Летающие автомобили — хайповая тема. Брэд Темплтон, первопроходец в области роботизированных автомобилей, пытается холодным рассудком разобраться и классифицировать те варианты, какие реально существуют.
Сейчас существует множество вариантов кандидатов в летающие автомобили, своего рода Кембрийский взрыв. Рассмотрим некоторые из основных вариантов конструкций, их достоинства, и попробуем разобраться, у кого больше шансов победить в эволюционной гонке.
Несущие винты или винты с фиксированным крылом
Мультироторный eHang на 2 человек, представлен в 2017. Уже летает
В настоящее время мультироторный дрон не вызывает больше никаких вопросов и проблем. Мы знаем, как его построить. Он не очень эффективен, поэтому его дальность полета ограничена батарейками. Поскольку с ним уже разобрались, дроны стали первыми устройствами, способными взлетать. Ими являются чистые мультикоптеры, такие как Volocopter (с 18 роторами) и eHang. Существует еще одна подкатегория: «Hoverbikes» («летающие мотоциклы»), которые еще больше похожи на потребительский беспилотник, поскольку у них есть только одно сиденье, которое часто располагается над винтами. Сюда относят первый автомобиль Kitty Hawk, «Flyer».
Его намного проще сделать, поэтому о нем больше упоминаний в прессе. Его можно рассматривать как увеличение мультикоптера, чтобы получилось нечто, что может выдержать 60-120 кг нагрузки и летать в течение 30 минут. Однако существует предел, по мере того, как батарея становится больше (чтобы выдерживать больше нагрузки и преодолевать большее расстояние), она становится тяжелее, уменьшая тем самым допустимую нагрузку и дальность полета при одновременном увеличении стоимости.
Самая большая проблема заключается в том, что мультикоптер даже хуже, чем вертолет по эффективности. У конструкции с приличной дальностью полета, как правило, гибридный электрический привод.
Volocopter дроноподобный транспорт, который уже летает. Радиус полета меньше, но и дизайн проще.
Именно поэтому большая часть команд работает на неких гибридах, которые взлетают как мультикоптеры, но у них есть крыло и сразу после взлета они (мультикоптеры) превращаются в обычный самолет. Крыло не нужно для обычного взлета, оно не должно быть таким же большим, как и на обычных самолетах.
Конвертоплан (и прочие отклоняемые тяги)
Тестовый полет Airbus Vahana с фиксированным положением винта и отклоняемым крылом.
Самый старый дизайн для самолетов с двумя роторами и крылом является отклоняемый ротор. Большие роторы направлены вверх и могут быть отклонены вперед. V22-Osprey печально известен из-за подобной конструкции, ставшей причиной смертельных аварий.
Тем не менее, знания полученные при строительстве данной конструкции в Bell Helicopter привели к дизайну Nexus, в котором использовались отклоняемые закрытые винты. Другие конструкции устанавливают роторы на крыло и наклоняют всю сборку крыла. Lilium Jet помещает их в хвостовую часть и тоже наклоняет.
Lilium Jet — много отклоняемых винтов. Заявлена очень высокая скорость и дальность полета.
Хитрость в том, что надо безопасно отклонять роторы при взлете и посадке. Это непросто.
Толкающим воздушный винт (Pusher prop)
Если не отклонять роторы, можно летать, добавив дополнительный, более традиционный пропеллер, как правило, сзади. Это конструкция Kitty Hawk Cora, и ещё нескольких самолётов, в том числе грузового самолёта Elroy. Последний использует бензиновый двигатель для непосредственного управления толкающим винтом.
Испытательный полет Kitty Hawk «Cora» с 12 роторами для VTOL и винтом для полета с фиксированным крылом.
Конструкция простая — без наклона, что станет большой проблемой, если что-то пойдет не так. Это означает, что все роторы остаются неподвижными в течение большей части полета, обеспечивая сопротивление вместо тяги или подъема.
Отклоняемый фюзеляж (tilt-plane)
Opener «Blackfly» уже летает. Дизайн очень прост, 8 роторов.
«Opener» предлагает интересную альтернативу. Он имеет два крыла с установленными на них 8 роторами, причем крыло установлено под углом к фюзеляжу. Он взлетает с роторами, направленными вертикально, а пилот сильно отклоняется назад, и весь самолет отклоняется вместе с ним, до тех пор, пока крылья и роторы не не примут горизонтальное положение, а пилот не окажется впереди и немного внизу. Для пилота это не очень комфортно, но это способствует отсутствию движущихся частей, за исключением роторов и поверхностей управления.
Полностью электрический или гибрид
Центральное место в революции VTOL занимает использование электрического двигателя. Это позволяет создать совершенно новый вид VTOL, отличный от олдскульных вертолетов. Сегодняшние аккумуляторы едва ли достаточно хороши, поэтому дальность полета и размеры транспортного средства ограничены. Одна из альтернатив — установка генератора в дополнение к батареям, обычно работающего на бензине или реактивном топливе. Батареи по-прежнему будут нужны для пиковой мощности VTOL, и чтобы безопасно приземлиться, если генератор выйдет из строя. Поскольку теперь отказ генератора представляет меньшую угрозу, можно установить мотор, который не так надежен и дорог, как обычные авиационные двигатели.
Бензин популярен, потому что его можно купить где угодно. Но при этом не так просто везде поставить заправки, в том числе на крышах зданий и на частных посадочных площадках. Легче получить разрешение на электрические зарядные станции.
Кроме того, такой подход не особо экологичен. Люди не хотят развивать новый транспорт, который будет загрязнять еще больше старого.
Альтернативой, пока ещё не распространённой, является использование топливных элементов. Водород — очень плотное топливо, если говорить о его весе, плюс для него требуются громоздкие баки. Его непросто найти или заправиться им. На сегодняшний день топливные элементы стоят довольно дорого, поэтому все равно нужны аккумуляторы для VTOL и аварийных посадок.
Большой, маленький или без колес
Некоторые команды воспринимают термин «летающий автомобиль» буквально — они хотят транспортное средство, которое сможет передвигаться по земле на колесах, делаться достаточно маленьким, чтобы ездить по дорогам и парковаться на автостоянках и даже в частных гаражах. Другие хотят, чтобы транспортное средство могло просто совершать небольшие движения по аэродрому, например, переходить на парковку или к зарядным станциям. Третьи же не планируют никаких колес — машина остается там же, где и приземляется.
Прийти к компромиссу не так просто. Один большой вопрос — куда ставить все транспортные средства, если на них нельзя ездить. Многие конструкции, хоть они и не огромные, по-прежнему размером с 4 или 6 автомобилей. Если их миллион, то в городе не будет места, куда бы их можно было поставить. Даже если их 100 тысяч, это все равно много. Они могут передвигаться в открытых зонах, летать в зарядные порты, но не могут быть где-либо, где они не смогут приземлиться. Они могут взлетать и перемещаться на другие площадки, когда нужно подождать, пока расчищают аэродром, но не смогут ездить по дорогам.
С другой стороны, колеса и возможность вождения добавляют подвижных частей, сложности и хуже всего, веса. Вес очень важен. Каждый килограмм стоит килограмма полезной нагрузки или батареи. Мы балансируем на грани приличной дальности полета и нагрузки, а колеса, моторы и все, что нужно, чтобы законно ездить по дорогам, только усложняют задачу.
Так что возможно способность летать лучше оставить летающим транспортным средствам, а автомобиль должен оставаться автомобилем. Летающий аппарат может приземлиться, а человек выйти из него и сесть в роботакси. Это не так уж и плохо. Автомобиль — это автомобиль, а самолет — это самолет.
Airbus предлагает довольно странный гибридный подход. Он состоит в том, чтобы установить «пассажирский контейнер», который либо может быть подобран летающей частью, либо может быть помещен в едущую люльку с колесами. Таким образом контейнер с пассажиром будут лететь с шасси над ними, после чего контейнер приземляют, помещая в движущуюся базу. Роторы отсоединяются и улетают, чтобы прикрепиться к другому автомобилю, в то время как контейнер зажимается в основании люльки и может ехать по дороге. Это решает проблему веса, но это очень сложно, да и приземлиться можно только там, где есть такие контейнеры.
Еще одна проблема в том, что дорожные транспортные средства должны быть сертифицированы на безопасность на дороге, а для этого они должны обладать большим весом.
Некоторые конструкции, такие как Opener Blackfly, также могут приземляться на воду и траву. У них нет колес и они вообще не могут передвигаться по суше.
Terrafugia — переходный вариант между традиционным самолетом с фиксированным крылом на бензине, только умеет складывать крыло для езды по дороге.
Одна из самых старых конструкций, Terrafugia Transition, летает строго как самолет с неподвижным крылом, его крыло складываются так, что он может ездить по дорогам на колесах. Это олдскульная (практическая) идея летающего автомобиля, но из-за VTOL даже Terrafugia перешла на другой дизайн.
В настоящее время только очень немногие конструкции имеют колеса или их план.
Взлетно-посадочная полоса или же ее отсутствие
Некоторые транспортные средства по-прежнему используют взлетно-посадочную полосу. Самолеты уже не проблема, и они могут быть эффективными. Оригинальная Terrafugia, упомянутая выше, является классическим примером. Взлет мультикоптера громкий, и он потребляет кучу энергии. Взлетно-посадочные полосы используют кучу земли, и их мало. Одним из вариантов является сочетание роботакси с самолетом с неподвижным крылом. Роботакси доставляет вас прямо к самолету, вы быстро все переключаете и взлетаете. То же самое в обратном порядке. Это позволит создать летающие автомобили с высокой эффективностью и дальностью полета, а за это стоит побороться.
Pal-V автожир/автомобиль в «сложенном режиме» в гараже.
Некоторые другие интересуются дизайнами автожиров. Автожир – это тоже очень старая технология, и он уже сейчас доступен. Автожирам нужна очень короткая взлетно-посадочная полоса, чтобы взлететь или приземлиться. Настолько короткая, что многие парковки или даже крыши зданий подойдут. Однако они не столь эффективны, как самолеты. Раньше их удачно удавалось продавать за счет того, что они более эффективны, чем вертолеты, но теперь это не так актуально.
Тем не менее, персональное летающее средство пользуется большим спросом, чем многие автомобили на сегодняшний день.
Открытые лопасти, защищенные лопасти, винт в кольцевом обтекателе
В некоторых конструкциях открытые лопасти ротора, а иногда их пытаются встроить в корпус, в щиты или в кольцевой обтекатель. Защищая их, можно снизить шум и риск для пешеходов, но это может увеличить вес и мешать воздушному потоку. Винты в кольцевом обтекателе могут производить сильную тягу, если все правильно сделать, но это сложно.
Bell Helicopter с шестью гигантскими наклонными винтами в кольцевых обтекателях.
Неясно, будут ли органы, отвечающие за безопасность, мириться с открытыми лопастями, которые могут навредить людям, особенно если транспортные средства будут приземляться на проезжие части и автостоянки, как многие хотят.
Пилот с лицензией, оператор дрона или автономная работа
В конечном счете все надеются сделать полностью автономные такси. По действующему законодательству это сделать невозможно, и это все еще является проблемой. Некоторые машины сначала будут выпущены для эксплуатации только с лицензированным пилотом. Из-за веса батареи их трудно квалифицировать как «легкие спортивные самолеты», которые нуждаются в более простой лицензии пилота, их не назовешь и сверхлегкими, но есть предположения, что ФАА (Федеральная авиационная администрация США) может изменить допустимый вес, чтобы иметь дело с электромобилями на аккумуляторах, которых никогда ранее не ожидали. Если они это сделают, это позволит транспортным средствам сдвинуться с мертвой точки и попасть в руки пользователей до того, как автоматика будет готова к использованию или легальна.
Есть некоторые предположения, что те, которые больше всего похожи на дроны, могут летать с базовой лицензией пилота, предназначенной для дистанционно управляемых беспилотников, но я не уверен, что такое будет применяться после испытаний.
Такси с большой вместимостью или личный автомобиль
Несколько лет назад анонсировали Uber Elevate — крупную инициативу, чтобы добиться от компаний разработки аэротакси, которыми Uber сможет управлять для перемещения людей между вертолетными портами. Uber Elevate уточнили, что это будут транспортные средства с 4 пассажирами и пилотом (пока нет автоматики) и в основном взлетающие с крыш зданий в плотно населённых городах, чтобы не загружать трафик еще больше. Это одно видение, которое привело к появлению многих дизайнов транспортных средств. Попытка сделать эти машины только на одних батареях тот еще челлендж. При этом многие другие сфокусировались на личном автомобиле, с 1-3 пассажирами и режимом автопилота. Они предназначены либо для частной собственности, либо для такси на небольшие расстояния.
Полет, модель, прототип или мечта
Hoversurf пример отличного ховербайка, минималистичный, на одного человека.
Пока существует почти 100 проектов, и еще больше находятся в закрытом режиме, все они на разных стадиях разработки. Только 3 принимают заказы или продают. Лишь немногие имеют полноразмерные летающие аппараты, способные путешествовать на любое расстояние. Ещё несколько имеют полномасштабные прототипы, но они совершали только вертикальный полёт. С другой стороны, некоторые из таких компаний, как Airbus, Boeing, Bell Helicopter и Embraer, обладают обширными ресурсами и авиационным опытом. Еще несколько компаний имеют летающие полномасштабные модели. Остальные из 81 компаний, перечисленные на TransportUp, обладают только конструкциями и компьютерными моделями. Первые автомобили, готовые для производства, являются более старыми конструкциями (как у Pal-V и Terrafugia), машины только с ротором (как у Volokopter и некоторых летающих мотоциклов) и вполне возможно Blackfly, утверждают, что он будет выставлен на продажу в этом году в диапазоне $70 тыс.
Кто победит
На данный момент ведется много споров на эту тему. Однако я считаю, что с большой вероятностью выиграют следующие конструкции:
- Мультикоптер и неподвижное крыло, обеспечивающее эффективность и дальность действия.
- Небольшие и умеющие в какой-то степени передвигаться по местам, где они будут ждать пассажиров, но не способные ездить на длинные расстояния по дорогам.
- С защищенными лопастями, чтобы приземляться в самых разных местах и быть более тихими.
- Рассчитанные на одного или двух пассажиров, чтобы оставаться маленькими и легкими.
- Наклоняющийся самолет или самолет с толкающим винтом, чтобы избежать движения сложных частей поворотного винта.
- Изначально нуждающиеся в пилоте, в идеале — в ограниченной лицензии пилота.
А пока, пусть расцветает тысяча конструкций.
Оригинал статьи на Хабре (2019 год)
К лучшим публикациям на Хабре за сутки