Возможно ли создание «атмосферного геостационарного спутника» с помощью современных технологий?

Краткий ответ: Нет.

Длинный ответ: ваше условие «неограниченное время» упрощает короткий ответ. Если вам нужно подняться в течение ограниченного времени, и у вас есть свобода выбора времени подъема и спуска, ответ: возможно.

Во-первых, туда можно подняться двумя способами: на воздушном шаре и на самолете. Вертолет будет гораздо менее эффективен, трос воздушного шара будет слишком тяжелым для подъема, и вы увидите, что даже планеру будет трудно какое-то время оставаться на высоте 30 км.

Далее, атмосферное давление на высоте 30 км составляет 12 мбар, всего 1,2% от того, что на земле. Таким образом, ваш самолет должен двигаться с определенной скоростью, чтобы создать достаточную подъемную силу. Если мы предположим, что вы летите со скоростью от 0,5 до 0,6 Маха (где аэродинамические поверхности и пропеллеры с большой подъемной силой все еще могут работать), ваше динамическое давление будет таким же, как у современного планера на низкой скорости. Однако на самом деле скорость полета составляет от 150 до 180 м/с.

Теперь давайте предположим, что ваш самолет имеет L/D 50. Это означает, что потребляемая мощность только для того, чтобы оставаться в воздухе, составляет от 3 до 3,6 кВт на тонну массы самолета. Ваш винт будет иметь КПД не более 85%, а ваш двигатель также будет создавать некоторые потери, поэтому ваша установленная мощность должна быть не менее 4 кВт на тонну массы самолета. Поскольку вы летите с динамическим давлением планера, у вас также будет планерная нагрузка на крыло 30 кг/м². На тонну площадь вашего крыла составляет 33,3 м². Эксплуатация воздушно-реактивного двигателя на такой высоте представляет собой сложную задачу, поэтому я предположу, что двигатель будет работать на солнечной энергии. Давайте будем оптимистами и предположим, что солнечная постоянная равна 1,4 кВт/м² на этой высоте, а вы летите в умеренных широтах (скажем, 45°), поэтому ваши солнечные панели могут создавать (20% эффективности) 200 Вт на м² или 5,3 кВт на час. тонна массы самолета (при условии, что 80% крыла закрыто, остальные будут иметь слишком большую кривизну). Конечно, это все справедливо только около полудня, поэтому, если вы хотите остаться на ночь, даже летом не хватит сил, чтобы поддерживать самолет в рабочем состоянии дольше, даже при очень оптимистичных предположениях. Возможно, вы захотите использовать батареи, которые могут обеспечить питание для фазы набора высоты, поэтому вы взлетаете посреди ночи и прибываете (с разряженными батареями) на высоту поздним утром. Тогда вы действительно можете остаться там до 2 или 3 часов дня, когда опускающееся солнце означает, что ваши солнечные батареи не будут обеспечивать достаточно энергии, чтобы не спать, не говоря уже о зарядке батарей. И я даже не начал вычитать мощность для работы какого-либо оборудования (в первую очередь зачем туда подниматься, да?). так что если вы хотите остаться на ночь, даже летом не хватает энергии, чтобы поддерживать самолет в течение более длительного времени, даже при очень оптимистичных предположениях. Возможно, вы захотите использовать батареи, которые могут обеспечить питание для фазы набора высоты, поэтому вы взлетаете посреди ночи и прибываете (с разряженными батареями) на высоту поздним утром. Тогда вы действительно можете остаться там до 2 или 3 часов дня, когда опускающееся солнце означает, что ваши солнечные батареи не будут обеспечивать достаточно энергии, чтобы не спать, не говоря уже о зарядке батарей. И я даже не начал вычитать мощность для работы какого-либо оборудования (в первую очередь зачем туда подниматься, да?). так что если вы хотите остаться на ночь, даже летом не хватает энергии, чтобы поддерживать самолет в течение более длительного времени, даже при очень оптимистичных предположениях. Возможно, вы захотите использовать батареи, которые могут обеспечить питание для фазы набора высоты, поэтому вы взлетаете посреди ночи и прибываете (с разряженными батареями) на высоту поздним утром. Тогда вы действительно можете остаться там до 2 или 3 часов дня, когда опускающееся солнце означает, что ваши солнечные батареи не будут обеспечивать достаточно энергии, чтобы не спать, не говоря уже о зарядке батарей. И я даже не начал вычитать мощность для работы какого-либо оборудования (в первую очередь зачем туда подниматься, да?). Возможно, вы захотите использовать батареи, которые могут обеспечить питание для фазы набора высоты, поэтому вы взлетаете посреди ночи и прибываете (с разряженными батареями) на высоту поздним утром. Тогда вы действительно можете остаться там до 2 или 3 часов дня, когда опускающееся солнце означает, что ваши солнечные батареи не будут обеспечивать достаточно энергии, чтобы не спать, не говоря уже о зарядке батарей. И я даже не начал вычитать мощность для работы какого-либо оборудования (в первую очередь зачем туда подниматься, да?). Возможно, вы захотите использовать батареи, которые могут обеспечить питание для фазы набора высоты, поэтому вы взлетаете посреди ночи и прибываете (с разряженными батареями) на высоту поздним утром. Тогда вы действительно можете остаться там до 2 или 3 часов дня, когда опускающееся солнце означает, что ваши солнечные батареи не будут обеспечивать достаточно энергии, чтобы не спать, не говоря уже о зарядке батарей. И я даже не начал вычитать мощность для работы какого-либо оборудования (в первую очередь зачем туда подниматься, да?).

Идти с более низкой нагрузкой на крыло означает, что у вас будет очень хрупкая конструкция, которая не выдержит ветров на высоте 30 км и порывистых нагрузок на меньшей высоте.

Этот ветер также будет проблемой для любого воздушного шара. 20% ветров на высоте 30 км превышают 76 м/с (Mil Std. 210C), 5% даже превышают 98 м/с. Один кубический метр гелия дает вам 10 Н подъемной силы на уровне моря, но только 0,156 Н на 30 км. Чтобы поднять одну тонну воздушного шара на расстояние до 30 км, потребуется 63 000 м³ объема. Это сфера диаметром 50 м! Силы ветра, чтобы удержать эту штуку на привязи, потребуют прочного и тяжелого троса, поэтому, не вдаваясь в подробности, я думаю, что привязной воздушный шар будет, мягко говоря, проблемой.

Статьи о дронах в Facebook несерьезны, они предназначены для пиара, и не ждите, что Интернет будет доставляться дронами в ближайшее время.

В 2003 году самолет НАСА Helios на солнечных батареях поднялся до 29,52 км (округляется до 30 км!). Увы, он разбился в полете, и я не могу найти никаких упоминаний о продолжении. Самолет был бы более энергоэффективным, чем вертолет, даже вертолет, движущийся вперед, поэтому я ожидаю, что самолет — это то, что вы увидите первым. Проблема накопления энергии и полета ночью может оказаться непреодолимой. (Возможно, посылая самолету микроволновую энергию?)

Вы могли бы почти представить себе дирижабль или дирижабль с двигателем для борьбы с ветром, но было бы трудно получить большую полезную нагрузку на такой высоте, а ветер там сильный . Так что никак.

Если вы не возражаете против длинной очереди, которую самолету придется избегать, воздушный змей — еще одна возможность, которая решит проблему мощности для полезной нагрузки в ночное время. Там довольно постоянные ветры, поэтому, если вы сможете подняться, вы можете представить, как воздушный змей летит в течение длительного времени.

Привязанный воздушный шар, в принципе, тоже может работать, и у него будет больше полезной нагрузки, чем у свободного воздушного шара, пытающегося лететь против ветра. Однако оболочка воздушного шара должна быть прочной и, следовательно, тяжелой, чтобы выдерживать удерживание троса от ветра. Даже оболочка воздушного шара, толщина которой всего в три раза больше, чем у тех, которые предназначены для условий без ветра, приведет к полному отсутствию полезной нагрузки.

Воздушный змей кажется наиболее правдоподобным, но эта высота намного превышает текущий рекорд в 5,7 км. Ряд воздушных змеев вдоль линии может помочь нести массу троса.

Ни одну из этих вещей нельзя было назвать «спутником».

В зависимости от вашего определения «безлимитного» это не только уже возможно, но вы можете (или могли бы) уже купить его.

Titan Aerospace представила Solara в прошлом году. Это самолет на солнечных батареях с ожидаемым временем полета 5 лет. Очевидно, они не тестировали его в течение 5 лет, но в худшем случае вам придется приземляться каждые пару лет для обслуживания. Целевым рынком являются конкретно атмосферные спутники.

У них была веб-страница, где вы могли заказать один. В прошлый раз, когда я проверял их веб-сайт, предполагалось, что у них было 5 заказов. У них был индикатор прогресса, когда вы можете ожидать получить свой самолет, если у вас есть несколько миллионов долларов, и они сказали, что на его постройку уходит около месяца. Когда я проверил, они сказали, что самое раннее, что вы можете ожидать, это 5 месяцев.

К сожалению, с тех пор, как Google купил компанию, веб-сайт не работает, поэтому на их сайте нет ничего особенного. Но если вы погуглите «Titan Solara», вы можете увидеть фотографии их самолета.

Вот статья Arstechnica о Solara: http://arstechnica.com/information-technology/2013/08/almost-orbital-solar-powered-drone-offered-as-atmospheric-satellite/

Примечание: Solara рассчитана на то, чтобы бродить около 20 км, а не 30 км.

Facebook рассматривает возможность создания коммуникационных дронов на солнечных батареях . Согласно связанной истории Verge, они зависли на высоте 20 км.

Я бы не назвал эти дроны спутниками, они не на орбите. Орбита на этой высоте будет иметь скорость около 8 км/с, а период обращения составит около полутора часов. Низкоорбитальный спутник не будет зависать неподвижно над заданным местом. Вам нужно подняться примерно до 36 000 километров, прежде чем спутники замедлятся настолько, чтобы соответствовать вращению Земли.

Редактировать: добавить иллюстрацию, показывающую, как высота влияет на радиус охвата.

Где r — радиус земли (6378 км), а a — высота дрона (20 или 30 км).

Радиус следа для малых высот приблизительно равен r sin α, где α — acos(r/(r+a))

Для дрона на расстоянии 20 км это составляет радиус 503 км, для беспилотника на расстоянии 30 км это составляет радиус 616 км. (503/616)^2 составляет ~0,668. Снижение дрона до 20 км дало бы след около 2/3 площади.