Будущее летательных аппаратов с электрическими силовыми установками

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.

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.

Идеей аэротакси «загорелись» не только американцы. В Германии разработкой eVTOLs занимаются стартапы Lilium с пятиместным Lilium Jet и eVolo с Volocopter, отличившимся оригинальным конструкторским решением, делающим аэротакси похожим на дрон за счёт корпуса в виде осы, поверх которого установлена круглая рама с лопастями (рис. 6).

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].

Обеспечить безопасное движение в городе помогут электронные датчики: оптические и ИК-диапазона. Они позволят обнаруживать здания, стаи птиц, другой транспорт и молниеносно передавать информацию системе контроля и навигации. Непредвиденные обстоятельства, такие как изменение погоды, направления ветра, воздушный трафик, должны распознаваться и отрабатываться программным обеспечением бортовых компьютеров. Но управление не будет совершенным без отлаженной системы связи между транспортными средствами и наземными пунктами. К слову, такой стандарт радио- и интернет-связи для аэротакси в октябре 2023 года разработали в Университете Северного Техаса. Вероятно, грузоперевозки при помощи электролётов получат широкое распространение раньше, чем перевозка людей, ибо к новому типу воздушного транспорта относятся недоверчиво. Но очень скоро производство летающих такси разовьётся, и в крупных городах они станут привычным элементом инфраструктуры.

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.

Аэротакси, как «летающее крыло» с меняющимся вектором тяги электродвигателя, в том числе с вертикальным взлётом, должно обеспечивать работоспособность при температуре окружающей среды до +200°С, в перспективе – 
до +400°С:

• навигационная система – как спутниковая, так и маячковая;
• аэротакси разрабатывается с проектной скоростью до 500 км/ч (на асинхронных мультифазных электродвигателях).

Ряд проблем безопасности, с которыми столкнутся eVTOLs:

• 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.

Привлекательные для инвесторов и пользователей программы опираются на отсутствие сильного шума, выхлопов в окружающую среду, потребление меньшего количества энергии (относительно вертолетов с ДВС) и снижение затрат на техническое обслуживание. Внедрение автопилота – ещё один важный элемент безопасности управления полётом. 

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

1. 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.
2. Electric Air Mobility has Landed vertically // URL: https://www.archer.com/midnight. 
3. Аэротакси // URL: https://habr.com/ru/companies/first/articles/764780/.
4. Бекмачев А. Летать? Легко! Датчики KTP для беспилотников // URL: https://www.soel.ru/online/letat-legko-datchiki-ktp-dlya-bespilotnikov/. 
5. 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.... 
6. 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....
7. 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....
8. Сайт аэрокомпании Aopa // URL: https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/2023/april/pilot/joby-s4-coming-to-you-in-2025. 

© СТА-ПРЕСС, 2024