Возможен ли «атмосферный геостационарный спутник» с использованием современных технологий?

Короткий ответ: Нет.

Длинный ответ: ваше условие «неограниченного времени» делает короткий ответ легким. Если вам нужно подняться в течение ограниченного времени, и у вас есть свобода выбора времени подъема и спуска, ответ: Возможно.

Во-первых, есть два способа подняться туда: воздушный шар и самолет. Вертолет был бы гораздо менее эффективным, привязь воздушного шара будет слишком тяжелой, чтобы поднять, и вы увидите, что даже планер, как самолет будет бороться, чтобы остаться в течение некоторого времени на 30 км.

Далее атмосферное давление на 30 км составляет 12 мбар, всего 1,2% от того, что находится на земле. Таким образом, ваш самолет должен идти на некоторой скорости, чтобы создать достаточный подъем. Если мы предположим, что вы летите на Махе от 0,5 до 0,6 (где все еще могут работать самолеты с высокой подъемной силой и пропеллеры), ваше динамическое давление-это современное планерное на низкой скорости. Скорость полета на самом деле составляет от 150 до 180 м/с.

Теперь предположим, что ваш самолет имеет L / D 50. Это переводит в требование к силы как раз остаться в воздухе 3 до 3.6 kW в тонну массы воздушных судн. Ваш пропеллер будет иметь КПД не более 85%, и ваш двигатель также создаст некоторые потери, поэтому ваша установленная мощность должна быть не менее 4 кВт на тонну массы самолета. Поскольку вы летите при динамическом давлении планера, у вас также будет нагрузка на крыло, подобная планеру, 30 кг / м2. На тонну, площадь крыла 33,3 м2. Управлять воздушно-дыхательным двигателем на такой высоте непросто, поэтому я возьму на себя солнечную электрическую тягу. Давайте будем оптимистичны, и мы предполагаем солнечную константу 1,4 кВт/м2 на этой высоте, и вы летите на умеренных широтах (скажем, 45°), поэтому ваши солнечные панели могут создавать (эффективность 20%) 200 Вт на м2 или 5,3 кВт на тонну массы самолета (при условии, что 80% крыла покрыто, остальные будут иметь слишком большую кривизну). Конечно, все это действует только около полудня, поэтому если вы хотите остаться на ночь, даже летом не хватает энергии, чтобы держать самолет в течение более длительного времени, даже с очень оптимистичными предположениями. Возможно, вы захотите взять на себя батареи, которые могут обеспечить питание для фазы подъема, поэтому вы взлетаете посреди ночи и прибываете (с пустыми батареями) на высоте поздним утром. Тогда вы действительно можете оставаться там до 2 или 3 вечера, когда заходящее солнце означает, что ваши солнечные панели не обеспечат достаточную мощность, чтобы не спать, не говоря уже о зарядке батарей. И я даже не начал вычитать мощность для работы какого-либо оборудования (что было бы причиной пойти туда в первую очередь, не так ли?).

Чтобы идти с более низкой нагрузкой крыла, у вас будет очень тонкая структура, которая не справляется с ветрами на 30 км и порывами ветра на более низкой высоте.

Этот ветер также будет проблемой для любого баллона. 20% ветров на 30 км выше 76 м / с. 210C), 5% даже над 98 m/s. Один кубический метр гелия дает вам 10 Н подъема на уровне моря, но только 0,156 Н на 30 км. Чтобы поднять тонну аэростата до 30 км, потребуется 63 000 м3 объема. Это сфера диаметром 50 м! Ветер заставляет держать эту вещь привязанной понадобится сильный и тяжелый трос, поэтому, не вдаваясь в подробности, я думаю, что привязанный воздушный шар будет проблемой, мягко говоря.

Статьи «Facebook drone» несерьезны, они предназначены для создания некоторых P. R. и не задерживают дыхание для Интернета, поставляемого дронами в ближайшее время.

В 2003 году Гелиос НАСА на солнечных батареях самолет сделал это до 29,52 км (раундов до 30 км!). Увы, он разбился в полете, и я не могу найти никаких ссылок на продолжение. Самолет был бы более энергоэффективным, чем вертолет, даже вертолет в прямом движении, поэтому я ожидаю, что самолет-это то, что вы увидите в первую очередь. Проблема накопления энергии и полетов в ночное время может быть непреодолимой. (Возможно, излучение микроволновой энергии на самолет?)

Вы могли бы почти представить дирижабль или дирижабль с двигателем для борьбы с ветром, но было бы трудно получить большую полезную нагрузку на этой высоте, и ветер там быстрый . Так что, ни за что.

Если вы не возражаете против длинной линии, которую самолету придется избегать, кайт-еще одна возможность и решит проблему мощности для полезной нагрузки ночью. Есть довольно постоянные ветры там, так что если вы можете получить его, вы можете себе представить кайт летать в течение длительного времени.

Привязной воздушный шар мог бы в принципе работать также, и имел бы больше полезной нагрузки, чем свободный воздушный шар, пытающийся летать против ветра. Однако оболочка воздушного шара должна быть прочной и, следовательно, тяжелой, чтобы выдержать удержание от ветра привязью. Даже оболочка аэростата, толщина которой всего в три раза превышает толщину оболочки, рассчитанной на нулевой ветер, не даст никакой полезной нагрузки.

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

Ни одну из этих вещей нельзя назвать «спутником».

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

Titan Aerospace представила Solara в прошлом году. Это солнечный самолет с ожидаемым воздушным временем 5 лет. Очевидно, что они не тестировали его в течение 5 лет, но худший случай заключается в том, что вам придется приземлять его каждые пару лет для обслуживания. Целевой рынок-атмосферный спутник.

У них была веб-страница, где вы могли бы заказать один. Последний раз, когда я проверял их сайт подразумевал, что у них было 5 заказов. У них был индикатор прогресса, когда вы можете ожидать, чтобы получить свой самолет, если у вас есть несколько миллионов долларов, чтобы потратить, и они сказали, что это займет около месяца, чтобы построить один. Когда я проверил, они сказали, что самое раннее вы можете ожидать, что это было 5 месяцев.

К сожалению, поскольку Google купил компанию, веб-сайт не работает, поэтому на их сайте нет ничего особенного. Но если вы google «Titan Solara» вы можете увидеть фотографии своего самолета.

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

Примечание: Solara предназначен для бездельничать около 20 км вверх, а не 30 км.

Facebook рассматривает возможность создания беспилотных летательных аппаратов связи на солнечной энергии . Согласно истории linked Verge, они зависли на 20 км.

Я бы не назвал эти дроны спутниками, они не на орбите. Орбита на этой высоте будет иметь скорость почти 8 км / с, а период орбиты составит около полутора часов. Низковысотный орбитальный sat не будет висеть неподвижно над заданным местоположением. Вам нужно пройти около 36 000 километров, прежде чем сатураты замедлятся настолько, чтобы соответствовать вращению Земли.

Изменить: добавление иллюстрации, показывающей, как высота влияет на радиус следа.

Где r-радиус Земли (6378 км), а A-высотный беспилотник (20 или 30 км).

Радиус следа для малых высот аппроксимируется R sin α, где α-acos(r/(r+a))

Для беспилотника на 20 км это радиус 503 км,для беспилотника на 30 км это радиус 616 км. (503/616)^2-это ~.668. Снижение беспилотника до 20 км даст площадь около 2/3 площади.