Сьогодні послуги повітряного транспорту в міському середовищі вже не є чимось незвичайним. «Вертолітне таксі» можна викликати в декількох великих містах світу. Легко припустити, що, як і на землі, транспорт для міських повітряних перевезень буде поступово переходити на електричну тягу.
Олег Тітков
Сучасні технології дозволяють створювати літальні апарати на електричній тязі з вертикальним злетом і посадкою (ЛА eVTOL), які оснащені розподіленими електричними силовими установками. Порівняно з вертольотами такі машини більш безпечні та надійні і менш шумні. Вони також екологічніше і вимагають менших витрат енергії.
Якщо перший Volocopter (модель VC1) був не більш ніж стільчиком, прикріпленим до мультикоптеру, то Volocopter 2Х — це цілком комфортний eVTOL, розрахований, правда, як і раніше, на одну людину.
Винтоплан проти коптера
Прототипи таких ЛА вже створені. Це китайський одномісний коптер з вісьмома гвинтами Ehang 184, двомісний пасажирський мультикоптер SureFly (США), а також безпілотний апарат Volocopter 2Х (Німеччина).
Компанія Über Elevate (авіаційний підрозділ Über), яка має намір до 2023 року створити служби повітряних таксі в декількох містах світу, не збирається застосовувати вертолітний по суті схему коптера, а зосереджена на проектах винтопланов, які можуть переходити з вертикального режиму польоту, забезпечуваного несучим гвинтом, режим горизонтального польоту з допомогою штовхаючого хвостового гвинта при використанні крила. Такі машини будуть літати швидше, на велику дальність і витрачати менше енергії.
Ehang 184 — китайський прототип аеротаксі. І не біда, що він поки одномісний. Коптер літає фактично в автономному режимі, а сидить всередині людині потрібно всього лише поставити маршрут або вказати на планшеті місце. Тобто він швидше пасажир, ніж пілот.
Дослідження Каліфорнійського політехнічного університету та Технологічного інституту штату Джорджія показали, що винтоплан eVTOL з аеродинамічною якістю 14 крейсерською швидкістю 240 км/год здатний протягом години інтенсивної експлуатації виконати 12 польотів на дальність 40 км кожен без підзарядки батарей, в той час як ЛА eVTOL вертолітного схеми з аеродинамічним якістю 4 і швидкістю крейсерського польоту 160 км/год просто не може здійснювати польоти в такому інтенсивному режимі.
Бортова електрична силова установка ЛА eVTOL унаслідок низької вартості електроенергії, одержуваної безпосередньо від міської енергосистеми (вона нижче ціни на авіапаливо), забезпечує більш високу ефективність, ніж двигуни внутрішнього згоряння. Дослідження показали, що у чотиримісного винтоплана вартість пасажиро-кілометра на 26% менше, ніж у поршневого вертольота Robinson R44.
Люди згодні терпіти шум від санітарної авіації і поліцейських вертольотів, але очевидно, що eVTOL будуть дозволені тільки тоді, коли вони стануть сприйматися як малошумний транспорт. Дуже важлива суб’єктивна реакція людини на удаваний шум, особливо якщо ЛА рухається на малій висоті.
Uber для свого перспективного чотиримісного винтоплана eVTOL, перші демонстраційні польоти якого відбудуться в 2020 році, визначає крейсерську швидкість в 274 км/ч на висоті 305 м і дальність 160 км з корисним навантаженням 363 кг. Компанія Aurora Flight Sciences, що працює з Uber, вже побудувала літаючі моделі такого ЛА.
Основними особливостями випробувального ЛА eVTOL фірми Aurora є простота конструкції, ефективний крейсерський політ і використання сучасних технологій. Розподілена електрична силова установка підвищує безпеку і надійність ЛА, знижуючи його вартість. В апараті підйомні і крейсерський двигуни конструктивно розділені, що не вимагає зміни польотної конфігурації. Вісім несучих роторів на двох нерухомих штангах створюють вертикальну підйомну силу, а штовхаючий повітряний гвинт забезпечує тягу в горизонтальному польоті, в якому для створення підйомної сили використовується крило переднє горизонтальне і хвостове оперення. При цьому підйомні гвинти уповільнюються.
Цікаве в мережі
Електрика для неба
Технологія электробатарей досягла рівня, коли стало можливо їх застосування на невеликих ЛА. Більш того, вже створені якісні батареї, які можуть бути використані в електричних ЛА eVTOL з вертикальним злетом і посадкою.
Основний параметр батареї — це щільність енергії, що визначає час знаходження ЛА в повітрі. Також важливими характеристиками є тривалість часу зарядки, кількість циклів перезарядки до виходу батареї з ладу, безпека і, звичайно, вартість. Для ЛА eVTOL з швидкою підготовкою до повторного вильоту потрібна висока швидкість зарядки, але це викликає сильний нагрів батареї, що призводить врешті-решт до втрати потужності і скорочення терміну служби.
Один з концептів винтоплана американської компанії Aurora Flight Sciences (підрозділ корпорації Boeing). Характерна риса — конструктивне поділ підйомних і штовхає гвинтів. Aurora — партнер Über Elevate.
За розрахунками Uber, для чотиримісного eVTOL необхідна батарея з щільністю енергії 350 Вт·год/кг, можливістю перезаряджання з рівня 30 до 90% протягом 15 хв., ресурсом 500 циклів перезарядки і вартістю 400 дол./кВт·год. Компанія планує підвищити робочий ресурс до 1000 циклів перезарядки до 2028 році, 2000 циклів до 2032 році і скоротити вартість до 200 дол./кВт·год до 2030 року.
Треба сказати, що сьогодні поки ще немає в експлуатації ЛА eVTOL з батареями, мають щільність енергії понад 250 Вт·год/кг Еталоном можуть служити серійні літій-іонні батареї фірми «Тесла» з щільністю енергії близько 250 Вт·год/кг і вартістю менше 200 дол./кВт⋅год. При цьому батарея самого останнього зразка вже має щільність енергії понад 300 Вт·год/кг на рівні елемента.
Для отримання більш високих густин енергії необхідно використовувати нові хімічні сполуки. Наприклад, літій-сірчані і літій-металеві батареї мають щільність енергії понад 300 Вт·год/кг вже на етапі дослідного зразка.
Двомісний коптер SureFly, створений американським виробником вантажівок Workhouse, — це гібрид. Електрика для двигунів виробляє бензиновий генератор.
Відділення А3 фірми Airbus використовує літій-полімерні батареї у своєму eVTOL Vahana, перший політ якого відбувся в січні минулого року. Фірма Pellion в 2016-му почала використовувати на БЛА магній-іонні батареї із щільністю енергії на рівні елемента 360 Вт·год/кг В даний час ряд компаній, зокрема Sion Power, анонсують поява елементів з щільністю 500 Вт·год/кг
Більшість перспективних батарей задовольняють вимогам по тривалості зарядки і циклічному ресурсу, і їх створення вважається виправданим, навіть якщо батареї потрібно замінювати через кожні 500 циклів, що еквівалентно 3-4 місяців їх роботи. При цьому вже є можливість компромісних рішень, щоб забезпечити 500 циклів при вартості 300 дол./кВт⋅год.
Істотне значення має швидка зарядка батарей, тому Über співпрацює з фірмою ChargePoint у розробці варіанту аеродромної зарядної станції потужністю 400 кВт. При підзарядці буде забезпечуватися високошвидкісна циркуляція охолоджуючої рідини через батарею. Це допоможе підтримувати температуру нагрівання на безпечному рівні щонайменше протягом 5-хвилинних періодів підготовки до наступного зльоту ЛА.
В рамках проекту Vahana побудований перший літаючий автономний eVTOL, що отримав назву AlphaOne.
Страх перед гвинтом
Раніше вважалося, що головною перешкодою для поширення повітряних електротаксі є недостатня ємність батарей живлення, але тепер на перше місце вийшов шум. І щодо оцінки шуму і сприйняття шумового ефекту в міських умовах існує велика невизначеність.
Для вертольотів, що займають ту ж нішу, що і чотиримісні ЛА eVTOL, межа визначений рівнем шуму 85 дБ. Компанія Über має намір почати комерційні повітряні перевезення в 2025 році з рівнем шуму свого апарату не більше 70 дБ, що багато нижче, ніж у середнього вантажного автомобіля і тим більше вертольота. Фірма в рамках свого проекту сподівається домогтися відкриття багатьох бездіяльних міських майданчиків для вертольотів, від експлуатації яких відмовилися через скарг на шум, і використовувати їх для своїх малошумних ЛА eVTOL.
Цікаве в мережі
Проте проблема полягає не тільки в рівні шуму, але і в самому характері звуку і у впливі шуму на людину. Люди згодні терпіти шум від санітарної авіації і поліцейських вертольотів, але очевидно, що eVTOL будуть дозволені тільки тоді, коли вони стануть сприйматися як малошумний вид транспорту. Цьому мають сприяти «тихі» рухові системи, які допоможуть не допустити довготривалого впливу шуму на людей і уникати його короткочасних піків. Тут також дуже важлива суб’єктивна реакція людини на шум, особливо на удаваний («віртуальний»), наприклад від гвинта, який викликає у людей переляк, особливо якщо літальний апарат рухається на малій висоті. Також присутній страх падіння машини на міські вулиці. Такий «віртуальний» шум може бути навіть більш важливим, ніж реальний, і це вимагає особливої уваги розробників.
Як показують результати проведених фірмою Über натурних досліджень, роздратування безпосередньо визначається не тільки рівнем звуку, але може бути викликане і його характерними особливостями. У ЛА eVTOL з розподіленою силовою установкою шум виходить від гвинтів і підйомних двигунів, а також від хвостового двигуна — і цим він докорінно відрізняється від шуму гвинтів вертольота. Поки точно не визначено, яку ступінь роздратування буде викликати цей специфічний шум, це ще належить детально вивчати. Поки у Über провели цикл досліджень шуму від пролітає невеликого спортивного літака у версіях з двигуном внутрішнього згоряння та електричним двигуном. Були виявлені суттєві відмінності звукових портретів.
Стаття «Прилечу на таксі» опублікована в журналі «Популярна механіка»
(№2, Лютий 2019).
Thanks!
Our editors are notified.