"Летающие автомобили и аэротакси"

В этом году отмечается резкий рост интереса к летающим автомобилям и аэротакси. Причина - в заявлении ряда стан о разработке законодательной базы для такого рода транспорта, выхода из тени ряда разработчиков, включая крупных игроков рынка, а также бурном развитии сопутствующих областей – электромобилей и альтернативной энергетики – продвигающих лимитирующие для направления технологии ёмких батарей и эффективных электродвигателей.

Стоит также учитывать, что малая авиация – это 89% всех воздушных судов гражданской авиации, 87% всех полетов осуществляются малой авиацией, а летающие автомобили и аэротакси подпадают именно под эту категорию. Только в США ежегодный объем налоговых отчислений этой отрасли составляет $4 млрд, а годовой оборот — $50 млрд. с устойчивым ростом. Это крупный и довольно консервативный рынок, неудивительно что появление нового вида летательного аппарата вызвало его оживление.

Компания «АвиаНовации» разрабатывает безопасное городское аэротакси на базе распределённой архитектуры, позволяющей аппарату выдерживать множество последовательных отказов, при этом сохраняя рентабельную стоимость для авиаперевозчика. В данной статье я попробую объяснить, почему именно такая архитектура была выбрана, виденье будущего рынка нашей компанией и почему значительная часть современных проектов в данной области проиграет существующим уже сейчас самолётам и вертолётам.
 

Рынки.

Начиная любую разработку всегда задаются двумя вопросами: а) на какой рынок ты ориентирован? б) почему пользователь предпочтёт твоё решение существующим?

Дело в том, что задача перевозки человека по воздуху решена уже давно. Есть лёгкие вертолёты, есть средние и тяжёлые вертолёты, есть легкомоторные самолёты и авиалайнеры. Задача перевозки человека на любую дистанцию по воздуху решается прямо сейчас имеющимися средствами. Так в чём тогда проблема?

А проблема в стоимости и безопасности. Аэротакси в Нью-Йорке обойдётся вам в 500-2000 долларов. В России цена будет та же, т.к. экономия на зарплате пилота купируется ввозными пошлинами на вертолёт и запчасти (у нас в стране не выпускаются крупносерийно лёгкие вертолёты). При таких ценах услуга не может быть массовой.
 

Зачем разрабатывать новый вид летательного аппарата?

Потому что сделать авиаперевозку дешевле на вертолёте невозможно.

Вся современная авиация идёт по пути повышения качества комплектующих, тем самым повышая безопасность полёта и… стоимость машин. Через фиксированный промежуток времени авиатехника проходит техобслуживание по «формам». Например, для МИ-171 предусмотрены формы каждые 25, 50, 100 и т.д. лётных часов. В зависимости от содержания формы производятся работы от внешнего осмотра машины до разборки и дефектовки агрегатов. Дефектовка делается на специальном оборудовании специально обученными людьми в лицензированных компаниях. Эти люди проходят ежегодные курсы повышения квалификации и, вместе с компанией, обновляют свои лицензии. Другие люди – представители производителя – осуществляют продления ресурсов и участвуют в допуске техники к эксплуатации. Есть те, кто выдают лицензии и те, кто выдаёт им лицензии. Это огромный муравейник с тысячами людей, каждый из которых получает зарплату, а организации – прибыль. И эти деньги получаются из стоимости лётного часа. Удешевить лётный час можно только упростив обслуживание.

Второй пункт расходов – это пилот. Его надо подготовить, ему надо платить зарплату и, опять же, обновлять свидетельство пилота.

Третий пункт – диспетчерская служба, которая должна координировать работу пилотов в тесном городском пространстве.
 

Зачем мультиротор?

Мультироторная архитектура позволяет ответить на вопрос – почему пользователь предпочтёт ваше решение, а именно – безопасность полёта.

Дело в том, что повреждённый самолёт может приземлиться на планировании, а вертолёт – на авторотации. Но в мегаполисе нет места для такой посадки. Для спуска на парашюте нужно, как минимум, стабилизировать падающий аппарат. Если аппарат вращается, например, в результате импульса, полученного от не одновременного отказа движителей, выброшенный парашют сможет лишь прикрыть обломки от посторонних глаз. Но даже если аппарат стабилизирован, а парашют успел раскрыться и наполниться, то куда падать в мегаполисе? На автомагистраль, на двор с детьми и машинами, в реку?.. Да и пассажирам такой аттракцион врядли понравится.

Мультироторная архитектура появилась раньше монороторной. Во времена первых вертолётов Черёмухина и Карадино д'Асканио именно одновинтовая схема считалась бесперспективной, а авиационные выставки были заполнены мультикоптерами (Breguet-Richet Gyroplane, de Bothezat helicopter, Cornu helicopter и т.д). Мультиротор технологичней, логичней, поэтому и был изобретён раньше и имел такую популярность. Но управлять мультиротором было сложно. Сейчас такой проблемы не существует. Автоматические системы управления давно дешевле механики. Боевые истребители уже много лет строят по аэродинамически неустойчивым схемам, а авиалайнеры большую часть полёта управляются автопилотом, да ещё и с автоматическим расхождением по TCAS.

Улучшить безопасность летательного аппарата можно тремя путями:

§ увеличить надёжность отдельных элементов;

§ уменьшить количество ответственных элементов;

§ сделать систему распределённой, многократно резервировав элементы.

Мультиротор соответствует сразу всем путям – отсутствие свойственных вертолётам механических элементов управления (каждый из которых является точкой потенциального отказа) увеличивает надёжность и упрощает обслуживание, также упрощает и интеграцю автопилота (не нужно устанавливать дополнительных сервоприводов, в свою очередь, являющихся источниками отказов). За счёт простоты механической части, проблема увеличения надёжности элементов переходит в электронную часть, которая стоит дешевле и проще резервируется.

Резервирование идеально ложится на данную архитектуру, т.к. основной элемент – движитель – уже распределён. Важна степень резервирования. Квадрокоптер падает при отказе любого движителя, но слишком много винтов ухудшают эффективность системы. Оптимальное количество движителей не сложно рассчитывается математически исходя из требуемой надёжности и модели отказа каждого ротора.
 

Почему автопилот?

Автопилот способен убрать из системы пилота и диспетчера.

Действительно, полёт шаттла крыша-крыша довольно предсказуем и легко просчитывается. Нет никакой необходимости держать на борту квалифицированного пилота ради 15-и минутного перелёта.

Диспетчеризация и расхождение аппаратов в воздухе намного эффективнее решается автоматизированными системами управления. Не нужно никакого искусственного интеллекта, машинного зрения и блокчейнов. Мобильная связь, данные о координатах и скорости и единый сервер анализа траекторий разведут аппараты по эшелонам на векторной алгебре. В случае использования сразу нескольких мобильных операторов и систем спутниковой ориентации (и тут резервирование) шанс остаться без связи минимален. Работать в условиях ядерной войны с отказом всех систем коммуникации для городского аэротакси не требуется, впрочем, и простейший TCAS реализуется на современной элементной базе без особых затрат.
 

Почему электричество?

В концепции шаттла крыша-крыша остро встаёт вопрос доставки и хранения топлива. Хранить тонны горюче-смазочных материалов на открытой молниям и статическому электричеству крыше опрометчиво, ещё сложнее обеспечить доставку топлива – возить в канистрах в лифте врядли целесообразно, к тому же, это запрещено правилами эксплуатации лифтов. Должен быть создан отдельный вид летающих танкеров и служба дозаправки, а это ударит по стоимости перевозки и усложнит систему. Не стоит забывать и об экологии городов – количество выбросов от аэротакси будет значительным, а рухнувший с небес танкер нанесёт колоссальный ущерб.

В то же время, электрический привод обеспечивает достаточное для внутригородских перелётов время полёта уже сейчас, время зарядки распределённой (и, поэтому, хорошо охлаждающейся) энергосистемы исчисляется минутами, а необходимые мощности уже сейчас имеются в зданиях. Электрический движитель проще конструктивно, что делает возможным построение распределённых систем с меньшим, чем у двигателей внутреннего сгорания, приростом стоимости и сложности обслуживания. Если зафиксировать крейсерскую скорость перемещения городского аэротакси по воздуху и, тем самым, отказаться от системы изменения шага несущего винта, то во всей двигательной установке аппарата будет изнашиваться один единственный подшипник.

Показательно, что до середины двухтысячных годов рынок радиоуправляемых моделей, особенно летающих, был весьма нишевым. Чтобы поиграть 10 минут самолётом нужно было заправить бак токсичным и подпадающим под регулирование топливом, разогреть свечи, завести двигатель ручным электростартером или пальцами (с риском их лишиться). А в случае аварии долго и дорого ремонтировать модель. С появлением доступных литиевых батарей и электродвигателей рынок совершил скачёк. Стоимость моделей уменьшилась, а их разнообразие многократно увеличилось, они заполонили прилавки магазинов, появились немыслимые ранее мультикоптеры. Именно переход на электричество и снижение проблемности владения привело к такому результату.

Спросите себя, купили бы вы коптер для селфи, который надо заправлять метанолом и заводить пальцем?
 

Почему не конвертоплан?

Многие из представленных кампаниями-разработчиками проектов строятся по схеме конвертоплана. Для того чтобы понять проблемы данной схемы, обратимся к понятию эффективности воздушного винта. Эффективность тем выше, чем больше диаметр винта и ниже скорость его вращения. Поэтому вертолёты именно такие. Платой за КПД является ограничение максимальной скорости вертолёта, вызванной эффектом срыва потока с довольно медленной лопасти, движущийся обратно движению вертолёта – относительно воздуха её скорость и подъёмная сила приближается к нулю.

У самолётов винты, напротив, маленького диаметра и высокооборотные. Это необходимая жертва за скорость – запирание (или «волновой кризис») возникает у быстрого винта на большей скорости.

Теперь посмотрим на конвертоплан. Например, на знаменитый Bell V-22 Osprey (хотя даже ЯК-38 можно считать конвертопланом). Очевидно, что его винты являются компромиссом между винтом вертолёта (для обеспечения приемлемой тяги и КПД на висении) и самолёта (для обеспечения приемлемой скорости в горизонтальном полёте).

Также обратимся к понятию энерговооружённости - отношению мощности двигательной установки к массе летательного аппарата. Измеряется она в ваттах на килограмм или в единицах тяги – для аппаратов вертикального взлёта и посадки тяга должна быть выше 1 (превосходить массу аппарата), для самолётов же она может достигать 0,3.

В следующей таблице представлены три серийных летательных аппарата снаряженной взлётной массой около 22-х тонн каждый – самолёт АН-140, конвертоплан Bell V-22 и вертолёт Boeing CH-47. Из таблицы очевидно, что для достижения параметров АН-140, конвертоплан V-22 должен иметь значительно большую энерговооружённость, которая расходуется как раз на преодоление аэродинамических не оптимальностей конвертоплана. Большая масса двигательной установки и вспомогательных систем крадут внутренние объёмы, что видно по пассажировместимости.
 

 На взлёте конвертоплану нужно обеспечить тягу более своей массы, а в горизонтальном полёте, когда основная нагрузка ложится на крылья, двигатели могут быть переведены в щадящий режим, но излишняя масса становится «мёртвым грузом», который приходится возить с собой. Максимальная эффективность конвертоплана достигается именно в горизонтальном полёте «по самолётному», поэтому он не эффективен на коротких дистанциях. На длинных дистанциях он всегда уступит самолёту в скорости за счёт ограничений, накладываемых большими и медленными винтами.

Также, конвертоплан намного сложнее технически, чем вертолёт и самолёт, что увеличивает стоимость и аппарата, и его содержания, а также увеличивает вероятность отказа за счёт большего числа ответственных за полёт элементов. Количество аварий V-22 красноречиво говорит о ненадёжности этого вида транспортного средства.

Так зачем нужен конвертоплан? Для этого рода аппаратов есть узкая ниша, когда должна быть осуществлена перевозка с вертикальным взлётом и посадкой (или зависанием), но на скорости большей, чем может обеспечить вертолёт. Это важно для десантных операций, где скорость преодоления ПВО противника важнее стоимости лётного часа. В гражданском секторе конвертоплан может применяться для междугороднего сообщения крыша-крыша, на дистанциях в 300 и более км. преимущество в скорости перед вертолётом станет заметно. Но внутри города он эффективнее заменяется более дешёвым вертолётом.

Вместо заключения.

К сожалению, построить большой квадрокоптер и придумать ему модное название – мало. Подобные конструкции не способны ответить на вопрос – почему вы, а не Робинсон? Хуже того, большинство проиграют Робинсону по совокупности параметров.

С другой стороны, строить городское аэротакси по классическим канонам, упирая лишь на энергетическую эффективность, тоже не верно.

Основным критерием городского аэротакси должна стать безопасность.

Несмотря на то, что энергетическая эффективность мультироторных аппаратов всегда ниже, чем у монороторного вертолёта, эти аппараты, при условии правильного проектирования, способны обеспечить бОльшую безопасность полёта, при этом сохранив свою стоимость равной или меньшей стоимости легкомоторного вертолёта, упростить и удешевить обслуживание: отказавшие блоки можно менять в сборе при помощи низкоквалифицированного персонала, а диагностику делать автоматически, как у современных автомобилей. Перекладка функций с механической на электронную части аппарата упрощает реализацию самодиагностики, что также снижает требования к обслуживающему персоналу, а резервирование делает менее затратным по массе.

Меньшая энергетическая эффективность мультиротора приводит к росту стоимости лётного часа на 4 доллара, при этом, экономия за счёт технологических улучшений, по сравнению с лёгким вертолётом, достигает 700 долларов.

Большое количество пропеллеров, на первый взгляд, менее эффективно, чем, например, 4 спаренных пропеллера. Однако, если углубиться в математику, разрыв станет не таким и большим, ведь квадрокоптеру надо обеспечить не менее 30%, а лучше 50% запас мощности для каждого двигателя (из пары) и его систем, чтобы компенсировать отказавший. Эта лишняя масса будет возится мёртвым грузом каждый полёт. Для аппарата с большим количество винтов этот необходимый запас составляет 3-7%. И эффективность использования доступной мощности получается выше. В пользу КПД, также, играют и физические процессы, происходящие в поле давления от рядом расположенных винтов. Опыт облёта прототипов Гепарда показывает, что КПД мультиротора не так уж и уступает обычному квадро, но многократно превосходит его по точности управления и надёжности.

Мультироторная архитектура обеспечивает и больший комфорт полёта, т.к. шумы и вибрации мотоустановок, в значительной степени, взаимокомпенсируются, а равномерное поле давления, создаваемое кластером, делает аппарат более устойчивым в полёте (в пользу этого, также, играет и меньшая инертность каждого винта). Высокая стабильность в режиме висения, вместе с защищёнными двигателями, даёт возможность аппарату подходить к сооружениям с любой стороны и, например, высаживать ремонтный персонал.
 

Проблему нельзя решить на том уровне, на котором она возникла (с). Развитие технологии непрерывно смещает балансы сил и то, что было сложно или не рентабельно в начале 20-го века оказывается проще и дешевле в начале 21-го.
 

О проекте Гепард

Было бы неправильным не рассказать, а что же реально сделано командой Гепарда и на какой стадии находится проект.

Мы с самого начала сделали упор на разработку бортовых систем. Мы не видим смысла построить не имеющий перспектив развития аппарат на один взлёт чтобы доказать, что мультикоптеры могут летать и могут поднимать 100 кг. Это уже доказали e-volo в далёком 2012 году.

Мы углубились в расчёты, чтобы вывести оптимальную архитектуру и структуру бортовой распределённой сети, оптимальные алгоритмы автопилота.

Результатом этой работы стала разработка собственного автопилота с отказоустойчивым алгоритмом. Лётные испытания с вирусным кодом, отключающим в случайном порядке двигатели без ведома «мозгов» показали способность выдержать до 7 отказов и более (с потерей высоты, но сохранением управляемости). https://youtu.be/34bVME10JzU

Параллельно велась разработка соосного двигателя собственной конструкции, совместно с компанией Мотохром. Результатом этой работы стал великолепный по характеристикам двигатель Дрозд-2 https://youtu.be/V-HZ0qTHvBw

Разработка велась 2 года и потребовала строительства полноценного испытательного стенда с сертификацией измерительных каналов метрологом Ростеста, иначе довести параметры мотора до требуемых было бы невозможно. На видео ниже можно видеть ресурсную гонку предыдущей версии Дрозда в течение 26 минут (на самом деле, 40 минут, но камера разрядилась) на 100% газа в реальных условиях https://youtu.be/jYIYfPUXn10 Это также является ответом на вопрос – а что будет под дождём или в снег? Да ничего плохого не будет.

Параллельно изучалась работа соосного винта в оболочке и эффекта Бартини https://youtu.be/DoO3ugU6EbI

Разумеется, регулятора хода, способного работать в распределённой сети, управлять соосным двигателем и, при этом, не весить как монумент, в продаже не было и его тоже пришлось разработать https://youtu.be/NFE_2_vtD5s

Конструктивно, проект развивался от попыток разместить двигатели спереди и сзади (патент №2603302 от 20.08.2015), уже тогда реализуя полное распределение, до текущей, более совершенной конфигурации (патент №2627220 от 4.08.2017).

Рисунок из патента №2603302

Наш проект непрерывно развивается и делает это в полном соответствии с научным методом. Любая идея или модель проходит сначала математическую, следом, натурную апробацию, и только затем включается в проект. Безопасность пассажира – прежде всего.

------

Главный конструктор БАС «Гепард»

кандидат технических наук

Товкач С.Е.