J’ai écrit cet article en 1981, et il n’a pas été publié auparavant. Il est basé sur mes propres observations et sur mes entretiens avec Paul MacCready.
Janice Brown, ancienne institutrice de Californie au début de la trentaine, prévoit de faire voler un petit avion de Paris à Londres un jour en juin. Elle s’attend à couvrir la distance de 350 km en environ six heures, sans utiliser une goutte de carburant. Le vol du Solar Challenger, comme l’avion est appelé, culminera un effort de 18 mois mené par le scientifique aéronautique Dr Paul MacCready, de Pasadena, en Californie, pour effectuer un vol longue distance avec un avion à énergie solaire. Le Solar Challenger est alimenté directement par le soleil, sans piles. Le Solar Challenger a été conçu par MacCready et créé par une équipe d’ingénieurs et de modélistes d’avions. Mais en raison du poids et du coût des cellules solaires, et parce qu’elles ne produisent de l’énergie que sous une lumière vive, il n’y aura jamais un nombre significatif d’avions propulsés par conversion directe de l’énergie solaire. MacCready dit : « L’application la moins utile des cellules solaires à laquelle je puisse penser est la propulsion d’un avion. Les avions à essence resteront plus pratiques, en raison de l’efficacité énergétique des combustibles fossiles et parce qu’ils peuvent voler sans soleil.
Le Pingouin Gossamer, semblable à l’Albatros Gossamer mais 3/4 de sa taille, a fourni un banc d’essai pour tester des idées relatives au système d’alimentation et pour acquérir de l’expérience avec l’énergie solaire. Bob Boucher, président d’Astro Flight, Inc., à Venice, en Californie, une petite entreprise qui fabrique des maquettes d’avions et de petits moteurs électriques comme centrales électriques, a servi d’expert en centrales électriques sur le projet. Boucher, sous contrat avec l’armée de l’air, au milieu des années 70, avait été le pionnier du vol à énergie solaire en construisant et en pilotant deux avions sans pilote à énergie solaire, Sunrise I et Sunrise II. Ces avions, d’une envergure d’environ 10 mètres, avaient été développés pour démontrer la possibilité de vols de longue durée utilisant uniquement les rayons du soleil comme source d’énergie. Boucher a conçu l’installation du moteur, le réseau de cellules solaires et, pour les premiers vols du Gossamer Penguin, l’installation de la batterie.
Marshall MacCready, 13 ans et 37 kg, le plus jeune fils de Paul, a été le premier pilote d’essai sur le Gossamer Penguin. Il a effectué environ 50 vols alimentés par batterie, puis a complété sa contribution par deux sauts courts sous l’énergie solaire le 18 mai 1980. Janice Brown, pesant 45 kg, a ensuite été amenée comme pilote de projet, continuant à effectuer des vols à énergie solaire dans le Gossamer Penguin, effectuant un vol de 2,5 km à la base aérienne d’Edwards, en Californie, le 7 août 1980. Les essais en vol du Solar Challenger ont commencé en novembre 1980. L’avion a d’abord volé sur batterie parce qu’ils ne voulaient pas risquer de perdre l’une des 16 128 cellules solaires, d’une valeur de plus de 100 000 $, dans un accident accidentel en apprenant à piloter l’avion. En commençant par de courts sauts sur la piste, l’équipe a rapidement développé suffisamment de confiance pour tenter des vols plus hauts et plus longs. Cette phase de test, à l’aéroport de Shafter, près de Bakersfield, en Californie, s’est conclue par un vol d’une heure et demi à des hauteurs atteignant 500 mètres au-dessus du sol. La batterie n’a été utilisée que pendant 15 minutes ; le reste du vol a été effectué en utilisant l’énergie solaire indirecte, l’air ascendant (thermique).
Le 20 novembre 1980, au champ El Mirage dans le désert de Mojave, dans le sud de la Californie, Janice a effectué les premiers vols à énergie solaire du Solar Challenger. Après une semaine de vols de 3 à 7 minutes utilisant le faible soleil d’hiver (qui ne fournissait qu’une fraction de l’énergie qui sera disponible à la fin du printemps et en été, avec le soleil de midi plus directement au-dessus), Morgan a ensuite pris l’avion pour Marana Air Park, près de Tucson, Arizona. Là, ils espéraient faire une tentative de vol de 100 km. Connaissant un temps exceptionnellement nuageux, de nombreux vols ont néanmoins été effectués, et Janice a pu quitter l’aéroport deux fois pour de courtes distances, acquérant ainsi une précieuse expérience d’atterrissage hors terrain. Après une semaine en Arizona, Morgan est retourné en Californie du Sud, pour apporter quelques modifications à l’installation du moteur et de l’hélice, Où tout cela mène-t-il ? En plus d’être amusant, MacCready estime que le projet est un « défi technique important et légitime », et l’équipe continue d’innover dans le domaine du vol ultra-léger à basse vitesse. Et qui sait ? La fuite de Janice vers Londres pourrait bien réduire la dépendance aux combustibles fossiles.
Fiche d’information Armstrong de la NASA : 
Recherche sur l’énergie solaire 
Depuis 1980, AeroVironment, Inc. (fondée en 1971 par l’innovateur de l’avion ultra-léger – le Dr Paul MacCready) expérimente des avions à énergie solaire, souvent en collaboration avec le Dryden Flight Research Center de la NASA, Edwards, Californie. Jusqu’à présent, AeroVironment, dont le siège est désormais à Monrovia, en Californie, a réalisé plusieurs records d’altitude avec ses avions Solar Challenger, Pathfinder et Pathfinder-Plus. Il s’attend à les dépasser avec le Centurion plus récent et plus grand à énergie solaire et ses successeurs dans le projet Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST) de la NASA, les véhicules Centelios et Helios.
Solar Challenger a établi un premier record d’altitude de 14 300 pieds. Plus spectaculaire, le 7 juillet 1981, l’avion à énergie solaire a volé 163 miles de l’aéroport Corneille-en-Verin au nord de Paris à travers la Manche jusqu’à la base Manston Royal Air Force au sud de Londres, restant en l’air 5 heures et 23 minutes. À l’époque, AeroVironment avait son siège social à Pasadena, en Californie. Le Dr MacCready, un ancien champion de vol à voile, dont le Gossamer Albatros a traversé la Manche à l’aide de l’énergie humaine en 1979, considérait l’énergie solaire comme un moyen «d’aider les entreprises et le gouvernement à reconnaître et à atteindre leurs objectifs environnementaux et énergétiques». MacCready reste président du conseil d’administration d’AeroVironment.
1981 du gouvernement américain pour un programme classifié visant à étudier la faisabilité d’un vol solaire-électrique de longue durée au-dessus de 65 000 pieds. L’entreprise a conçu un avion appelé HALSOL (énergie solaire à haute altitude), construit et testé en vol trois modèles réduits et un prototype final. Le HALSOL a prouvé l’aérodynamique et les structures de l’approche, mais les technologies des sous-systèmes, principalement pour le stockage de l’énergie, étaient inadéquates pour la mission prévue. Le HALSOL a été mis sous cocon pendant dix ans, mais a ensuite évolué pour devenir Pathfinder, qui a volé pour la première fois à Dryden en 1993 sous les auspices du Bureau de la défense antimissile balistique pour une utilisation potentielle dans un rôle de défense antimissile balistique. Lorsque le financement de ce programme a pris fin, Pathfinder est devenu une partie du projet ERAST de la NASA pour développer des avions de longue durée pilotés à distance pour l’échantillonnage et la détection de l’environnement à des altitudes supérieures à 60 000 pieds. Le 11 septembre 1995, Pathfinder a dépassé de loin le record d’altitude de Solar Challenger pour les avions à énergie solaire lorsqu’il a atteint 50 500 pieds à Dryden.
Après avoir déplacé ses opérations de vol vers le Pacific Missile Range Facility (PMRF) de l’US Navy à Kauai, HI, en avril 1997, un Pathfinder amélioré a profité de l’amélioration de l’angle de la lumière du soleil pour établir un nouveau record de 71 530 pieds pour les avions à énergie solaire sur 7 juillet 1997. Encore modifié avec des ailes plus longues, des moteurs améliorés et des panneaux solaires plus efficaces, Pathfinder-Plus (comme on l’appelait maintenant) a volé à un autre record de 80 201 pieds au PMRF le 6 août 1998. Dans le processus, il est resté au-dessus de 70 000 pieds pendant près de trois heures et demie tout en transportant 68 livres d’instruments de test et d’autres charges utiles.
Arrière-plan
Le premier vol d’un avion à énergie solaire a eu lieu le 4 novembre 1974, lorsque le Sunrise II télécommandé, conçu par Robert J. Boucher d’AstroFlight, Inc., a volé après un lancement depuis une catapulte. Suite à cet événement, AeroVironment s’est lancé dans un projet plus ambitieux de conception d’un avion solaire piloté par l’homme. L’entreprise a initialement pris le Gossamer Albatross II à propulsion humaine et l’a réduit aux trois quarts de sa taille précédente pour un vol à énergie solaire avec un pilote humain le contrôlant. Cela a été plus facile à faire car au début des années 1980, le Gossamer Albatross avait participé à un programme de recherche en vol à la NASA Dryden dans le cadre d’un programme mené conjointement par les centres de recherche de Langley et de Dryden. Certains des vols ont été effectués à l’aide d’un petit moteur électrique pour la puissance.Pingouin Gossamer
L’avion à échelle réduite a été désigné le Gossamer Penguin. Il avait une envergure de 71 pieds par rapport à l’envergure de 96 pieds de l’Albatros de Gossamer. Pesant seulement 68 lb sans pilote, il avait une faible consommation d’énergie et constituait donc un excellent banc d’essai pour l’énergie solaire. AstroFlight, Inc., de Venice, en Californie, a fourni la centrale électrique du Gossamer, Penguin, un moteur électrique Astro-40. Robert Boucher, concepteur du Sunrise II, a été un consultant clé pour cet avion et le Solar Challenger. La source d’alimentation pour les vols initiaux du Gossamer Penguin consistait en 28 batteries au nickel-cadmium, remplacées pour les vols à énergie solaire par un panneau de 3 920 cellules solaires capables de produire 541 watts de puissance.
Les vols alimentés par batterie ont eu lieu à l’aéroport de Shafter près de Bakersfield, en Californie. Le fils du Dr MacCready, Marshall, qui avait 13 ans et pesait environ 80 livres, a servi de pilote initial pour ces vols afin de déterminer la puissance nécessaire pour piloter l’avion, optimiser la cellule / le système de propulsion et former le pilote. Il a effectué les premiers vols le 7 avril 1980 et a effectué un bref vol à énergie solaire le 18 mai.
Le pilote officiel du projet était Janice Brown, une enseignante de l’école de Bakersfield qui pesait un peu moins de 100 livres et était pilote charter avec des qualifications commerciales, d’instrument et de planeur. Elle a quitté l’avion à Shafter et y a effectué environ 40 vols sous batterie et énergie solaire. La direction du vent, la turbulence, la convection, la température et le rayonnement à Shafter au milieu de l’été se sont avérés loin d’être idéaux pour Gossamer Penguin car les décollages ne nécessitaient aucun vent de travers et les augmentations de température réduisaient la puissance de sortie des cellules solaires.
Challenger solaire
En utilisant les conclusions spécifiques tirées de leur expérience avec Gossamer Penguin, les ingénieurs d’AeroVironment ont conçu Solar Challenger, un avion piloté à énergie solaire suffisamment puissant pour gérer les vols longs et élevés lorsqu’ils rencontrent des turbulences normales. Par rapport à l’envergure de 71 pieds du Penguin, Solar Challenger n’avait qu’une envergure de 46,5 pieds, mais il avait un énorme stabilisateur horizontal et une surface d’aile suffisamment grande pour accueillir 16 128 cellules solaires. À l’aide de programmes informatiques internes, les ingénieurs d’AeroVironment, Peter Lissaman et Bart Hibbs, ont conçu les ailes et les stabilisateurs inhabituels, qu’ils ont mis à plat sur le dessus pour contenir les cellules solaires. Hibbs a développé la conception aérodynamique de l’hélice avec un autre programme informatique interne. 
Éclaireur 
Issu du développement post-1983 de HALSOL, Pathfinder a été modifié avec des panneaux solaires supplémentaires et d’autres améliorations. Il a ensuite été ramené à Dryden pour une autre série de vols de développement en 1995. Le 11 septembre 1995, Pathfinder a atteint une altitude de 50 500 pieds, établissant un nouveau record d’altitude pour les avions à énergie solaire. La National Aeronautic Association a décerné à l’équipe de l’industrie de la NASA un prix pour l’un des « 10 vols record les plus mémorables » de 1995. Après des mises à niveau supplémentaires et un vol de vérification à Dryden à la fin de 1996, Pathfinder a été transféré au Pacific Missile Range Facility (PMRF) de l’US Navy à Barking Sands, Kauai, HI, en avril 1997. Kauai a été choisi comme emplacement optimal pour tester le Pathfinder à énergie solaire en raison des niveaux élevés d’ensoleillement, de l’espace aérien et des fréquences radio disponibles et de la diversité des écosystèmes terrestres et côtiers pour valider les applications d’imagerie scientifique. Pendant son séjour à Hawaï, Pathfinder a effectué sept vols à haute altitude depuis PMRF, dont l’un a atteint un record mondial d’altitude pour les avions à hélices et à énergie solaire de 71 530 pieds.
Pathfinder « Plus »
En 1998, le Pathfinder a été modifié dans la configuration Pathfinder-Plus à ailes plus longues. Le 6 août 1998, l’avion modifié a volé à une altitude record pour les avions à hélices de 80 201 pieds lors du troisième d’une série de vols d’essai de développement du PMRF à Kauai.
L’objectif des vols était de valider de nouvelles technologies solaires, aérodynamiques, de propulsion et de systèmes développés pour le successeur du Pathfinder, le Centurion, qui est conçu pour atteindre et maintenir des altitudes de l’ordre de 100 000 pieds. Essentiellement un véhicule de transition entre le Pathfinder et le Centurion suivant, le Pathfinder-Plus est un hybride de la technologie qui a été utilisée sur Pathfinder et développée pour Centurion
Le changement le plus notable est l’installation d’une nouvelle section d’aile centrale de 44 pieds de long qui intègre un profil aérodynamique à haute altitude conçu pour Centurion. La nouvelle section est deux fois plus longue que la section centrale originale du Pathfinder et augmente l’envergure globale de l’engin de 98,4 pieds à 121 pieds. La nouvelle section centrale est surmontée de cellules solaires au silicium plus efficaces développées par SunPower Corp., Sunnyvale, CA ; ils peuvent convertir 19 % de l’énergie solaire qu’ils reçoivent en énergie électrique utile pour alimenter les moteurs, l’avionique et les systèmes de communication de l’engin. Cela se compare à environ 14% d’efficacité pour les anciens panneaux solaires qui couvrent la majeure partie de la surface des panneaux d’aile médians et extérieurs du Pathfinder d’origine. La puissance potentielle maximale est passée d’environ 7 500 watts sur Pathfinder à environ 12, De plus, le Pathfinder-Plus était propulsé par huit moteurs électriques, deux de plus que la version précédente de Pathfinder. Conçus pour Centurion, les moteurs sont légèrement plus efficaces que les moteurs Pathfinder d’origine.
Centurion
Centurion, comme ses prédécesseurs immédiats Pathfinder et Pathfinder-Plus, est un avion à voilure volante léger, à énergie solaire et piloté à distance qui démontre la technologie d’application de l’énergie solaire pour un vol de longue durée à haute altitude. Il est considéré comme un prototype de démonstrateur technologique pour une future flotte d’avions solaires qui pourraient rester en l’air pendant des semaines ou des mois dans le cadre de missions scientifiques d’échantillonnage et d’imagerie ou tout en servant de plates-formes de relais de télécommunications. Bien qu’il partage une grande partie des concepts de conception du Pathfinder, le Centurion a une envergure de 206 pieds, soit plus du double de l’envergure de 98 pieds du Pathfinder d’origine et 70% plus longue que l’envergure de 121 pieds du Pathfinder-Plus. En même temps, il maintient la corde de huit pieds (distance avant-arrière) de l’aile Pathfinder, donnant à l’aile Centurion un rapport d’aspect (longueur à corde) de 26 pour 1.
D’autres changements visibles par rapport à son prédécesseur incluent un profil d’aile modifié conçu pour le vol à une altitude extrême et quatre nacelles sous les ailes pour supporter son train d’atterrissage et ses systèmes électroniques, par rapport à deux de ces nacelles sur le Pathfinder. L’aile flexible est principalement fabriquée à partir de composites époxy de fibre de carbone et de graphite et de kevlar. Il est construit en cinq sections, une section centrale de 44 pieds de long et des sections médiane et extérieure d’un peu plus de 40 pieds de long. Les cinq sections ont une épaisseur identique qui correspond à 12% de la corde, soit environ 11,5 pouces, sans effilement ni balayage.
Centurion vole à une vitesse de seulement 17 à 21 mph, soit environ 15 à 18 nœuds. Bien que le contrôle du tangage soit maintenu par l’utilisation d’un élévateur à 60 segments à pleine portée sur le bord de fuite de l’aile, les virages et le contrôle du lacet sont accomplis en appliquant une puissance différentielle – ralentissant ou accélérant les moteurs – sur les sections extérieures de l’aile.
Hélios
AeroVironment envisage Helios comme l’avion solaire ultime qui peut offrir des vols pratiquement éternels dans la stratosphère. Il s’appuiera sur les technologies développées par Pathfinder et Centurion mais ajoutera un système de stockage d’énergie pour le vol de nuit. De 25 à 50% plus grand que Centurion, l’Helios stockera jusqu’à deux tiers de l’énergie reçue par son panneau solaire pendant la journée et utilisera cette énergie stockée pour maintenir son altitude pendant la nuit. Parce qu’il renouvellera chaque jour son énergie à partir du soleil, l’Hélios aura une autonomie de vol limitée uniquement par la fiabilité de ses systèmes, soit une limite pratique d’environ six mois en station.
En raison de cette longue durée de vol, l’Helios sera extrêmement économique en fonctionnement. Cependant, il devra être peut-être l’avion le plus fiable jamais construit, chaque vol durant plus longtemps que le temps entre les révisions pour un avion d’aviation générale typique. En conséquence, une grande partie de la conception d’Helios impliquera un minimum de pièces mobiles, une redondance élevée, des températures basses et des systèmes de contrôle à semi-conducteurs. L’Helios sera également capable de diagnostiquer la dégradation de ses systèmes de contrôle et de reconfigurer le pilote automatique en vol. En conséquence, AeroVironment s’attend à ce que l’Helios fonctionne comme un « satellite atmosphérique » reconfigurable et non polluant dans le nouveau millénaire.
Le projet ERAST 
Un effort parallèle développe des capteurs légers et microminiaturisés qui peuvent être emportés par ces avions. Les technologies supplémentaires envisagées par l’alliance conjointe NASA-industrie ERAST comprennent les matériaux légers, l’avionique, l’aérodynamique et d’autres formes de propulsion adaptées aux altitudes et durées extrêmes.
Le projet ERAST a été parrainé par l’Office of Aeronautics and Space Transportation Technology au siège de la NASA et a été géré par le NASA Dryden Flight Research Center. Le développement de la technologie des capteurs a été dirigé par le NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA.
Spécifications de l’avion
Envergure : Solar Challenger, 46,5 pieds (14,8 mètres) ; Pathfinder, 98,4 pieds (29,5 mètres); Pathfinder-Plus, 121 pieds (36,3 mètres); Centurion, 206 pieds (61,8 mètres)
Longueur : Solar Challenger, 30,3 pieds (9,22 mètres) ; Pathfinder, Pathfinder-Plus et Centurion, 12 pieds (3,6 mètres)
Corde d’aile : Solar Challenger, 5,8 pieds (1,78 mètre) ; Pathfinder, Pathfinder-Plus et Centurion, 8 pieds (2,4 mètres)
Poids brut : Solar Challenger, environ 336 lb (152,8 kg) ; Pathfinder, environ 560 lb (252 kg.); Pathfinder-Plus, Centurion d’environ 700 lb (315 kg), varie en fonction de la disponibilité de l’alimentation et du profil de la mission ; environ 1 900 lb pour une mission à 80 000 pieds d’altitude.
Charge utile : Solar Challenger, poids du pilote, jusqu’à 150 lb ; Pathfinder, jusqu’à 100 lb (45 kg.) ; Pathfinder-Plus, jusqu’à 150 lb (67,5 kg) Centurion, varie selon l’altitude ; environ 100 livres à 100 000 pieds, 600 livres à 80 000 pieds.
Vitesse : Solar Challenger, env. croisière de 25 à 34 mph; Pathfinder, Pathfinder-Plus. Environ. Croisière de 17 à 20 mph ; Centurion, env. Croisière 17-21 mph
Puissance : Réseaux de cellules solaires, max. puissance : Solar Challenger, 2 700 watts ; Pathfinder, environ 7 500 watts ; Pathfinder-Plus, environ 12 500 watts ; Centurion, 31 000 watts
Moteurs : Solar Challenger, un moteur électrique, 2,7 kW Pathfinder, six moteurs électriques, 1,25 kW chacun Pathfinder-Plus, huit moteurs électriques, 1,5 kW maximum chacun Centurion, 14 moteurs électriques, 2,2 kW chacun
Fabricant : AeroVironment, Inc.
Matériaux primaires : Composites, plastique, mousse.
Vol à énergie solaire
En 1980, Steve Ptacek de Solar Challenger a piloté son premier vol à énergie solaire. L’avion a été conçu et construit par AeroVironment, Inc. (fondée en 1971 par l’innovateur de l’avion ultraléger, le Dr Paul MacCready). Une conception antérieure de 71 pieds d’envergure à énergie solaire, le Gossamer Penguin, après des vols d’essai, a parcouru environ 1,95 miles lors d’une démonstration publique le 7 août 1980. Solar Challenger s’est appuyé sur cette expérience pour être un avion piloté à énergie solaire assez pour gérer les vols longs et hauts en cas de turbulence normale. Avec seulement une envergure de 46,5 pieds, il avait un énorme stabilisateur horizontal et avait suffisamment de surface d’aile pour 16 128 cellules solaires. Après des modifications de conception, Ptacek a survolé le vol de la Manche le 7 juillet 1981.
https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html