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, управляется 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.
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.
«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.
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.
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.
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.
Для презентаций проекта выпустили масштабный прототип — макет летательного аппарата 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.
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.
