Персональные летательные аппараты. Понять и подождать
Последние 20 лет появляются интересные пилотируемые сверхлегкие летательные аппараты нетрадиционных схем – это квадракоптеры, гексокоптеры и пр. Они разрабатываются как машины для транспортировки людей или средство для полета в свое удовольствие. Это поиск новых решений, применение новых технологий, другими словами, естественный процесс развития легкой авиации.
Конструкторы стремятся создать компактный летательный аппарат, обеспечивающий простой доступ к небу с небольших площадок. К их особенностям я бы отнес:
- Вертикальный (либо укороченный) взлет и посадка
- Компактность и безопасность для окружающих при взлете и посадке
- Автоматическое управление (частичное либо полное).
Такие аппараты часто называют Персональными летательными аппаратами. Строго говоря это не совсем верно.
Официально термин Персональный летательный аппарат (Personal air vehicle) был введен NASA в 2003 г. и предполагал предоставление быстрого транспортного решения клиенту «от двери до двери». Такой аппарат по мнению NASA должен был способен ездить по дорогам как автомобиль и летать, используя небольшие аэродромы или просто подходящие площадки.
Требования к персональному летательному аппарату от NASA (2003г).
- Не более 5 пассажиров
- Крейсерская скорость 240–320 км/ч
- Тихий, удобный, надежный, высокая степень всепогодности, низкий расход топлива
- Доступный для пилотирования любому человеку с водительскими правами
- Доступный для совершения путешествий как машина и как самолет
- Дальность полета около 1 300 км
Попытки создать такую технику были задолго до 2003 г. Так, в 1946 г. Роберт Фултон (США) закончил постройку первого в мире летающего автомобиля Airphibian, однако довести его до серийного производства не удалось.
Транспортные проблемы мегаполисов, а также мечта о полете со двора собственного дома, заставляли изобретателей развивать направление персонального авиатранспорта.
Семьдесят лет спустя, компания Airbus представила концепт городской модульной транспортной системы.
Надо отметить, что за семьдесят лет мир не увидел ни одной серийной машины, которую можно было бы отнести к персональном летательным аппаратам. Если убрать требование возможности передвижения по дорогам как автомобиль, к таким аппаратам с натяжкой можно отнести легкие вертолеты.
Но вертолеты не стали массовым «летающим такси». Прежде всего, отпугивает высокая стоимость предложения. Массовому потребителю это не по карману. Рынку нужны более дешевые решения.
Создание экономичного ЛА вертикального взлета с автономной системой управления может дать следующие преимущества:
- существенное снижение времени в пути при использовании в качестве транспортной системы (по сравнению с автомобильным транспортом);
- удешевление за счет массовости и отсутствия пилотов (по сравнению с существующими авиаперевозками);
- минимизация количества летных происшествий и катастроф за счет исключения человеческого фактора из системы управления.
Далее я хочу представить обзор некоторых реально летающих СЛА нетрадиционной схемы, выпущенных за последние 20 лет, и сравнить их технические характеристики с аппаратом традиционной схемы.
Начнем с машин, которые я отнес бы к снарядам для активного отдыха.
1.1. GEN H-4
В 2000 году японская корпорация GEN Corporation представила ультралегкий вертолет соосной схемы. Силовая установка состоит из четырех двухцилиндровых двигателей. Отказ двух двигателей позволяет совершить безопасную посадку. Управление шагом винта (как общим, так и циклическим) не предусмотрено. Фактически, несущий винт – это воздушный винт неизменяемого шага. Управление вертолетом – балансирное.
GEN H-4 вызвал большой интерес среди потенциальных покупателей, но машина не была доведена до серийного производства. Сейчас на сайте производителя можно купить чертежи для самостоятельной постройки.
| Масса пустого, кг | 70 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 220 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 4х10 |
| Время полета максимальное, мин | 60 |
| Максимальная скорость, км/ч | 85 |
| Потолок, м | 3000 |
| Стоимость, $ | 59 500 |
1.2. Martin Jetpack
Новозеландская компания Martin Aircraft в 2008 году представила, пожалуй, единственный, на сегодняшний день, персональный аппарат вертикального взлета, готовый к серийному производству. Работа над проектом идет уже более 35 лет.
Тягу создают два воздушных винта в кольцевых каналах, вращаемые двигателем внутреннего сгорания. Управляющее воздействие создают отклоняемые щитки, расположенные за винтами.
Система автоматического управления обеспечивает стабилизацию аппарата в полете.
Martin Jetpack, один из немногих аппаратов своего класса, снабженный системой парашютного спасения.
| Масса пустого, кг | 230 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 330 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 200 |
| Время полета максимальное, мин | 30 |
| Максимальная скорость, км/ч | 40 |
| Потолок, м | 760 |
| Стоимость, $ | 150 000 |
1.3. Aerofex Aero-X
Разработкой двухместного летающего мотоцикла занимается компания Aerofex . Машина приводится в движение двумя воздушными винтами неизменяемого шага в кольцевых каналах. Силовая установка состоит из трех роторных двигателей внутреннего сгорания, объединенных в один агрегат. Для безопасной посадки достаточно работы двух двигателей из трех.
Управление аппаратом происходит при помощи отклонения потока за воздушными винтами, для чего используется направляющий аппарат на выпускном отверстии кольцевых каналов.
Высота полета искусственно ограничена 3 метрами, для спасения пилота при столкновении с землей аппарат оснащен воздушными подушками.
* Аппарат очень похож на VZ-8 Airgeep созданный по заказу ВС США в 1962 г.
| Масса пустого, кг | 356 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 496 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 240 |
| Время полета максимальное, мин | 75 |
| Максимальная скорость, км/ч | 72 |
| Потолок, м | - |
| Стоимость, $ | 85 000 |
1.4. Flyboard Air
Пожалуй один из самых компактных индивидуальных летательных аппаратов разработал Фрэнк Запата со своей командой — Flyboard Air.
Подъемную силу создают четыре турбореактивных двигателя, для непосредственного управления курсом используются 2 электрических импеллера расположенные по бокам платформы. Топливный бак с керосином находится на спине пилота. Управление Flybord Air осуществляется при помощи ручного пульта системы дистанционного управления.
| Масса пустого, кг | н/д (50)* |
| Максимальная взлетная масса, кг | н/д (140)* |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 4х250=1000 (160 кгс тяги) |
| Время полета максимальное, мин | 10 |
| Максимальная скорость, км/ч | 150 |
| Потолок, м | 3000 |
| Стоимость, $ | н/д |
1.5. ArcaBoard
Летающая доска от компании Arca space corporation оснащена 36 электромоторами с вентиляторами в кольцевых каналах, питание осуществляется от аккумуляторов.
Высоту полета ее создатели благоразумно ограничили 30 см над подстилающей поверхностью. Автоматическая система стабилизации должна помочь пилоту сохранить равновесие. Управлять доской возможно при помощи смартфона или балансируя собственным телом.
| Масса пустого, кг | 82 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 162 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 7,55х36=272 |
| Время полета максимальное, мин | 6 |
| Максимальная скорость, км/ч | 20 |
| Потолок, м | - |
| Стоимость, $ | 14 900 |
2.1. CH-7 Kompress
(добавлен для сравнения)Итальянская компания Helisport в 1996 году приступила к серийному производству ультролегкого вертолета CH-7 «Kompress Charle». Плотная тандемная компоновка кабины малого миделя обеспечивает хорошие скоростные характеристики и дальность полета. На сегодняшний день изготовлено более 330 машин.
Надо отметить, что CH-7 один из немногих коммерчески успешных ультралегких вертолетов.
| Масса пустого, кг | 280 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 450 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 115 |
| Дальность полета, км | 450 |
| Крейсерская скорость, км/ч | 100 |
| Потолок, м | 2740 |
| Стоимость, $ | 115 000 |
2.2. Volocopter VC200
Немецкие авиастроители из компании E-volo разработали двухместный мультикоптер оснащенный 18 независимыми электродвигателями с воздушными винтами неизменяемого шага.
Управляется аппарат за счет изменения оборотов двигателей. Система управления автоматически поддерживает заданные параметры полета, управляя индивидуальной скоростью вращения каждого двигателя.
Аппарат способен продолжать полет при отказе до шести двигателей, наличие парашютной системы спасения обеспечивает дополнительную безопасность экипажа.
| Масса пустого, кг | 290 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 450 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | н/д |
| Время полета максимальное, мин | 20 |
| Максимальная скорость, км/ч | 100 |
| Потолок, м | 2000 |
| Стоимость, $ | 340 000 |
2.3. Ehang 184
Китайская компания Ehang занимается разработкой одноместной электрической машины, напоминающей увеличенный квадрокоптер. По задумке создателей, это должен быть полностью автономный летательный аппарат (autonomous aerial vehicle), пассажиру остается просто указать пункт прибытия, весь полет от взлета до посадки обеспечит бортовая система управления.
Летательный аппарат перемещается, используя тягу четырех соосных воздушных винтов неизменяемого шага. Управление осуществляется за счет изменения скорости вращения каждого из восьми независимых электродвигателей.
С точки зрения механики, аппарат интересен простотой конструкции, отсутствием трансмиссии и компактностью.
| Масса пустого, кг | 240 |
| Максимальная взлетная масса, кг | 340 |
| Максимальная мощность двигателя, л.с. | 207 |
| Время полета максимальное, мин | 25 |
| Максимальная скорость, км/ч | 60 |
| Потолок, м | 3500 |
| Стоимость, $ | н/д |
Сравнение
Ниже представлено сравнение перечисленных аппаратов с вертолетом. Сравнение проводилось по 3 критериям:
- дальность полета;
- относительная масса полезной нагрузки (отношение коммерческой нагрузки к полной взлетной массе, характеризует техническое совершенство ЛА);
- нагрузка на мощность (отношение взлетной массы к располагаемой мощности ЛА, иными словами эта величина показывает массу аппарата, приходящуюся на одну л.с. мощности).
Машины для активного отдыха и для перевозки людей (грузов) сравнивались отдельно. Сравнение проводилось относительно вертолета GEN H-4 для первой таблицы и относительно CH-7 для второй таблицы (для наглядности, параметры образца приняты за условную единицу).
Выводы
1. Вертикальный взлет
Вертикально взлетающая машина с топливной эффективностью самолета позволит завоевать рынок ближних авиаперевозок. Однако, представленные ЛА очень далеки по летным характеристикам даже от классического вертолета.
На сегодняшний день нет конструктивного решения, позволяющего осуществлять вертикальный взлет, посадку и быть эффективнее вертолета.
небольшое отступление
Тут выглядит интересным демонстрационный образец, представленный агентством DARPA. Вертикально взлетающий аппарат XV-24A с поворотным крылом и разнесенной электрической двигательной установкой.
По заявлению разработчиков, эта машина будет эффективнее вертолета на 25…50% (имеется ввиду топливная эффективность). Импеллеры, разнесенные по длине крыла, позволяют управлять циркуляцией потока, а также препятсвуют срыву потока на больших углах атаки. Электропитание осуществляется от генератора на газотурбинном двигателе.
2. Источник питания
Появившиеся электрические двигатели (и контроллеры) с низкой удельной мощностью и возросшая энергоемкость аккумуляторов позволяют создавать полностью электрические машины. Однако, по экспертной оценке (работа проведена коллегами, не публиковалась), при увеличении энергоемкости аккумуляторов в 25-30 раз на единицу массы и снижении стоимости расходования ресурса батареи в 1,5-3 раза, по сравнению с сегодняшними показателями, применение полностью электрической транспортной авиации станет экономически оправданным. Так что, пока это вопрос неблизкого будущего.
Для примера, электрический самолет Airbus E-FAN созданный в 2014 г., имеет дальность полета около 150 км, тогда как его бензиновый одноклассник Cessna 150 летает на дальность 680 км.
3. Компактность
Создание компактного ЛА коммерчески оправдано — это небольшие размеры площадки для взлета и посадки, небольшая площадь для хранения и пр. Но, как можно видеть из сравнительной таблицы выше, замена несущего винта несколькими меньшего диаметра существенно снижает кпд двигательной установки и как следствие, приводит к падению дальности.
4. Автономное управление
Современный автопилот в связке с наземной инфраструктурой позволяет автоматизировать все этапы полёта.
Можно предположить, что система управления, обеспечивающая построение маршрута, управление ЛА, и даже подбор площадки для посадки могла бы быть построена в уже в ближайшее время.
В статье описано текущее положение дел. Технологии еще не созрели для создания персонального летательного аппарата, к которому проявит интерес массовый рынок. Возможно, потребуются десятилетия. Но, представленные аппараты вполне могут использоваться для развлечения или решения специальных задач, если не принимать во внимание их стоимость.