Аэротакси (Air Taxi), или воздушное такси (Flying Taxi), – это транспортные услуги по перевозке пассажиров на короткие расстояния с помощью малых воздушных судов.
В отличие от беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), беспилотных воздушных судов (БВС), коптеров – всего того, что объединено англоязычной аббревиатурой UAV (Unmanned Aerial Vehicle), – аэротакси уже не вызывают благоговейного восхищения, которое сопровождало первые паровозы 200 лет назад. В 2023 году говорят о том, что в 2027 году аэротакси будет почти повсеместным. При этом вдохновляющие идеи о создании инфраструктуры аэротакси с электрическими силовыми агрегатами не утихают с середины ХХ века. Главным преимуществом ещё не существующей технологии считался выигрыш во времени. Теперь к экономии времени добавились доступность и экологичность, а также то, что двигатели винтокрылых машин могут позиционироваться не только в вертикальной плоскости (как у вертолёта, дрона или мультикоптера), но и менять угол наклона, в том числе уже в полёте, до 90°, как в классическом самолёте; именно такие перспективные разработки ведутся сегодня. Короткие авиаперелёты на расстояние до 120 километров практиковали и в Европе, и в Австралии, и в США.
Но билет в один конец в Мельбурне стоил 10% от недельной зарплаты гражданина страны, а Лос-Анджелесская вертолетная компания (LAA, Калифорния) применяла до 1971 года модель вертолета Sikorsky S-76C, вмещающую 28 человек, – настоящая летающая маршрутка [3].
Поездка обходилась в ($80 по курсу 2023 года. Потому клиентами были обеспеченные предприниматели, политики и богатые туристы.
Воздушный транспорт – не новая идея для такси и частных перевозок. Вертолёты и даже дирижабли давно используют в Европе и США. Компании и частные лица, имеющие достаточный капитал, пользуются вертолётами, почти как такси, с 70-х гг. ХХ века. Сервис воздушного такси в постоянном (не тестовом) режиме запустили в Лос-Анджелесе, Далласе и Мельбурне (Австралия). Программа, названная Uber Air (Австралия), по замыслу разработчиков, обеспечит перелёты между пригородами и внутри городов.
Так, в 2022 году на базе Университета Северного Техаса протестирован первый воздушный коридор в рамках проекта беспилотного аэротакси, а в 2023 году в аэропорту Гринпорт (Техас) продемонстрировали выставочный зал для моделей eVTOLs. Также планируется создать «зелёный» вертопорт/дилерский центр для электрических вертолетов с нулевым уровнем вредных выбросов (рис. 1).
Расположение зданий и потоки воздуха, особенности порывов ветра в определённых районах влияют на возможности размещения и эксплуатации вертодромов. Развитие направления зависит от возможности построить и эксплуатировать сотни площадок посадки-высадки в мегаполисах и пригородах. Пока для вертодромов выбирают специальные точки на местности, учитывая, что внезапные порывы ветра создают угрозу для безопасности аэротакси и могут привести к нештатной ситуации.
Однако есть преимущество: вертикальные взлёт и посадка позволяют экономить энергию и использовать даже небольшие пространства (крыши домов, морские и наземные платформы и небольшие площадки), что особенно актуально в мегаполисах. В основе конструкторской мысли – управление с помощью пропеллеров и несущих винтов, статичных и наклоняемых для достижения манёвренности. Поэтому устройства для перевозки людей и грузов стали называть электровертолётами, условно бесшумными из-за применения электродвигателей. Более того, станции для зарядки аккумуляторов используют электричество из возобновляемых источников. Крайне важен и параметр «плотность энергии аккумулятора» (Вт·ч/кг) – условная энергоёмкость при определённых массе и объёме. Чтобы выдерживать конкуренцию с привычными видами авиатранспорта, устройства eVTOLs используют относительно лёгкие аккумуляторы с высокой плотностью. Это позволит преодолевать расстояние по воздуху без подзарядки и повысить вместимость транспорта. Одним из ключевых факторов развития «воздушного такси» заявляется доступность и стоимость перелётов до $10 за 1 милю (1,61 км). Именно поэтому дороговизна услуг зависит от цен на аккумуляторы, стоимости инфраструктуры вертопортов и оборудования для зарядки электровертолётов. Если плата будет слишком высока, воздушное такси может остаться привилегией для миллионеров. Инфраструктура типичного вертопорта представлена на рис. 2.
Электровертолёт рассчитан для полёта на расстояние до 240 км без подзарядки и развивает скорость до 320 км/ч, имея небольшую вместимость: 4 пассажира. «Плотность» АКБ для силовой установки – 300 Вт·ч/кг, она охлаждается с помощью специальных пластин, установленных между элементами (рис. 4).
Компания Archer Aviation (Калифорния, США) уже подписала контракты по развитию инфраструктуры аэротакси с Японией и Южной Кореей. Имеются собственные разработки электровертолёта Midnight (рис 5). Технические характеристики таковы: до 160 км без подзарядки при максимальной скорости 161 км/ч. Отличительное преимущество – подзарядка между полётами, которая должна составить 10 минут. Салон вмещает 4 пассажиров [3].
О необходимости и реализованных проектах «быстрых» ЗУ следует сказать особо. В устройстве адаптера зарядки используются мощные транзисторные ключи со сверхмалыми остаточными напряжениями, отдающие излучательную индукционную мощность 15–20 кВт / 200 МГц / 200 В. Проблема решается применением мощных GaAs MOSFET с напряжением 400–600 В, работающих в импульсном режиме с длительностью меньше 0,1…0,5 мкс с мультифазным параллельным включением (режим «наложенной» скважности), по существу, это индукционная ВЧ блок-плита с ВЧ-индуктором. Мощные СВЧ MOSFET-ключи с «циклоидными» GaAs SBD отличаются тем, что носители заряда движутся в твердотельно-вакуумном межфононном пространстве по спирали, избегая фононного или электронного рассеивания (улучшение подвижности электронов µn). Такие элементы – относительно новое техническое решение, они реализуются на кристаллах GaAs с квантово-точечными магнитными центрами на основе атомов лантаноидной группы таблицы Менделеева [5].
Конкуренцию Joby и Archer Aviation составляют и другие компании, специализирующиеся в области воздушного транспорта:
Таким образом, частные и малые воздушные суда становятся более манёвренными, быстрыми и удобными. Однако повсеместный запуск сети аэротакси встречается с проблемами не только в технической, но и в правовой областях. Немаловажным критерием служит мнение общественности (особенно в США, где протестующие жители Сан-Франциско бойкотировали автобусы Google). Относительно привычных вертолетов eVTOLs довольно тихие, но на малых высотах шум будет слышен на земле, что потенциально может разозлить жителей и без того шумных городов. Кроме того, разработчики активно развивают идею с автоматическим управлением воздушного транспорта: не каждый согласится, чтобы у него над головой летали «вертушки» без пилотов. Недоверие к новому виду транспорта может возникнуть и из-за устоявшейся репутации вертолётов. Уязвимым местом являются поверхности для посадки-высадки: компании планируют использовать крыши промышленных и жилых строений, что не вполне безопасно. Показательный пример – катастрофы с участием вертолёта упомянутой выше компании LAA в Нью-Йорке в 1968 и 1977 годах сломанная стойка шасси привела к опрокидыванию вертолёта на крыше, некоторые жертвы были изрезаны лопастями. Шанс выжить в вертолетной аварии оценивается как низкий – не более 50%. Для автомобилей принимают к сведению количество аварий в расчёте на километры и мили, для вертолетов – на налётанные часы. В России вертолёты тоже считают небезопасным видом транспорта. Тем не менее в коммерческих перевозках случается гораздо меньше аварий, чем в частных, даже если учитывать статистику (США), свидетельствующую о том, что вертолеты в 85 раз (!) опаснее наземного транспорта. При этом воздушное логистическое пространство загружено намного меньше наземного и подземного (метро). К слову, Ларри Пейдж, сооснователь Google, свой проект воздушного такси Kittyhawk закрыл.
Условно вытянутый корпус хромированного бизнес-джета с двумя парами недлинных крыльев спереди и сзади. На крыльях расположены средних размеров двигатели, по 2 на крыло – всего 8. Они выглядят небольшими для самолёта такого размера. Для вертикального взлёта и посадки крылья поворачиваются вместе с пропеллерами вверх, и как только SkyBus оказывается в небе, они принимают горизонтальное положение и разгоняют аппарат до крейсерских скоростей. Уровень мощности силовой установки – 3500–5000 л. с. Похожие проекты предлагали разработчики других зарубежных фирм, но эффективное решение проблемы управления в условиях сильных порывов ветра, толкающих воздушные потоки в вертикально стоящее крыло, во время взлёта или посадки найдено не было. Это действительно проблема современных разработок: как справиться с порывами ветра на высоте и в полете, исключить и минимизировать эффект «парусности». Исходя из последних анонсов, инженеры компании Lyte Aviation значительно продвинулись в решении этой актуальной проблемы.
Приведём другой достойный внимания пример. Калифорнийская компания Universal Hydrogen начинала как поставщик водородного топлива, а затем занялась переоснащением самолётов, летающих на типичном топливе, авиационном керосине, в экологически чистый воздушный транспорт. «Бомбардье Дэш-300» – региональный пассажирский самолёт с уникальной гибридной конструкцией силовой установки – тому пример. eVTOL Hyundai начнут летать в США в 2024 году и серийно производиться к 2028-му. Аппараты разработаны для полёта с крейсерской скоростью 190 км/ч и вмещают кроме одного пилота 4 пассажиров.
до +400°С:
В мире насчитывают более 100 проектов, связанных с перспективным проектом Advanced Air Mobility, что говорит о заинтересованности не только инвесторов, но и государств. Так, разрешение на тестовые полеты для Volocopter выдала Саудовская Аравия: серия испытаний длилась 1,5 года и успешно завершена на северо-западе Королевства в июне 2023 года. Ведутся работы и разработки условно лёгких альтернатив тяговым аккумуляторам, которые в настоящее время составляют до 40% взлетной массы электролётов. Таковы вкратце задачи, проблемное поле и решения для нового авиаприборостроения в области радиационно-стойкой, гиперчастотной, высокотемпературной и силовой электроники.
Отсюда справедливо мнение, что чем жёстче конструкция дирижабля, тем лучше и безопасней управляемость летательного аппарата. Такие воздушные суда классифицируются по форме: сигарообразные с уменьшенным лобовым сопротивлением (таких большинство); эллипсоидные – в виде эллипсоида (с уменьшенным сопротивлением боковому ветру); дисковые – в виде диска; линзообразные – в виде двояковыпуклой линзы; тороидальные – в виде тора, предназначенные для использования в качестве воздушного крана или воздушного стартового стола для ракет; V-образные. Кроме того, существуют варианты обычных монгольфьеров с мотогондолой, позаимствованной от парамотора.
Другой вид классификации по заполняющему газу и типу наполнителя рабочих объёмов оболочки дирижабли: газовые дирижабли, использующие в качестве несущего газ с плотностью меньшей, чем плотность окружающего атмосферного воздуха, при равных температуре и давлении; тепловые дирижабли, использующие в качестве несущего газа нагретый воздух, плотность которого из-за этого меньше окружающего оболочку воздуха, но температура внутри оболочки значительно выше температуры атмосферного воздуха; вакуумные дирижабли, в которых оболочка вакуумирована (внутри разреженный воздух); комбинированные дирижабли, к примеру, аэростаты типа «розьер».
Дирижабли, изготавливаемые и эксплуатируемые до настоящего времени, различаются по типу оболочки: мягкие, полужёсткие, с жёстким каркасом. По типу силовой установки: с паровой машиной, с бензиновым двигателем, с электродвигателем, с дизелями, с газотурбинным двигателем. По типу двигателя: крыльевые, с воздушным винтом, с импеллером, турбореактивные и, в настоящее время, двухконтурные аппараты. По назначению: пассажирские, грузовые и специальные (в частности, военные). По способу создания архимедовой силы: наполнением оболочки газом легче воздуха, подогревом воздуха в оболочке (термодирижабли и термопланы), вакуумированием оболочки, комбинированные.
По способу управления подъёмной силой условно пассивные летательные аппараты различались системами стравливания газа и управления его нагревом, закачкой/стравливанием балластного воздуха, сжатием и закачкой газа в металлические баллоны и стравливанием подъёмного газа из металлических баллонов в рабочие балонеты, изменяемому вектору тяги силовой установки, что давало аэродинамические преимущества в сравнении с воздушными шарами. Аэродинамическая стабилизация и ориентация аппарата обеспечивается по тангажу и рысканию (курсу) при помощи хвостового оперения (аэродинамических стабилизаторов и рулей) в условиях значительной скорости горизонтального полёта. При незначительной скорости полета эффективность аэродинамических рулей в дирижаблях «прошлых поколений» признана недостаточной для обеспечения хорошей манёвренности аппарата. На дирижаблях ХХI века применяется активная автоматическая система ориентации и стабилизации по трём строительным осям, где в качестве исполнительных органов системы применяются поворотные винтовые движители (в кардановом подвесе).
Тепловой дирижабль мягкой системы серийно производился в Германии и Франции с 1910 года. Строившиеся в 1930-х годах ХХ века дирижабли с жёстким каркасом выглядели как гигантские воздушные корабли с дальностью беспосадочного полета до 15 000 км, с полезной нагрузкой до 90 тонн (полный вес около 200 тонн). По сравнению с самолетами дирижабли обладают преимуществом: возможностью оставаться над определённой областью.
В условиях несильных воздушных потоков (скорости ветра) они могут держаться в воздухе без затрат горючего, остановив двигатели.
На рис. 8 представлен вид изнутри ресторана на борту дирижабля «Гинденбург» Luftschiff Hindenburg (LZ-129), Speisesaal.
На рис. 10 представлен вид на пропеллерную систему управления воздушными винтами GR-SK.
Аналогичных аппаратов в разных странах мира несколько сотен, и их количество растёт. В России на авиасалоне «МАКС-2007» был представлен дирижабль отечественного производства, который так и хочется назвать аэростатом (рис. 11).
На рис. 12 представлен вид на панель управления AU-30.
На рис. 13 представлен вид новейшего дирижабля на электротяге Pathfinder-1.
Дирижабли занимают особую нишу в транспортной архитектуре, не являясь аналогами самолётов и вертолётов хотя бы из-за способа передвижения и скорости. Особенность современных дирижаблей в том, что они оснащаются силовыми установками для вертикального взлёта на электротяге, а также электродвигателями для горизонтального полёта с регулируемым углом наклона приводов винтов. К примеру, для вертикального взлёта и посадки дирижабль Pathfinder-1 оснащён 12 электродвигателями, которые питаются от дизельных генераторов и аккумуляторов. А его длина 124,5 метра. Ожидается, что дирижабль сможет развивать максимальную скорость в 120 км/ч. В испытательных полётах он будет летать медленнее. Как и другое лётное современное оборудование, рассмотренное в обзоре выше, электрический дирижабль обладает «нулевыми выбросами» углекислого газа и соответствует «высшему экологическому классу», а также вписывается в концепцию сохранения мировых экосистем [7].
8 ноября 2023 года компания LTA Research начала лётные испытания электрического дирижабля Pathfinder на аэродроме NASA Моффетт. Аппарат создан с использованием новейших технологий. Для заполнения дирижабля гелием используются 13 больших отсеков из нейлонового материала, контролируемых с помощью лазерных электронных датчиков. Нетипичный летательный аппарат имеет жёсткий защитный каркас, обтянутый лёгким синтетическим материалом Tedlar, состоящим из 10 000 полимерных труб, армированных углеродным волокном и соединённых при помощи 3000 титановых втулок. Tedlar – материал из космической отрасли, обеспечивает и прочность, и защиту от внешних воздействий, нагрева атмосферы. Целых 12 электродвигателей с питанием от дизельных генераторов и аккумуляторов обеспечивают летательному аппарату вертикальный взлет и посадку. На рис. 14 представлен вид на каркас дирижабля Pathfinder.
В ближайшем будущем произойдёт революция в авиации, аналогичная той, которая случилась с пассажирскими лифтами и мобильными телефонами. Мировой рынок потребует сотни тысяч летательных аппаратов. Важно быть готовыми к растущему спросу на этот тип транспорта.
В отличие от беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), беспилотных воздушных судов (БВС), коптеров – всего того, что объединено англоязычной аббревиатурой UAV (Unmanned Aerial Vehicle), – аэротакси уже не вызывают благоговейного восхищения, которое сопровождало первые паровозы 200 лет назад. В 2023 году говорят о том, что в 2027 году аэротакси будет почти повсеместным. При этом вдохновляющие идеи о создании инфраструктуры аэротакси с электрическими силовыми агрегатами не утихают с середины ХХ века. Главным преимуществом ещё не существующей технологии считался выигрыш во времени. Теперь к экономии времени добавились доступность и экологичность, а также то, что двигатели винтокрылых машин могут позиционироваться не только в вертикальной плоскости (как у вертолёта, дрона или мультикоптера), но и менять угол наклона, в том числе уже в полёте, до 90°, как в классическом самолёте; именно такие перспективные разработки ведутся сегодня. Короткие авиаперелёты на расстояние до 120 километров практиковали и в Европе, и в Австралии, и в США.
Но билет в один конец в Мельбурне стоил 10% от недельной зарплаты гражданина страны, а Лос-Анджелесская вертолетная компания (LAA, Калифорния) применяла до 1971 года модель вертолета Sikorsky S-76C, вмещающую 28 человек, – настоящая летающая маршрутка [3].
Поездка обходилась в ($80 по курсу 2023 года. Потому клиентами были обеспеченные предприниматели, политики и богатые туристы.
Воздушный транспорт – не новая идея для такси и частных перевозок. Вертолёты и даже дирижабли давно используют в Европе и США. Компании и частные лица, имеющие достаточный капитал, пользуются вертолётами, почти как такси, с 70-х гг. ХХ века. Сервис воздушного такси в постоянном (не тестовом) режиме запустили в Лос-Анджелесе, Далласе и Мельбурне (Австралия). Программа, названная Uber Air (Австралия), по замыслу разработчиков, обеспечит перелёты между пригородами и внутри городов.
Современные реалии
Первым проектом Uber (2019 г.) стал трансфер из аэропорта в Нью-Йорк. Компания Joby анонсировала аэротакси быстрым и доступным, но поездка на метро в Нью-Йорке оказалась на 3 минуты быстрее и на $223 дешевле. Тем не менее у проектов аэротакси есть ряд нерешённых проблем, а кое-где и сопротивление общественности, обеспокоенной безопасностью воздушного пространства и вопросами его регулирования. Федеральное управление гражданской авиации FAA (США) разработало глобальный план развития воздушного такси к 2028 году [3].Так, в 2022 году на базе Университета Северного Техаса протестирован первый воздушный коридор в рамках проекта беспилотного аэротакси, а в 2023 году в аэропорту Гринпорт (Техас) продемонстрировали выставочный зал для моделей eVTOLs. Также планируется создать «зелёный» вертопорт/дилерский центр для электрических вертолетов с нулевым уровнем вредных выбросов (рис. 1).
Расположение зданий и потоки воздуха, особенности порывов ветра в определённых районах влияют на возможности размещения и эксплуатации вертодромов. Развитие направления зависит от возможности построить и эксплуатировать сотни площадок посадки-высадки в мегаполисах и пригородах. Пока для вертодромов выбирают специальные точки на местности, учитывая, что внезапные порывы ветра создают угрозу для безопасности аэротакси и могут привести к нештатной ситуации.
Электровертолёты eVTOLs
С применением eVTOLs (Electric Vertical Takeoff and Landing) небольшие воздушные суда на электрической тяге с возможностью вертикального взлёта и посадки приблизились к гибриду самолёта, вертолёта и мультикоптера. Устройства, управляемые человеком, в том числе с функцией автопилот имеют особенности: оснащаются электрическим приводом и отличаются использованием мощных литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторные батареи – главный компонент электрической силовой установки для eVTOL. Поэтому перспектива аэротакси во многом зависит от прогресса в производстве литий-ионных АКБ. В 2023 году уверенная (с запасом) дальность полёта имеющихся моделей пока ограничена; в сравнении с классическим вертолётом она составляет примерно 80 км вместо 800 км [2].Однако есть преимущество: вертикальные взлёт и посадка позволяют экономить энергию и использовать даже небольшие пространства (крыши домов, морские и наземные платформы и небольшие площадки), что особенно актуально в мегаполисах. В основе конструкторской мысли – управление с помощью пропеллеров и несущих винтов, статичных и наклоняемых для достижения манёвренности. Поэтому устройства для перевозки людей и грузов стали называть электровертолётами, условно бесшумными из-за применения электродвигателей. Более того, станции для зарядки аккумуляторов используют электричество из возобновляемых источников. Крайне важен и параметр «плотность энергии аккумулятора» (Вт·ч/кг) – условная энергоёмкость при определённых массе и объёме. Чтобы выдерживать конкуренцию с привычными видами авиатранспорта, устройства eVTOLs используют относительно лёгкие аккумуляторы с высокой плотностью. Это позволит преодолевать расстояние по воздуху без подзарядки и повысить вместимость транспорта. Одним из ключевых факторов развития «воздушного такси» заявляется доступность и стоимость перелётов до $10 за 1 милю (1,61 км). Именно поэтому дороговизна услуг зависит от цен на аккумуляторы, стоимости инфраструктуры вертопортов и оборудования для зарядки электровертолётов. Если плата будет слишком высока, воздушное такси может остаться привилегией для миллионеров. Инфраструктура типичного вертопорта представлена на рис. 2.
Некоторые модели электровертолётов
Известной и перспективной в вопросах сертификации оборудования является компания Joby Aviation из Калифорнии (США, основатель компании – Джобен Бевирт), выкупившая наработки Uber в 2020-м. С момента основания в 2009 году Uber Elevator занимались разработкой литий-ионных аккумуляторов и электродвигателей. На рис. 3 представлен вид электровертолёта Joby S4.Электровертолёт рассчитан для полёта на расстояние до 240 км без подзарядки и развивает скорость до 320 км/ч, имея небольшую вместимость: 4 пассажира. «Плотность» АКБ для силовой установки – 300 Вт·ч/кг, она охлаждается с помощью специальных пластин, установленных между элементами (рис. 4).
Компания Archer Aviation (Калифорния, США) уже подписала контракты по развитию инфраструктуры аэротакси с Японией и Южной Кореей. Имеются собственные разработки электровертолёта Midnight (рис 5). Технические характеристики таковы: до 160 км без подзарядки при максимальной скорости 161 км/ч. Отличительное преимущество – подзарядка между полётами, которая должна составить 10 минут. Салон вмещает 4 пассажиров [3].
О необходимости и реализованных проектах «быстрых» ЗУ следует сказать особо. В устройстве адаптера зарядки используются мощные транзисторные ключи со сверхмалыми остаточными напряжениями, отдающие излучательную индукционную мощность 15–20 кВт / 200 МГц / 200 В. Проблема решается применением мощных GaAs MOSFET с напряжением 400–600 В, работающих в импульсном режиме с длительностью меньше 0,1…0,5 мкс с мультифазным параллельным включением (режим «наложенной» скважности), по существу, это индукционная ВЧ блок-плита с ВЧ-индуктором. Мощные СВЧ MOSFET-ключи с «циклоидными» GaAs SBD отличаются тем, что носители заряда движутся в твердотельно-вакуумном межфононном пространстве по спирали, избегая фононного или электронного рассеивания (улучшение подвижности электронов µn). Такие элементы – относительно новое техническое решение, они реализуются на кристаллах GaAs с квантово-точечными магнитными центрами на основе атомов лантаноидной группы таблицы Менделеева [5].
Конкуренцию Joby и Archer Aviation составляют и другие компании, специализирующиеся в области воздушного транспорта:
- Supernal (Вашингтон), дочерняя компания Hyundai Motor Group, применяющая в конструкции аэротакси термопластичный углеродный композит;
- Wisk Aero (Калифорния), купленная Boeing и представившая уже 6-й прототип аэротакси;
- EHang (Нью-Йорк) принадлежит КНР и развивается на азиатском и американском рынках.
Таким образом, частные и малые воздушные суда становятся более манёвренными, быстрыми и удобными. Однако повсеместный запуск сети аэротакси встречается с проблемами не только в технической, но и в правовой областях. Немаловажным критерием служит мнение общественности (особенно в США, где протестующие жители Сан-Франциско бойкотировали автобусы Google). Относительно привычных вертолетов eVTOLs довольно тихие, но на малых высотах шум будет слышен на земле, что потенциально может разозлить жителей и без того шумных городов. Кроме того, разработчики активно развивают идею с автоматическим управлением воздушного транспорта: не каждый согласится, чтобы у него над головой летали «вертушки» без пилотов. Недоверие к новому виду транспорта может возникнуть и из-за устоявшейся репутации вертолётов. Уязвимым местом являются поверхности для посадки-высадки: компании планируют использовать крыши промышленных и жилых строений, что не вполне безопасно. Показательный пример – катастрофы с участием вертолёта упомянутой выше компании LAA в Нью-Йорке в 1968 и 1977 годах сломанная стойка шасси привела к опрокидыванию вертолёта на крыше, некоторые жертвы были изрезаны лопастями. Шанс выжить в вертолетной аварии оценивается как низкий – не более 50%. Для автомобилей принимают к сведению количество аварий в расчёте на километры и мили, для вертолетов – на налётанные часы. В России вертолёты тоже считают небезопасным видом транспорта. Тем не менее в коммерческих перевозках случается гораздо меньше аварий, чем в частных, даже если учитывать статистику (США), свидетельствующую о том, что вертолеты в 85 раз (!) опаснее наземного транспорта. При этом воздушное логистическое пространство загружено намного меньше наземного и подземного (метро). К слову, Ларри Пейдж, сооснователь Google, свой проект воздушного такси Kittyhawk закрыл.
Доверие, безопасность и сертификация
Проблематика сертификации воздушных судов и их отдельных компонентов, а также урегулирование безопасности – актуальная повестка для аэротакси. Сертификацией воздушного транспорта в США занимается Федеральное управление гражданской авиации – FAA. Изначально воздушные суда приравнивались к «малой авиации», сейчас же для них внедрили специальную категорию. Европейское агентство по безопасности полётов EASA опережает американцев: правила и руководства сертификации относительно годности, лицензирования пилотов и эксплуатации eVTOLs выпущены еще в 2020-м [2]. Эксплуатация летательных аппаратов на высотах до 500 метров в процессе урегулирования и сертификации и создание необходимой правовой и технической инфраструктуры при лоббировании своих интересов заинтересованными сторонами займёт немного времени. Управление гражданской авиации США уже выпустило временные требования к безопасности полётов рассматриваемого сегмента воздушных судов и заканчивает проектирование сертификации eVTOLs. Для развития отрасли аэротакси необходимо совершенствовать следующие направления:- авиационным регуляторам потребуются новые системы управления воздушным движением и регламент полётов, чтобы контролировать воздушную логистику (рейсы);
- разработать правила движения транспортных средств как гарант безопасности в небе и на земле;
- необходимо создать системы предотвращения опасного сближения (подобно TCAS для самолётов) и снабдить ими пилотируемые летательные аппараты, а также БПЛА. Последние могут стать потенциальной угрозой безопасности из-за доступности и маленьких размеров [4].
Другие пилотные проекты
Пилотный проект Lyte Aviation (Великобритания) вышел на рынок авиаперевозок с оригинальной разработкой: полноценным 44-местным самолетом с 8 традиционными ДВС, но с вертикальным взлётом и посадкой за счёт поворотных крыльев. Крейсерская скорость превысит 1000 км/ч, а дальность действия – 300 км. В будущем этот летательный аппарат планируют усовершенствовать, снабдив его водородно-электрической силовой установкой. Цена аппарата в предварительных заказах – около €40 млн. На рис. 7 представлено изображение 44-местного электросамолёта SkyBus [8].Условно вытянутый корпус хромированного бизнес-джета с двумя парами недлинных крыльев спереди и сзади. На крыльях расположены средних размеров двигатели, по 2 на крыло – всего 8. Они выглядят небольшими для самолёта такого размера. Для вертикального взлёта и посадки крылья поворачиваются вместе с пропеллерами вверх, и как только SkyBus оказывается в небе, они принимают горизонтальное положение и разгоняют аппарат до крейсерских скоростей. Уровень мощности силовой установки – 3500–5000 л. с. Похожие проекты предлагали разработчики других зарубежных фирм, но эффективное решение проблемы управления в условиях сильных порывов ветра, толкающих воздушные потоки в вертикально стоящее крыло, во время взлёта или посадки найдено не было. Это действительно проблема современных разработок: как справиться с порывами ветра на высоте и в полете, исключить и минимизировать эффект «парусности». Исходя из последних анонсов, инженеры компании Lyte Aviation значительно продвинулись в решении этой актуальной проблемы.
Приведём другой достойный внимания пример. Калифорнийская компания Universal Hydrogen начинала как поставщик водородного топлива, а затем занялась переоснащением самолётов, летающих на типичном топливе, авиационном керосине, в экологически чистый воздушный транспорт. «Бомбардье Дэш-300» – региональный пассажирский самолёт с уникальной гибридной конструкцией силовой установки – тому пример. eVTOL Hyundai начнут летать в США в 2024 году и серийно производиться к 2028-му. Аппараты разработаны для полёта с крейсерской скоростью 190 км/ч и вмещают кроме одного пилота 4 пассажиров.
Перспективы развития современных электрических систем в аэротакси
Предусматривается создание системы миллиметровой и субмиллиметровой локации, навигации, связи, пока не имеющей аналогов в мировой практике [4], [5]:- оснащение бортовой сверхэнергоплотной силовой электроникой (IPM до 20 кВт/дм³);
- СВЧ ВИП для бортовых терагерцевых цифровых систем (с плотностью до 100 кВт/дм³) с высоким КПД;
- оснащение бортовым терагерцевым (бит/с) фотонно-фононным CPU;
- микроклимат для Li-батарей в условиях зимнего сезона;
- приборы ночного и теплового видения – днём и ночью;
- солнечная бортовая батарея с КПД от 28–30% (до 400 Вт/м²);
- мультифазные асинхронные электродвигатели, в том числе IPM-асинхронный электропривод;
- наличие (кроме ТГц-радаров) сверхмалогабаритных видео- и ИК-камер обзора местности.
до +400°С:
- навигационная система – как спутниковая, так и маячковая;
- аэротакси разрабатывается с проектной скоростью до 500 км/ч (на асинхронных мультифазных электродвигателях).
- обледенение – невысокая грузоподъёмность делает нецелесообразным размещение на борту противообледенительной жидкости;
- электрическое замыкание в условиях повышенной влажности;
- возгорание АКБ;
- возможная потеря мощности силовой энергоустановки во время полёта.
В мире насчитывают более 100 проектов, связанных с перспективным проектом Advanced Air Mobility, что говорит о заинтересованности не только инвесторов, но и государств. Так, разрешение на тестовые полеты для Volocopter выдала Саудовская Аравия: серия испытаний длилась 1,5 года и успешно завершена на северо-западе Королевства в июне 2023 года. Ведутся работы и разработки условно лёгких альтернатив тяговым аккумуляторам, которые в настоящее время составляют до 40% взлетной массы электролётов. Таковы вкратце задачи, проблемное поле и решения для нового авиаприборостроения в области радиационно-стойкой, гиперчастотной, высокотемпературной и силовой электроники.
Дирижабли на электротяге, или Половина «Гинденбурга»
Дирижабли – особый вид воздушного транспорта, способного быть как пассажирским, так и грузовым. Они использовались в военных, промышленных и коммерческих целях с первой декады ХХ века. Современные дирижабли наполняют условно безопасным газом, инертным гелием, а не легковоспламеняющимся водородом, как печально известный «Гинденбург», имевший длину 245 м. А инновационные технологии открывают электрическим дирижаблям новые перспективы.Общее в дирижаблях и их различия
По общему определению, дирижабль, или управляемый аэростат, – вид воздушного судна, снабжённого силовой установкой и способного передвигаться в заданном направлении с условно значительной скоростью в большом диапазоне высот. Кроме оболочки, гондол и двигателя в конструкции классического дирижабля предусмотрена гравитационная (пассивная и активная в разных моделях) и аэродинамическая системы управления ориентацией и стабилизацией аппарата. Пассивная гравитационная стабилизация осуществляется по тангажу и крену даже при нулевой скорости полёта, если гондола (гондолы) установлена ниже (в нижней части оболочки). Таковы примеры аппаратов-анахронизмов эпохи моделей ZR‑1 «Шенандоа» на причальной мачте, ZR‑3 «Лос Анджелес», LZ 126 (Германия) на тросовом причале, USS Macon ZRS-5 (США) для старта с авианосца. В таких дирижаблях «мягкого» форм-фактора неизменяемость внешней формы достигалась избыточным давлением несущего газа, постоянно поддерживаемым баллонетами – мягкими ёмкостями. Чем значительнее расстояние между оболочкой и гондолой, тем больше устойчивость аппарата к внешним воздействиям. Активная гравитационная стабилизация и ориентация обеспечивались горизонтальным перемещением вдоль продольной оси аппарата балластного груза [6].Отсюда справедливо мнение, что чем жёстче конструкция дирижабля, тем лучше и безопасней управляемость летательного аппарата. Такие воздушные суда классифицируются по форме: сигарообразные с уменьшенным лобовым сопротивлением (таких большинство); эллипсоидные – в виде эллипсоида (с уменьшенным сопротивлением боковому ветру); дисковые – в виде диска; линзообразные – в виде двояковыпуклой линзы; тороидальные – в виде тора, предназначенные для использования в качестве воздушного крана или воздушного стартового стола для ракет; V-образные. Кроме того, существуют варианты обычных монгольфьеров с мотогондолой, позаимствованной от парамотора.
Другой вид классификации по заполняющему газу и типу наполнителя рабочих объёмов оболочки дирижабли: газовые дирижабли, использующие в качестве несущего газ с плотностью меньшей, чем плотность окружающего атмосферного воздуха, при равных температуре и давлении; тепловые дирижабли, использующие в качестве несущего газа нагретый воздух, плотность которого из-за этого меньше окружающего оболочку воздуха, но температура внутри оболочки значительно выше температуры атмосферного воздуха; вакуумные дирижабли, в которых оболочка вакуумирована (внутри разреженный воздух); комбинированные дирижабли, к примеру, аэростаты типа «розьер».
Дирижабли, изготавливаемые и эксплуатируемые до настоящего времени, различаются по типу оболочки: мягкие, полужёсткие, с жёстким каркасом. По типу силовой установки: с паровой машиной, с бензиновым двигателем, с электродвигателем, с дизелями, с газотурбинным двигателем. По типу двигателя: крыльевые, с воздушным винтом, с импеллером, турбореактивные и, в настоящее время, двухконтурные аппараты. По назначению: пассажирские, грузовые и специальные (в частности, военные). По способу создания архимедовой силы: наполнением оболочки газом легче воздуха, подогревом воздуха в оболочке (термодирижабли и термопланы), вакуумированием оболочки, комбинированные.
По способу управления подъёмной силой условно пассивные летательные аппараты различались системами стравливания газа и управления его нагревом, закачкой/стравливанием балластного воздуха, сжатием и закачкой газа в металлические баллоны и стравливанием подъёмного газа из металлических баллонов в рабочие балонеты, изменяемому вектору тяги силовой установки, что давало аэродинамические преимущества в сравнении с воздушными шарами. Аэродинамическая стабилизация и ориентация аппарата обеспечивается по тангажу и рысканию (курсу) при помощи хвостового оперения (аэродинамических стабилизаторов и рулей) в условиях значительной скорости горизонтального полёта. При незначительной скорости полета эффективность аэродинамических рулей в дирижаблях «прошлых поколений» признана недостаточной для обеспечения хорошей манёвренности аппарата. На дирижаблях ХХI века применяется активная автоматическая система ориентации и стабилизации по трём строительным осям, где в качестве исполнительных органов системы применяются поворотные винтовые движители (в кардановом подвесе).
Тепловой дирижабль мягкой системы серийно производился в Германии и Франции с 1910 года. Строившиеся в 1930-х годах ХХ века дирижабли с жёстким каркасом выглядели как гигантские воздушные корабли с дальностью беспосадочного полета до 15 000 км, с полезной нагрузкой до 90 тонн (полный вес около 200 тонн). По сравнению с самолетами дирижабли обладают преимуществом: возможностью оставаться над определённой областью.
В условиях несильных воздушных потоков (скорости ветра) они могут держаться в воздухе без затрат горючего, остановив двигатели.
На рис. 8 представлен вид изнутри ресторана на борту дирижабля «Гинденбург» Luftschiff Hindenburg (LZ-129), Speisesaal.
Новая эра экологически чистых воздушных перевозок «большегрузов»
У современных дирижаблей воздушный винт применяется в качестве рулевого винта. Для сведения, на рис. 9 показан кормовой пропеллер дирижабля «Zeppelin NT» производства ФРГ. Этот аппарат эксплуатируется в Германии с 2010 года. Обратим внимание на то, как расположены винты в хвостовой части аппарата: перпендикулярно друг другу. Именно с помощью такой системы создаётся управляемый электрической тягой аналог руля высоты и горизонтального руля.На рис. 10 представлен вид на пропеллерную систему управления воздушными винтами GR-SK.
Аналогичных аппаратов в разных странах мира несколько сотен, и их количество растёт. В России на авиасалоне «МАКС-2007» был представлен дирижабль отечественного производства, который так и хочется назвать аэростатом (рис. 11).
На рис. 12 представлен вид на панель управления AU-30.
На рис. 13 представлен вид новейшего дирижабля на электротяге Pathfinder-1.
Дирижабли занимают особую нишу в транспортной архитектуре, не являясь аналогами самолётов и вертолётов хотя бы из-за способа передвижения и скорости. Особенность современных дирижаблей в том, что они оснащаются силовыми установками для вертикального взлёта на электротяге, а также электродвигателями для горизонтального полёта с регулируемым углом наклона приводов винтов. К примеру, для вертикального взлёта и посадки дирижабль Pathfinder-1 оснащён 12 электродвигателями, которые питаются от дизельных генераторов и аккумуляторов. А его длина 124,5 метра. Ожидается, что дирижабль сможет развивать максимальную скорость в 120 км/ч. В испытательных полётах он будет летать медленнее. Как и другое лётное современное оборудование, рассмотренное в обзоре выше, электрический дирижабль обладает «нулевыми выбросами» углекислого газа и соответствует «высшему экологическому классу», а также вписывается в концепцию сохранения мировых экосистем [7].
8 ноября 2023 года компания LTA Research начала лётные испытания электрического дирижабля Pathfinder на аэродроме NASA Моффетт. Аппарат создан с использованием новейших технологий. Для заполнения дирижабля гелием используются 13 больших отсеков из нейлонового материала, контролируемых с помощью лазерных электронных датчиков. Нетипичный летательный аппарат имеет жёсткий защитный каркас, обтянутый лёгким синтетическим материалом Tedlar, состоящим из 10 000 полимерных труб, армированных углеродным волокном и соединённых при помощи 3000 титановых втулок. Tedlar – материал из космической отрасли, обеспечивает и прочность, и защиту от внешних воздействий, нагрева атмосферы. Целых 12 электродвигателей с питанием от дизельных генераторов и аккумуляторов обеспечивают летательному аппарату вертикальный взлет и посадку. На рис. 14 представлен вид на каркас дирижабля Pathfinder.
Особенности электрического дирижабля Pathfinder-1
Несмотря на то что Pathfinder, оснащённый жёстким типом каркаса, инновационными электронными системами навигации и управления электродвигателями, создан с амбициозной целью представить альтернативу традиционным средствам транспорта, газ находится внутри каркаса в баллонах из газонепроницаемой материи. Наполняемость (суммарный объём баллонов) – 28 300 м³ гелия, который находится в прочной полимерной оболочке, не боящейся воздействия солнца, высоких и низких температур, что даёт новые возможности применения вместительного летательного аппарата в разных широтах с различными температурными условиями окружающей среды. В начале сентября 2023 года Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) выдало Pathfinder-1 специальный сертификат лётной годности. Сертификат разрешает проведение испытательных полётов в районе Моффетт-Филд и аэропорта Пало-Альто над южной частью залива Сан-Франциско. Первые 50 полётов позволят дирижаблю подниматься до максимальной высоты 460 м. Экспериментальный сертификат FAA для Pathfinder действителен до сентября 2024 года [7]. Pathfinder-1 способен перевозить 4 тонны груза, помимо экипажа, водяного балласта и топлива. Во время полётов 2 пилота находятся на борту для обеспечения максимальной безопасности управления и испытаний, хотя дирижабль может управляться одним человеком благодаря автоматизации.Перспективы развития электродирижаблей
Дирижабли с «нулевыми» выбросами углекислого газа в ближайшем будущем займут важное место в транспортной системе, в том числе для оперативной доставки гуманитарной помощи, особенно в случае стихийных бедствий, таких как землетрясения и ураганы. В то же время грузовым дирижаблям необходима ещё бо́льшая грузоподъёмность. Новейшие разработки реализуются с использованием технологий с нулевыми выбросами углерода, таких как водородные топливные элементы. В отличие от современных, крупные классические дирижабли ХХ века не были приспособлены к посадке на необорудованную площадку, и в этом смысле вертолёт в сравнении с дирижаблем имел преимущества. Ранее эксплуатационные ограничения были обусловлены несоизмеримостью управляющих воздействий и ветровых возмущений из-за недостаточной манёвренности. В третьем десятилетии XXI века дирижабль с электрическими силовыми установками способен взлетать и приземляться в автоматическом режиме вертикально, что улучшает его ТТХ в сравнении с ранними моделями. По сути, мы имеем дело с медленным вертолётом, но с улучшенными системой безопасности и навигации, вместимостью, тоннажем (грузоподъёмностью) и в целом – с лучшей управляемостью. Отдельное направление развития технической мысли – беспилотные электрические дирижабли с дистанционным контролем управления и несколькими дублирующими (для безопасности) системами автоматического управления, взлёта и посадки. Это даёт возможность их использования даже на ограниченном пространстве и в крупных населённых конгломерациях. Так, в соответствии с долгосрочными планами по созданию семейства дирижаблей, компания LTA разрабатывает более крупный дирижабль Pathfinder-3. Технологией создания современных дирижаблей и новыми материалами интересуются такие компании, как Google и Amazon. Дирижабли на электрической тяге с подзарядкой от возобновляемых источников энергии, ветра и солнца – новая веха в истории воздушной техники. Размеры, грузоподъёмность и мощные электрические двигатели делают аппараты уникальными в сравнении с другими воздушными судами с силовыми электрическими установками и открывают новые горизонты возможностей в области специального транспортного (военного) применения, туристических путешествий и коммерции.В ближайшем будущем произойдёт революция в авиации, аналогичная той, которая случилась с пассажирскими лифтами и мобильными телефонами. Мировой рынок потребует сотни тысяч летательных аппаратов. Важно быть готовыми к растущему спросу на этот тип транспорта.
Литература
- Harris M. EXCLUSIVE: Google Founder’s Airship Gets FAA Clearance Sergey Brin’s Pathfinder 1 can now take to the skies // URL: https://spectrum.ieee.org/lta-airship-faa-clearance.
- Electric Air Mobility has Landed vertically // URL: https://www.archer.com/midnight.
- Аэротакси // URL: https://habr.com/ru/companies/first/articles/764780/.
- Бекмачев А. Летать? Легко! Датчики KTP для беспилотников // URL: https://www.soel.ru/online/letat-legko-datchiki-ktp-dlya-bespilotnikov/.
- Гордеев А. Техника России ближайших лет: «вечно летающие» дроны, кубсаты, мини-спутники на основе «параллельной» электроники // Современная электроника. 2023. № 5. URL: https://www.soel.ru/online/tekhnika-rossii-blizhayshikh-let-vechno-letayushchie-drony-kubsaty-mini-s....
- Смирнова Е. Начались лётные испытания 124-метрового электрического дирижабля Pathfinder-1 // URL: https://hightech.plus/2023/11/09/nachalis-pervie-letnie-ispitaniya-124-metrovogo-elektricheskogo-dir....
- Новинка от Сергея Брина: дирижабль Pathfinder-1 для гуманитарных миссий готов к лётным испытаниям // URL: https://www.ixbt.com/news/2023/10/28/novinka-ot-sergeja-brina-dirizhabl-pathfinder-1-dlja-gumanitarn....
- Сайт аэрокомпании Aopa // URL: https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/2023/april/pilot/joby-s4-coming-to-you-in-2025.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
