Эффект Коанда, заключающийся в отклонении реактивной струи из сопла при обтекании криволинейной поверхности, известен с начала прошлого века. Его пытались использовать в самолетостроении, но только как вспомогательный инструмент, который сокращает длину необходимой для взлета полосы, уменьшает расход топлива или способствует лучшей управляемости.

Однако несколько лет назад родился проект грузового беспилотника SWAN, который взлетает, управляться и садится за счет этого и других аэродинамических эффектов, не используя поворотные сопла или иную механику.

Может показаться, что корпус грузового беспилотника SWAN — смелая фантазия дизайнера. Но это не так. Отправной точкой для развития концепта стала идея пространственного размещения двигателей, которая несколько лет назад пришла в голову руководителю проектной группы. После долгих дискуссий со специалистами по аэродинамике о том, каким должен быть грузовой беспилотник с таким принципом полета, на свет появилась футуристическая форма, которая, с одной стороны, обеспечивает большой полезный объем внутри корпуса, а с другой — реализует газодинамический принцип управления. Как выяснилось позже, она еще и в целях пиара неплохо работает, хотя, как говорится, ни один дизайнер при создании этой модели не пострадал.

Эффект Коанда как основной принцип

Движение грузового беспилотника SWAN построено на четырех аэродинамических эффектах, включая эффект Коанда — отклонение плоской струи газа из сопла вдоль криволинейной поверхности и «прилипание» к ней.

Эффект Коанда применяют в «Формуле 1» и даже в некоторых фенах для волос, но активнее всего его задействуют в авиастроении. Эксперименты по разработке самолетов, использующих эффект Коанда, проводили еще в середине прошлого века в США и других странах. Проекты, где этот эффект используют совместно с «классической» конструкцией самолета, были и в Советском Союзе — это самолеты, способные взлетать с коротких взлетно-посадочных полос и садиться на них (Ан-72 и Ан-74). Некоторые подробности этих проектов можно найти тут.

Военно-транспортный самолет Ан-72 на военно-морском параде в Санкт-Петербурге (2021). Струи газа из двигателей отклоняются по крылу вниз и создают дополнительную подъемную силу
Военно-транспортный самолет Ан-72 на военно-морском параде в Санкт-Петербурге (2021). Струи газа из двигателей отклоняются по крылу вниз и создают дополнительную подъемную силу

В проекте SWAN эффект Коанда вместе с другими аэродинамическими эффектами (эжекции, несимметричного обтекания входного устройства, экрана) используется и для создания подъемной силы, и для управления. Четыре турбины, расположенные по тандемной схеме, как бы по углам трапеции, формируют струи воздуха или газа. Они выходят из щелевидных сопел, обтекают поверхности композитного корпуса сложной формы, заходят под крылья на взлете и посадке, создавая тем самым подъемную силу и обеспечивая маневренность аппарата. 

Эффект работает настолько хорошо, что аппарат может вертикально взлетать и садиться, а при необходимости даже зависать в воздухе.

На одном из начальных этапов развития проекта для демонстрации принципов газодинамического управления группа собрала подъемно-тяговые модули и «летающую лабораторию» – этакую упрощенную модель со сходным размещением турбин, которая может совершать простейшие маневры.

Корпус «летающей лаборатории» с установленными турбинами
Корпус «летающей лаборатории» с установленными турбинами
Элементы подъемно-тягового модуля с турбиной для «летающей лаборатории», детали которого распечатаны на 3D-принтере
Элементы подъемно-тягового модуля с турбиной для «летающей лаборатории», детали которого распечатаны на 3D-принтере
«Летающая лаборатория», готовая к испытаниям
«Летающая лаборатория», готовая к испытаниям

«Летающая лаборатория» здорово помогла в изучении аэродинамики пристенных струй, формируемых соплами и протекающих по поверхностям фюзеляжа и крыльев. После нее был создан рабочий макет, который получил иной корпус, но идея, заложенная в его основу, та же. Это конструкция интегральной компоновки без движущихся частей, которая точно так же перенаправляет потоки.

Модель корпуса SWAN. На срезе показано, по какому каналу внутри корпуса будет двигаться струя воздуха
Модель корпуса SWAN. На срезе показано, по какому каналу внутри корпуса будет двигаться струя воздуха

В чем отличие от «классического» самолета или вертолета?

В крыльях и хвосте обычного самолета есть агрегаты, узлы, сотни деталей, которые обеспечивают его управляемость и приводятся в движение гидравликой и механикой. Все эти механизмы подстраховываются электрикой и электроникой, для чего реализована очень сложная система многократного резервирования.

В SWAN в этом всем необходимости нет. Все эти задачи решены при помощи четырех турбин. При этом SWAN тоже имеет свое «резервирование». 

Принцип движения позволяет закончить полет на трех двигателях, нейтрализуя последствия отказа за счет аэродинамической балансировки.

 В этом случае, правда, посадка будет с пробегом или при помощи парашютной системы.

От самолетов SWAN взял лучшее — возможность лететь с высокой скоростью на большие расстояния и сравнительно невысокую стоимость грузоперевозок. Как вертолет, SWAN может садиться вне аэродромов и взлетать где угодно вертикально по динамической кривой. Но при этом его эффективность полета намного выше. В отличие от вертолетов и квадрокоптеров, SWAN лучше приспособлен для работы в ограниченном пространстве, поскольку не имеет внешних винтов, которые могут зацепиться за соседние объекты.

Фактически SWAN сочетает в себе преимущества самолетов и вертолетов — занимает нишу, на которую «прицеливались» разработчики конвертопланов.

 Но сложность с разработкой классических конвертопланов в том, что между взлетом и посадкой им приходится проходить потенциально опасные переходные режимы полета. А при газодинамическом управлении этих режимов попросту нет. Аппарат взлетает, летит и садится, используя одни и те же эффекты, просто регулируя тягу двигателей.

Что «под капотом»?

Для подъема беспилотника в крыльях и в фюзеляже (непосредственно внутри, а не снаружи, как у большинства самолетов) установлены четыре двигателя, каждый из которых обеспечивает работу своей турбины, например в виде импеллера. Управляется аппарат регулировкой мощности турбин — практически как в квадрокоптерах с пропеллерами.

Какие именно двигатели будут установлены на аппарате — вопрос открытый. Можно использовать отечественный турбореактивный двигатель Р137-300, а можно и любые аналоги, подходящие по характеристикам.

 

По факту двигатель Р137-300 предназначен для самолетов бизнес-авиации, но ничто не мешает его эксплуатировать на других летательных аппаратах
По факту двигатель Р137-300 предназначен для самолетов бизнес-авиации, но ничто не мешает его эксплуатировать на других летательных аппаратах

К примеру, по всем параметрам — мощности, габаритам и расходу топлива — может вполне подойти восьмицилиндровый 4,5-литровый турбомотор от российского автомобиля Aurus. Ему не хватает только импеллера, который необходимо будет разработать.

 В SWAN можно было бы установить гибридные или электрические двигатели, если бы существовали образцы, подходящие по параметрам. Это сделало бы летательный аппарат еще и экологичным. Но найти подходящих пока не удалось.

Характеристики и прототип

Формально SWAN существует лишь в виде масштабированного прототипа, но все расчеты сделаны для полноценного аппарата.

 Характеристики:

  • длина — 9,9 м;

  • размах крыльев — 14,1 м;

  • объем грузопассажирского отсека — 30 м3;

  • «сухой» вес аппарата — около 1,6 тонны;

  • грузоподъемность — 1 тонна или 7 человек + 160 кг груза;

  • дальность полета — 1000–1200 км;

  • максимальная скорость — 500 км/ч.

Габариты SWAN Cargo 1000 в сравнении со сверхзвуковым SVTOL F-35B
Габариты SWAN Cargo 1000 в сравнении со сверхзвуковым SVTOL F-35B

Грузовой отсек находится в передней части беспилотника, что увеличивает его объем. Погрузка будет осуществляться спереди.

Взлет летательного аппарата будет происходить за считаные секунды. Конкретные параметры зависят от типа двигателя, который будет установлен на беспилотнике. Предположительно, те же двигатели Aurus смогут поднимать SWAN на высоту 50 м за 6–10 секунд.

Расчеты, основанные на трехмерной модели футуристического корпуса, показывают, что его форма действительно обеспечивает нужную управляемость. И в таком виде идея уже была запатентована. 

В 2020 году получено два патента РФ, сейчас идет подготовка к патентованию за рубежом.

Схема размещения двигателей и создания управляющих сил и моментов
Схема размещения двигателей и создания управляющих сил и моментов

Для презентаций проекта выпустили масштабный прототип — макет летательного аппарата 1:10.

 

Макет корпуса аппарата SWAN 1:10
Макет корпуса аппарата SWAN 1:10

Прототип позволил провести испытания с визуализацией цветным дымом, показывающие, что обтекание происходит именно так, как задумано.

Прототип покатался по выставкам в России и Катаре. Причем патент на ЛА SWAN с газодинамической системой управления вошел в число победителей международного конкурса изобретений, проводимым Катарским международным инновационным форумом CIF QATAR 2021.

Презентация концепта SWAN на форуме «Инновации в транспорте», Москва, 20 декабря 2021 г.
Презентация концепта SWAN на форуме «Инновации в транспорте», Москва, 20 декабря 2021 г.
Презентация концепта на выставке в Катаре
Презентация концепта на выставке в Катаре

На данный момент стадия научно-технических изысканий в проекте еще не закончена. Впереди еще много работы. Но экономические расчеты показывают, что в ней определенно есть смысл. Оценка стоимости полета дает значение на уровне 0,4 руб. за килограмм на километр, что делает беспилотник желанной покупкой для авиагрузоперевозчиков.

К 2025 году группа планирует построить полномасштабный летающий образец. Кстати, отсутствие в России собственных серийных двигателей для самолетов не помешает экспериментальному полету. Для опытного образца можно использовать любые двигатели, которые есть в наличии.

Через год после испытаний планируется запустить производство первой опытной партии беспилотников и начать их коммерческую эксплуатацию. А к 2029 году, если все пойдет по плану, выпускать уже до 100 аппаратов в год.

Пилотирование

Система управления и навигации для SWAN еще в разработке, но предполагается, что он будет оснащен автопилотом, который позволит автономно летать по заранее заложенному маршруту. Это удешевит логистику и упростит обслуживание летательных аппаратов, т. к. не потребуется готовить пилотов, нанимать их на работу и платить им зарплату.

Но почти четыре тонны в воздухе (полторы тонны собственного веса, столько же топлива и тонна полезной нагрузки) без опытного пилота за штурвалом пока еще вызывают некоторые сомнения у обывателей.

Автопилоты для самолетов разрабатываются давно и активно эксплуатируются в гражданской авиации. Современные системы могут поднять в воздух и посадить самолет в полностью автоматическом режиме. Но несмотря на хороший технический уровень подобных систем, законодательство явным образом еще не разрешило подъем в воздух больших объектов без пилота.

Как именно будет регулироваться эта отрасль, никто не знает. Но в последнее время заметен определенный прогресс в направлении разрешения полетов. Еще года три назад никто и представить не мог, что такое может быть возможно. А сегодня небольшие коптеры имеют разрешение на патрулирование дорог или доставку грузов. Они летают на нескольких опытных площадках, отрабатывая связь с диспетчером и прочие детали работы.

Скорее всего, к моменту сборки первого опытного образца разрешение на полеты уже не будет проблемой. Но если юридический вопрос не будет решен, ничто не мешает управлять беспилотником удаленно при помощи оператора. Это повлечет за собой небольшое удорожание конструкции, поскольку придется позаботиться о надежной бесперебойной связи, которая будет работать в любую погоду. Ну и в самом крайнем случае летательный аппарат имеет достаточные габариты и грузоподъемность, чтобы его пилотировал человек.

Кому все это надо?

Основное применение предполагается в труднодоступных регионах — на Севере, Дальнем Востоке, в Арктике и Сибири. На этих территориях строить круглогодичные дороги и постоянно их обслуживать крайне дорого, а для доставки грузов можно было бы использовать легкие аппараты, нетребовательные к инфраструктуре.

 

При отсутствии щитков, элеронов и поворотных сопел конструкция SWAN получается довольно надежной, а отсутствие винтов упрощает эксплуатацию в условиях северной зимы. 

Подготовка стартовой площадки для SWAN сводится к созданию небольшого участка более или менее ровной поверхности.

Придется позаботиться разве что о том, чтобы под взлетающим аппаратом не разлетались камни. В остальном развертывание инфраструктуры для приема SWAN сводится к размещению емкостей с горючим для заправки беспилотника перед обратной дорогой.

 Летательный аппарат вполне можно использовать и на заповедных территориях, поскольку воздействие беспилотника на почву при взлете с неподготовленной полосы минимально — струи газа или воздуха из турбин двигателей достигают земли, уже имея малую скорость и низкую температуру. Это, кстати, влияет и на длительность эксплуатации аппарата, где поверхности крыльев и фюзеляжа испытывают относительно невысокие нагрузки.

 В наших условиях допустимая дальность полета в 1000 километров и невысокая его стоимость позволяет перестроить логистику — создавать мелкие транспортные хабы в удаленных районах, оптимизируя доставку.

 В целом проект еще на ранней стадии, но тема грузовых беспилотников сегодня «на коне». За подобными аппаратами вертикального подъема будущее. Сложность в том, что разработка собственного самолета, даже без учета проблемы с двигателями, — это огромные затраты. Группа, разрабатывающая SWAN, оценивала стоимость доработки своего аппарата до работающей модели-демонстратора во столько же, сколько стоит постройка 100 км дороги в средней полосе России. По моим прикидкам это около 1,5 млрд руб. Для конкретного коммерческого разработчика это космическая сумма. И мало кто готов вкладываться в проект на стадии НИОКР. Инвесторы выстроились бы в очередь, будь это уже реализованный проект, а лучше — готовый завод с выстроенной логистикой, который можно было бы купить как бизнес. Скорее всего, разработка будет частично профинансирована НТИ, поскольку этот проект вошел в шорт-лист нашего Архипелага 2022. Это даст разработчикам время на поиск полноценных инвесторов. Скорее всего, проект будет интересен каким-то крупным транспортным компаниям или авиаперевозчикам, работающим с небольшими партиями грузов, но сначала должен появиться полноценный прототип.

Комментарии (40)


  1. propell-ant
    28.09.2022 11:17
    +3

    А как ведет себя аппарат при выходе из строя одного двигателя?


    1. LightTool
      28.09.2022 14:31
      +2

      А вот там написано:

      Принцип движения позволяет закончить полет на трех двигателях, нейтрализуя последствия отказа за счет аэродинамической балансировки.

       В этом случае, правда, посадка будет с пробегом или при помощи парашютной системы.


    1. Jian
      28.09.2022 14:32
      +1

      В статье написано, что может летать на трёх двигателях из четырёх.


  1. iliketech
    28.09.2022 11:39
    +11

    Интересно еще следующее:
    - помпаж двигателя
    - турбулентность, срыв потока
    - устойчивость к резонансу: собственные частоты, частоты элементов
    - возможное обледенение внутренних каналов


    1. DrGluck07
      28.09.2022 16:19
      +2

      — Сдвиг ветра


    1. ivan01
      29.09.2022 12:03

      Откуда там помпажу то взяться, это же не турбореактивный двигатель.


      1. iliketech
        29.09.2022 14:07

        Эво оно в статье написано выше. По умолчанию ссылался на него.


  1. Rsa97
    28.09.2022 11:53
    +1

    А как с обтеканием в сильный дождь или при обледенении?


  1. SGordon123
    28.09.2022 12:05
    +10

    Синий макет значит не летает?


    1. Tarakanator
      30.09.2022 10:16
      +1

      Значит быстро летает. Синее смещение.


  1. arozhankov
    28.09.2022 12:20
    +10

    Извините за пессимизм, но жизненный опыт...

    2025 году группа планирует построить полномасштабный летающий образец"

    Вот сначала надо построить, испытать, вылечить детские болезни...
    А не ехать с голой идеей по выставкам, делая "серьезную мину".


    1. build_your_web
      28.09.2022 12:27
      +32

      Чтоб построить, нужно финансирование. Чтоб получить финансирование, нужно в том числе ехать по выставкам.


  1. aionaion
    28.09.2022 12:30
    +6

    Т.е. летающего образца (даже в уменьшенном виде) еще нет?


    1. MUTbKA98
      28.09.2022 18:13
      +10

      Реально странно, почему не сделали модель размером в метр на электромоторах. Все равно ж нужна тестовая конструкция для отладки системы управления. Это тоже стоит 1.5 миллиарда рублей?


  1. murkin-kot
    28.09.2022 12:48
    +17

    Аппарат отрывается от земли за счёт тяги двигателей. Требуемая тяговооружённость будет больше единицы. Это показатель для маневренного истребителя. Но авторы заявляют конкурентоспособность с грузовой авиацией, где тяговооружённость в разы меньше. То есть преимущества схемы должны окупить в разы большие затраты на бесполезные в крейсерском полёте средства, повышающие тяговооружённость. Звучит нереалистично. Плюс неотработанность схемы против вылизанной практически столетием усилий схемы грузовиков.


    1. releyshic
      28.09.2022 17:30
      +5

      они не с грузовыми самолётами конкурировать собираются, а с летающими мясорубками и грузовиками в случае пробок


    1. aerophile
      30.09.2022 12:44

      Читайте Изв. вузов. Авиационная техника. 2022. № 1, Аэро- и газодинамика ЛА. Тяговооруженность меньше 1 - одно из основных преимуществ подобного ЛА ВВП.


      1. murkin-kot
        30.09.2022 14:45

        Вы можете указать физический принцип, который позволяет летать, прилагая меньшие усилия, чем весит аппарат? Для рассматриваемого случая, разумеется.


        1. aerophile
          30.09.2022 21:31

          Опираясь на известные законы природы для вертикального взлета усилия придется прилагать, соответствующие весу аппарата. Но создание такой силы с меньшими затратами энергии возможно, используя принципы создания благоприятной интерференции. Проще говоря, бить можно грубо "в лоб", направляя реактивную струю в направлении силы тяжести, чем и занимаются в массах. А можно с пользой распорядиться вязкостью воздуха и другими упомянутыми в статье эффектами:
          https://habr.com/ru/company/leader-id/blog/689884/#:~:text=В проекте SWAN эффект Коанда вместе с другими аэродинамическими эффектами (эжекции%2C несимметричного обтекания входного устройства%2C экрана) используется и для создания подъемной силы%2C и для управления.
          Для примера, аппарат на воздушной подушке поднимает больше, чем может поднять отдельно его двигатель. При равной тяге силовой установки экраноплан поднимает в несколько крат больше массу, чем самолет классической схемы...


  1. engine9
    28.09.2022 13:44
    +4

    Разве можно придумать что-то круче и надёжнее, чем лёгкий деревянный/карбоновый самолёт с УВП?

    Такие даже с пилотом против ветра могут взлететь с площадки длиной несколько метров: https://www.youtube.com/watch?v=hPakbghLe38


    1. vectorplus
      28.09.2022 21:50
      +1

      На вертолете можно взлетать вертикально.


      1. engine9
        28.09.2022 21:54

        Верно. Но самолёт энергоэффективней, конструкция проще.


    1. Syatonka
      30.09.2022 11:51

      Против ветра проще взлетать т.к. даже в покое на земле уже имеется воздушная скорости.


  1. koresh_builder
    28.09.2022 13:50
    +3

    На ЭКИП похож. https://ru.wikipedia.org/wiki/ЭКИП


  1. k12th
    28.09.2022 14:29
    +5

    Что из этого правда?

    Придется позаботиться разве что о том, чтобы под взлетающим аппаратом не разлетались камни.

    струи газа или воздуха из турбин двигателей достигают земли, уже имея малую скорость и низкую температуру.


  1. vectorplus
    28.09.2022 21:49
    +1

    Получается, полторы тонны горючего на тонну груза на тысячу километров. Интересно, какие характеристики у вертолетов в этом смысле?


    1. Rsa97
      28.09.2022 22:35
      +1

      Ка-226
      Грузоподъёмность: 1000кг
      Крейсерская скорость: 195км/ч
      Практическая дальность: 600км
      Расход топлива: 178кг/ч
      Считаем:
      Время перелёта на 1000км: 1000км / 195км/ч = 5.12ч
      Расход топлива на 1000км: 5.12ч * 178кг/ч = 908кг
      Но требуется дозаправка на полпути.


      1. mSnus
        29.09.2022 00:57

        Это с полным грузом?


        1. Rsa97
          29.09.2022 08:54

          Точно не скажу, но полагаю, что с полным. Какой смысл давать характеристики для пустого вертолёта.


      1. vectorplus
        29.09.2022 07:59

        Получается, то на то и выходит.
        Я весь за инновации, пусть делают, просто этот вопрос заинтересовал.


        1. aerophile
          30.09.2022 13:28

          ...то на то... только Ка-226 вдвое-втрое медленнее, плюс время на дозаправку и дополнительные инфраструктурные расходы, з/п экипажа не в счет.


          1. vectorplus
            30.09.2022 14:05

            Видимо, вы неправильно поняли мой комментарий. То на то это гораздо лучше, чем в десять раз дороже.
            Пусть расцветают сто цветов.


  1. mSnus
    28.09.2022 22:35

    Не понял, поясните - они считают, что сей девайс с 4 турбореактивными двигателями будет как-то конкурировать с винтовыми грузовиками? Какой у него расход и запас топлива планируется?


    1. vectorplus
      30.09.2022 14:05

      Такой же, как у вертолета


  1. Sunny-s
    29.09.2022 05:46
    +6

    предлагаю отправить товарищу @rctestflight с ютуба, он за пару недель сляпает масштабный макет из пенополистирола и филамента, запустит, обкатает на разных режимах и снимет пару прикольных видео


  1. boytsovevg
    29.09.2022 06:47

    Сначала подумал, что это глайдер Зеленого гоблина


    1. napag0kc
      30.09.2022 11:50
      +4


  1. vdp
    29.09.2022 06:54

    экономика против = 4 дорогих двигателя — это сильно больше и дороже чем 1 или 2 дешевых движка, как указали на www.youtube.com/watch?v=hPakbghLe38

    У квадрокоптер 4, но очень дешевых!


  1. toivo61
    29.09.2022 17:04

    А "летающая лаборатория" летала? А то кавычки настораживают.


  1. Arxitektor
    30.09.2022 17:23

    Для презентаций проекта выпустили масштабный прототип — макет летательного аппарата 

    Сейчас обычные люди печатают модели самолётов на бытовых 3D принтерах.

    Странно что не сделали летающий прототип. Энергетика современных Li-ion позволяет делать квадрики на импеллерах. Так что думаю если взять 4 60-80 мм импеллера то можно сделать печатную модель. Ну или брать оборотистые двигатели от коптера и 3-4 дюймовые пропеллеры.