01.05.2020 13:11
mmpmaxim 133 14500 Источник

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.


image

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).


image

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


$Ek=\sum {{m_{i}v_{i}^{2}} \over 2}$


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:


$S=?*r^2$


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.


image

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:


image

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 полезную площадь, чем всего 4 винта.


image

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%.


image

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, двукратного роста тяги при равных затратах не будет.


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.


image

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, причем 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-х 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 ни 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.