane w latach 2017–2018, ale w czasie prób w Australii w 2019 roku dwa z nich się rozbiły, co zastopowało program. Próby w porozumieniu z Departamentem Obrony prowadzono również w Arizonie. Także BAE Systems prowadzi rozmowy z wieloma przedstawicielami amerykańskiego Departamentu Obrony, a od 2020 roku trwają w Australii testy pod egidą UK Defence Science Technology Laboratory.

Stratosferyczne wyzwanie

Na pierwszy rzut oka widać wspólną cechę obu samolotów – są testowane w Australii. Dlaczego? Ponieważ rozległy kraj o niskiej gęstości zaludnienia oferuje duże obszary przestrzeni powietrznej bez liczącego się ruchu lotniczego i teoretycznie przez większość roku stabilną i dobrą pogodę. To nas naprowadza na dwa główne problemy związane z pseudosatelitami.



Oba wspomniane wypadki z udziałem Zephyrów w Australii wiązały się z niską wytrzymałością płatowców na trudne warunki atmosferyczne, zwłaszcza w fazie wznoszenia się do stratosfery i zmniejszania wysokości do lądowania. Mowa w końcu o samolotach ultralekkich mających przez większość czasu operować w stratosferze, ponad zjawiskami atmosferycznymi. To wiąże się jednak z kolejnymi wyzwaniami. Na tej wysokości promieniowanie słoneczne i ultrafioletowe jest bardzo intensywne, co w połączeniu z niskim ciśnieniem powietrza może oznaczać problemy z pojawiającymi się wyładowaniami łukowymi w komponentach elektrycznych. Dodatkowo na tej wysokości niezależnie od pory doby panuje bardzo niska temperatura. Ponadto samolot musi być zdolny do wytworzenia i zmagazynowania w ciągu dnia takiej ilości energii, żeby wystarczyła na całą noc, do ponownego pojawienia się Słońca.

Trzy pseudosatelity Zephyr na tle pomarańczowego wieczornego nieba

Wizja artystyczna formacji pseudosatelitów Zephyr.
(Airbus)

Wskutek problemów z pogodą nie tylko Airbus musiał ograniczyć program prób. BAE Systems ze swoim PHASA-35 zamierzał w 2021 roku prowadzić próby w Arizonie, ale nietypowo niesprzyjające warunki pogodowe (prądy strumieniowe występujące bardziej na południu niż zazwyczaj) wymusiły całkowitą rezygnację z tych planów. Zamiast tego w Wielkiej Brytanii i Hiszpanii przeprowadzono testy z udziałem modeli w skali 1:4. Powrót do prób prawdziwego samolotu jest planowany jeszcze w tym roku. W międzyczasie sprawdzono na ziemi odporność na niską temperaturę oraz funkcjonowanie modułów misyjnych z urządzeniami telekomunikacyjnymi i łącze danych.

Te stosunkowo duże, ale powolne samoloty potrzebują dużo czasu aby osiągnąć wysokość przelotową. To sprawia, że każdy lot musi być ściśle zaplanowany i koordynowany z kontrolerami ruchu lotniczego. Dlatego najkorzystniej jest prowadzić próby z dala od terenów zamieszkałych i dróg lotniczych. W przyszłości, w przypadku wejścia samolotów tego typu do produkcji, można się spodziewać, że będą one startowały z lotnisk oddalonych od intensywnego ruchu lotniczego i dolatywały w rejon operacji na docelowej wysokości, ponad większością ruchu lotniczego. Według założeń producentów od momentu startu do osiągnięcia rejonu operacji może mijać nawet siedem dni. Nie jest to dużo, jeśli porówna się to z możliwością przebywania w powietrzu przez kilka czy kilkanaście miesięcy.

15 czerwca. Zephyr startuje do rekordowego lotu.
(US Army)

Amerykańskie porażki

Oczywiście nie tylko Brytyjczycy wpadli na pomysł wykorzystania samolotów bezzałogowych w roli pseudosatelitów. Prace nad tym zagadnieniem finansował również rząd amerykański. Programy Pathfinder, Helios, Solar Eagle i Vulture zakończyły się jednak niczym. Podobnie jak próby opracowania samolotów zasilanych energią słoneczną. Poległy nawet Facebook i Google, które chciały przy pomocy pseudosatelitów likwidować białe plamy w globalnym dostępie do Internetu.



Google próbował nawet bardzo ekscentrycznego rozwiązania w postaci balonów stratosferycznych. O dziwno, osiągnął na tym polu nawet pewne sukcesy, demonstrując zdolność do zapewnienia łączności na Portoryko po trzęsieniu ziemi z 2017 roku. Wykorzystanie balonów wymagało jednak potężnych mocy obliczeniowych do modelowania i przewidywania kierunków i siły wiatrów na poszczególnych wysokościach tak, aby dzięki zwiększaniu i zmniejszaniu wysokości lotu balonu prądy powietrzne utrzymywały go mniej więcej w zadanym obszarze. To okazało się zbyt dużym wyzwaniem nawet dla informatycznego giganta i po dłuższym lub krótszym czasie balon zawsze dryfował w niezamierzonym kierunku, przez co ostatecznie zakończono program.

W ten sposób największe szanse na powodzenie wśród amerykańskich firm ma AeroVironment, który zajmuje się samolotami pozyskującymi energię ze Słońca od czterdziestu lat. Większość jego konstrukcji była finansowana przez NASA. Obecnie pracuje nad samolotem Sunglider zbudowanym według tej samej koncepcji co brytyjskie pseudosatelity, ale znacznie od nich większym. Zephyr S ma 25 metrów rozpiętości skrzydeł, Sunglider ma mieć rozpiętość skrzydeł trzy razy większą i będzie napędzany dziesięcioma silnikami. W tej chwili AeroVironment koncentruje się na komercyjnych zastosowaniach swojego samolotu i podobnie jak Airbus podpisał listy intencyjne z japońskimi partnerami. Samolot wykonuje loty, chociaż nie tak długie jak Zephyr.

AeroVironment Pathfinder Plus (tu w 2002 roku), na którego bazie powstał później Sunglider.
(NASA / Nick Galante)

Zephyr S

Wobec takiej sytuacji nie może dziwić, że amerykańskie wojska lądowe postawiły na współpracę z Airbusem dysponującym Zephyrem S. Jak wspomniano, historia Zephyra S sięga dwóch dekad wstecz. Pierwszy samolot pod nazwą Zephyr (bez żadnych dodatkowych oznaczeń) zbudowano w 2003 roku. Miał 12 metrów rozpiętości, osiągał wysokość 8200 metrów i utrzymywał się w powietrzu sześć godzin. W 2008 roku Zephyr 6 został po raz pierwszy zaprezentowany amerykańskim siłom zbrojnym. Już ta maszyna nieoficjalnie pobiła rekord utrzymywania się w powietrzu z wynikiem 82 godzin. Ten model miał 16 metrów rozpiętości skrzydeł. W 2010 roku pojawił się Zephyr 7 o rozpiętości 22 metrów i długotrwałości lotu wynoszącej czternaście dni.

Po nim pojawił się już Zephyr 8, znany dzisiaj jako Zephyr S (single tail – pojedynczy ogon). Jest o 30% lżejszy i może przenosić o 50% więcej akumulatorów od poprzednika. Ponadto w odróżnieniu od wcześniejszych modeli Zephyr S cały czas utrzymuje zadaną wysokość, podczas gdy jego poprzednicy w nocy schodzili poniżej stratosfery z powodu mniejszej ilości zmagazynowanej energii, a tym samym przerywanej pracy silników.

Samolot ma konstrukcję zbliżoną do klasycznego samolotu. Ma wąski kadłub wykonany z włókien węglowych z umieszczonym na dziobie przedziałem na wyposażenie misyjne. Skrzydła są proste, a w dwóch trzecich długości zyskują wznios dodatni. Usterzenie ogonowe jest zbudowane w układzie litery „T”. Na wszystkich płaskich powierzchniach – górnej powierzchni skrzydeł i stateczników poziomych oraz na stateczniku pionowym – zainstalowano panele fotowoltaiczne. Na skrzydłach umieszczono dwa silniki. Samolot nie ma podwozia. Start odbywa się poprzez rozbieg z udziałem pięciu ludzi trzymających go w rękach, a lądowanie – na brzuchu.



Samolot ma rozpiętość wynoszącą 25 metrów i masę własną mniejszą niż 75 kilogramów, z czego 24 kilogramy przypada na akumulatory litowo-jonowe. Masa przenoszonego ładunku oficjalnie pozostaje niejawna, ale wynosi około pięciu kilogramów. Producent ogranicza się jedynie do podania informacji, że masa ładunku może się zmieniać w zależności od oczekiwanych osiągów. To znaczy, że cięższy ładunek oznacza niższą wysokość lub długotrwałość lotu. Wiadomo, że konkurencyjny PHASA-35 może przenosić 15 kilogramów wyposażenia i jest to około dwa razy więcej od Zephyra S.

Airbus zapowiada budowę większej wersji swojego samolotu oznaczoną Zephyr T (twin tail) z udźwigiem porównywalnym z PHASA-35. Samolot ma mieć podwójne usterzenie ogonowe, masę własną 140 kilogramów, rozpiętość skrzydeł 33 metry i udźwig 20 kilogramów.

Jak wspomniano, samolot ma działać w stratosferze na wysokości około 18–20 tysięcy metrów. Jest to wysokość porównywalna z pułapem praktycznym bezzałogowych samolotów rozpoznawczych RQ-4 Global Hawk. Większość komercyjnego ruchu lotniczego odbywa się na wysokości około 9–11 tysięcy metrów. Dla porównania pułap samolotu rozpoznawczego U-2 wynosi ponad 24 tysiące metrów, a dla SR-71 sięgał ponad 26 tysięcy metrów.

Przeczytaj też: Szwedzkie samoloty wczesnego ostrzegania Erieye i GlobalEye

Airbus