engineering_ru | Аэротакси...

lazy-flyer.livejournal.com posting in

Не только лишь все знают, что идея массового использования всяких беспилотных аэротакси невыносимо будоражит умы всякой масти проходимцев от авиации. Я не раз и не два публиковал издевательские записи по этой теме, но не специалисту понять суть проблемы весьма сложно. И случилось чудесное - человек написал статью на пальцах показывающую всю бредовость модных успешных стартапов.

А скоро ли в небо?

Последние 10 лет происходит бум венчурного инвестирования в сферу аэротакси и прочего летающего транспорта. Большинство аппаратов не похожи ни на вертолет, ни на самолет – конструкторы придумывают свои новые "прорывные" схемы.
Все мы ждем, что еще чуть-чуть и каждый сможет перемещаться по городам без пробок, платя разумные деньги. Но пока проекты один за другим поднимают новые раунды финансирования, реальные полеты в черте города переносятся. Каждый год нам говорят нужно всего 24 месяца и свершится революция, но этот срок не меняется с течением времени.
Тогда все ли в порядке с этой технологией или это очередной пузырь?
Давайте вместе разберемся с точки зрения физики в этом непростом вопросе.

В мире существует уже сотни разнообразных проектов летательных аппаратов, направленных на решение задач аэротакси. Большинство из них можно увидеть по этой ссылке.
Авторы проектов заявляют, что именно наш новый тип ЛА — это эффективно, бесшумно, просто, дешево, быстро, экологично и безопасно. Они заявляют, что все, что есть в современной авиации устарело, а новые концепции изменят мир.
В этой статье мы поговорим про такой параметр как эффективность.
А если статья зайдет, то в следующей поговорим про прочие параметры и особенности.

Эффективность

Почему эффективность так важна? Эффективность – это разумное расходование энергии. Чем меньше энергии ЛА потребляет, чтобы выполнить полезную работу – тем лучше. Если мы используем ДВС – эффективность позволяет сделать ЛА экономичным и экологичным. А если мы используем электроэнергию — эффективность позволяет продлить время полета. В нашем случае под эффективностью можно поднимать значение потребляемой мощности ЛА (энергии на единицу времени), которое требуется на поддержание полета.
Есть всего три способа заставить что-либо управляемо перемещаться в воздушном пространстве: аэростатический, ракетный и аэродинамический.
Первые два нам не интересны – дирижабли слишком громоздки, чтобы использовать их как персональный транспорт в городской среде, а ракеты слишком шумны, опасны и прожорливы.
Поэтому любое аэротакси использует аэродинамический принцип полета.

А все аэродинамические ЛА летают по одному принципу: аэродинамическая поверхность проходит сквозь воздушную среду и создает аэродинамическую силу. Этой поверхностью может быть крыло самолета или винт вертолета (лопасть которого по сути и есть такое же крыло, только вращающееся).
Очень упрощенно аппарат летает за счет того, что воздух отбрасывается вниз, тогда как что-то (вес ЛА) по третьему закону ньютона должно противодействовать вверх. Такая модель называется импульсной – мы создаем импульс воздушной массе, и получаем противоположный импульс, создающий ту самую подъемную силу. Пока тут все очевидно и понятно.
Тогда почему я утверждаю, что все аэротакси неэффективны аэродинамически?

Во-первых, нужно понять, какие задачи стоят перед аэротакси: оно должно вертикально взлетать и садиться, а также летать с поступательной скоростью, желательно быстро. И первую из задач аэротакси выполняет исключительно за счет винтов, а значит чтобы разобраться в эффективности, нам необходимо понять за счет чего тот или иной винт приобретает свою эффективность. А чтобы это понять, нам нужна какая-то теоретическая база и та база, которая была разработана для винтов вертолета нас вполне устраивает. К тому же квадрокоптеры и мультикоптеры – являются лишь частным случаем вертолетов (винтокрылых летательных аппаратов).

Диаметр винта – это самый важный параметр влияющий на эффективность!
КПД винта напрямую зависит от отношения массы ЛА к площади винта, то есть площади сечения через которой воздушная масса проходит. Иными словами: тем меньше энергозатраты, чем больше диаметр винта. Один большой винт – всегда лучше нескольких, но меньшего диаметра. Этот параметр в авиации называется "удельная нагрузка на ометаемую площадь несущего винта" и это основной параметр для винтокрылых летательных аппаратов.
При этом тут действует закон четвертой степени. Так винт в 2 раза большего диаметра будет потреблять в 16 раз меньше энергии.
Почему так?
Используя достаточно простые теоретические модели, мы можем увидеть, что тяга винта создается за счет массы отбрасываемого воздушного потока на единицу времени – та самая импульсная теория о которой я говорил выше.
Очевидно, чтобы создать подъемную силу мы можем "прогнать" воздушную массу через любое сечение, но с различной скоростью. Представим, что у нас есть некоторое сечение S для создание подъемной силы нам необходимо прогнать воздушную массу через это сечений с некоторой скоростью u, а если мы уменьшим площадь сечения в два раза S/2, то нам потребуется прогнать воздушную массу с удвоенной скоростью 2u. Теперь давайте вспомним школьную физику и посмотрим на формулу, по которой рассчитывают кинетическую энергию

Сразу становится видно, что для увеличения скорости воздушного потока в 2 раза нам потребуется в 4 раза больше энергии.
А теперь, мы учтем, что площадь круга считается по формуле:

В конце концов мы легком можем посчитать, что увеличение диаметра винта в 2 раза даст нам в 4 раза большую площадь сечения, следовательно нам потребуется в 4 раза уменьшить скорость воздушного потока, а это в свою очередь в 16 раз изменит тягу (так как 4 в квадрате дает 16), следовательно уменьшит итоговые затраты энергии.
Итак, мы закрепили, что ометаемая площадь – это самая важная характеристика ЛА, способного к вертикальному взлету.
Посмотрите на планера – они могут часами парить в воздухе именно по этой причине: у них огромные крылья и к ним справедлив такой же принцип – отбросим большую массу воздуха с меньшей скоростью – это лучше, это в значительной степени влияет на качество планера.

Да и рекорд, когда человек взлетел на мускульной силе был установлен только потому, что в сравнении с массой "пилота-велосипедиста" диаметры винтов были просто огромны!

Безусловно, описываемая мною модель в этой статье является очень упрощенной и в реальности существует множество параметров и условий, которые влияют на тягу несущего винта, но все, кто захотят глубже погрузиться в тему могу почитать учебники по теории вертолетов, чтобы ознакомиться глубже с описываемой задачей, в рамках же научно-популярной статьи просто невозможно раскрыть все нюансы и детали. Также нужно учитывать, что инженеры-конструкторы не могут увеличивать винт до бесконечности, на практике всегда выбирается некоторый оптимальный и компромиссный вариант для диаметра винта.
Но те не менее, даже простая модель позволяет понять, что единственный верный способ поднять эффективность винта ЛА на режиме висения, вертикального взлета и посадки – это увеличить его площадь. Какой ты винт не поставь, какие лопасти не впихни – не важно. Важна лишь площадь. 80% тяги вертолета – это оптимизация именно параметра по диаметру винта и только 20 тяги добивается оптимизацией параметров лопастей и прочими ухищрениями. Поэтому можно поставить хоть деревянные доски вместо лопастей — все равно тяга будет.

Давайте проведем небольшие расчеты и посмотрим, что получается.
Допустим мы имеем вертолет с определенным диаметром винта и пытаемся вписать в его габариты четыре винта меньшего диаметра (квадрокоптер). Мы получим в 1,4 меньшую ометаемую площадь, как следствие энергозатраты возрастут в 3 раза!
А если мы заходим использовать такую же ометаемую площадь квадрокоптера как и у вертолета, то общие габариты придется увеличить в 1,2 раза. Что может быть критичным для габаритов летательного аппарата. Поэтому, чтобы эффективно взлетать (да и летать) — нужен 1 большой винт. Но посмотрите, что делают конструкторы сейчас:

Ометаемая площадь невелика, а значит энергонагрузка существенна.
В теории куда лучше с задачей эффективного использования энергии справляются системы, где винтов много-много, так как они равномернее заполняют площадь полезную площадь, чем всего 4 винта.

Но если мы имеем множество маленьких винтов – мы неразумно используем конструктивную массу ЛА, так как нам потребуется больше силовых конструкций, чтобы разместить все винты, а значит мы увеличим массу пустого аппарата и следовательно уменьшим массу полезной нагрузки. Поэтому один винт все равно лучше, чем множество мелких.
Кстати, расположение винтов друг на другом (соосная схема) — тоже не решение проблемы.
Во всех расчетах считается, что условно это один винт. Да у него есть некоторая прибавка к ометаемой площади, но она тем больше, чем дальше винты друг от друга и может быть двойной прибавкой только на расстоянии двух и более диаметров друг от друга. А если они находятся близко друг к другу, то все расчеты идут так, как будто у нас 1 винт, который всего на 4% эффективней несоосного винта (да и то при определенных условиях) и больше по ометаемой площади всего на 7%.

Также нужно учитывать прочие потери. Так для винтов, находящихся в одной плоскости еще есть эффект интерференции несущих винтов – если аппарат движется в горизонтальной плоскости (летит с поступательной скоростью), то задние винты находятся под влиянием передних винтов и работают менее эффективно, такие потери могут доходить до 10-15% для каждого из винта. Поэтому у вертолета Chinook задний винт находится выше переднего — таким образом конструкторы хотели уменьшить негативное влияние интерференции.
Также хочу отметить, что всякие инжекторы и все прочие системы улучшения тяги – это не решение проблемы.
Инжекторы могут незначительно улучшать параметры тяги на определенных режимах, но всего на проценты, никакой речи о двукратном росте эффективности не может идти и речи.

Прочие схемы

Окей, остались конвертопланы. Доводы изобретателей могут быть такие: ну да, мы неэффективны и жрем топливо (заряд батареи) тонной во время взлета и посадки, но этот режим короткий – а сам полет более продолжительный. Но тут тоже не все так просто.
Условно текущие предложенные конструкции конвертопланов можно разделить на 2 вида: где винты разворачиваются и где они складываются.
Если винты разворачиваются, пример — это V-22 Osprey.

Это самая дорогая летающая штука из всех с кучей сопутствующих проблем. А его винт – это компромисс: самолету нужны одни параметры, вертолету другие. Поэтому жрет он топливо как не в себя на любых режимах полета. Такие уникальные характеристикам нужны военным, где этот аппарат пришелся к месту и удачно справляется с поставленными задачами, но все это достигается ценой летного часа, которая на сегодняшний момент самая высокая среди всех винтокрылых летательных аппаратов, при чем разрыв не на проценты, а в разы. При этом Osprey – это наиболее удачная компоновочная схема – всего 2 винта на 1 ЛА. Если аппарат имел бы 4 винта, то задние винты также находились бы во влиянии передних и это также дало бы дополнительные потери, а значит – это неэффективное решение.

А давайте складывать? И снова нет, тут тоже не выйдет. Одно только капотирование шасси может увеличить крейсерскую скорость легкого ЛА на 15, а иногда и на все 25 км/ч. Пересчитав все потери, можно понять, что лучше оставить 2 больших поворотных винта как в Osprey и это будет лучшее решение из возможных.
Но лучше задать другой вопрос: есть ли вообще смысл в конвертопланах для цели транспортировки людей в городских условиях?
Любой ЛА — это компромис. В условиях городской среды, оптимальной скорость для ЛА будет диапазон 200-300 км/ч – скоростной диапазон легкой авиации. Легкий вертолет проигрывает легкому самолету в скорости всего в 1,5 раза при равном потреблении энергии. Да и то проигрывает, потому что вертолеты сейчас такие – неидеальные аэродинамически (все машины, продаваемые на рынке – это дети 70-ых годов). Теоретическая разница между двумя типами ЛА находится в пределах 33%: вертолет умеет вертикально взлетать и садиться, умеет зависать, но на 33% потребляет больше топлива на пройденное расстояние, чем самолет оснащенный равным по мощности двигателем, который может взлетать только с полосы.
Но конвертоплан будет плох как не крути с любой стороны для диапазона заданных нами скоростей. Его цель – это вертикальный взлет и быстрая скорость, за что приходится платить повышенным расходом на любом из режимов, стоимостью обслуживания и сложностью конструкции. Это нужно или военным или тем, у кого есть много лишних денег, что не является критерием аэротакси, где стоимость летного часа – один из самых важных параметров успеха. Если нам не нужна сверхскорость, то эта конструкция становится излишней.

Вертолет по своей эффективности в заданных скоростных критериях лучше чем любой из концептов представленных аэротакси – такова его природа и физика.
И если принципиальным было бы использование электротяги для полета, то именно вертолеты должны получить такой тип двигательной установки – потому что они смогут сделать большее, чем любой квадрокоптер. И такие эксперименты проводились.

Вертолет продержался в воздухе 30 минут, что значительно дольше времени полета рекордсменов-квадрокоптеров. Хотя и тут нужно учитывать, что из полезной нагрузки был всего 1 пилот, а дополнительный пассажир значительно уменьшил бы время полета.
Если бы вертолетные компании или венчурные инвесторы вкладывали такие же деньги в разработку новых вертолетов, аэротакси стало бы доступнее в ближайшие годы.

Максим Мещеряков (c)