Зеленоглазое, воздушное: когда такси поднимется в небо

Сегодня услуги воздушного транспорта в городской среде уже не являются чем-то необычным. «Вертолетное такси» можно вызвать в нескольких крупных городах мира. Легко предположить, что, как и на земле, транспорт для городских воздушных перевозок будет постепенно переходить на электрическую тягу.

Современные технологии позволяют создавать летательные аппараты на электрической тяге с вертикальными взлетом и посадкой (ЛА eVTOL), которые оснащены распределенными электрическими силовыми установками. По сравнению с вертолетами такие машины более безопасны и надежны и менее шумны. Они также экологичнее и требуют меньших затрат энергии.

Винтоплан против коптера

Прототипы таких ЛА уже созданы. Это китайский одноместный коптер с восемью винтами Ehang 184, двухместный пассажирский мультикоптер SureFly (США), а также беспилотный аппарат Volocopter 2Х (Германия).

Компания Uber Elevate (авиационное подразделение Uber), намеревающаяся к 2023 году создать службы воздушных такси в нескольких городах мира, не собирается применять вертолетную по сути схему коптера, а сосредоточена на проектах винтопланов, которые могут переходить из режима вертикального полета, обеспечиваемого несущим винтом, в режим горизонтального полета с помощью толкающего хвостового винта при использовании крыла. Такие машины будут летать быстрее, на большую дальность и тратить меньше энергии.

Исследования Калифорнийского политехнического университета и Технологического института штата Джорджия показали, что винтоплан eVTOL с аэродинамическим качеством 14 и крейсерской скоростью 240 км/ч способен в течение трехчасовой интенсивной эксплуатации выполнить 12 полетов на дальность 40 км каждый без подзарядки батарей, в то время как ЛА eVTOL вертолетной схемы с аэродинамическим качеством 4 и скоростью крейсерского полета 160 км/ч просто не может осуществлять полеты в таком интенсивном режиме.

Бортовая электрическая силовая установка ЛА eVTOL по причине низкой стоимости электроэнергии, получаемой непосредственно от городской энергосети (она ниже цены на авиатопливо), обеспечивает более высокую эффективность, чем двигатели внутреннего сгорания. Исследования показали, что у четырехместного винтоплана стоимость пассажиро-километра на 26% меньше, чем у поршневого вертолета Robinson R44.

Uber для своего перспективного четырехместного винтоплана eVTOL, первые демонстрационные полеты которого состоятся в 2020 году, определяет крейсерскую скорость в 274 км/ч на высоте 305 м и дальность 160 км с полезной нагрузкой 363 кг. Компания Aurora Flight Sciences, работающая с Uber, уже построила летающие модели такого ЛА.

Основными особенностями испытательного ЛА eVTOL фирмы Aurora являются простота конструкции, эффективный крейсерский полет и использование современных технологий. Распределенная электрическая силовая установка повышает безопасность и надежность ЛА, снижая его стоимость. В аппарате подъемные и крейсерский двигатели конструктивно разделены, что не требует изменения полетной конфигурации. Восемь несущих роторов на двух неподвижных штангах создают вертикальную подъемную силу, а толкающий воздушный винт обеспечивает тягу в горизонтальном полете, в котором для создания подъемной силы используется крыло, переднее горизонтальное и хвостовое оперения. При этом подъемные винты стопорятся.

Электричество для неба

Технология электробатарей достигла уровня, когда стало возможно их применение на небольших ЛА. Более того, уже созданы качественные батареи, которые могут быть использованы в электрических ЛА eVTOL с вертикальными взлетом и посадкой.

Основной параметр батареи — это плотность энергии, что определяет время нахождения ЛА в воздухе. Также важными характеристиками являются продолжительность времени зарядки, количество циклов перезарядки до выхода батарей из строя, безопасность и, конечно, стоимость. Для ЛА eVTOL с быстрой подготовкой к повторному вылету требуется высокая скорость зарядки, но это вызывает сильный нагрев батареи, приводящий в конце концов к потере мощности и сокращению срока службы.

По расчетам Uber, для четырехместного eVTOL необходима батарея с плотностью энергии 350 Вт·ч/кг, возможностью перезарядки с уровня 30 до 90% в течение 15 мин., ресурсом 500 циклов перезарядки и стоимостью 400 долл./кВт·ч. Компания планирует повысить рабочий ресурс до 1000 циклов перезарядки к 2028 году, 2000 циклов к 2032 году и сократить стоимость до 200 долл./кВт·ч к 2030 году.

Надо сказать, что сегодня пока еще нет в эксплуатации ЛА eVTOL с батареями, имеющими плотность энергии более 250 Вт·ч/кг. Эталоном могут служить серийные литий-ионные батареи фирмы «Тесла» с плотностью энергии около 250 Вт·ч/кг и стоимостью менее 200 долл./кВт?ч. При этом батарея самого последнего образца уже имеет плотность энергии более 300 Вт·ч/кг на уровне элемента.

Для получения более высоких плотностей энергии необходимо использовать новые химические составы. Например, литий-серные и литий-металлические батареи имеют плотность энергии более 300 Вт·ч/кг уже на этапе опытного образца.

Отделение А3 фирмы Airbus использует литий-полимерные батареи в своем eVTOL Vahana, первый полет которого состоялся в январе прошлого года. Фирма Pellion в 2016-м начала использовать на БЛА магний-ионные батареи с плотностью энергии на уровне элемента 360 Вт·ч/кг. В настоящее время ряд компаний, в частности Sion Power, анонсируют появление элементов с плотностью 500 Вт·ч/кг.

Большинство перспективных батарей удовлетворяют требованиям по продолжительности зарядки и циклическому ресурсу, и их создание считается оправданным, даже если батареи потребуется заменять через каждые 500 циклов, что эквивалентно 3?4 месяцам их работы. При этом уже есть возможность компромиссных решений, чтобы обеспечить 500 циклов при стоимости 300 долл./кВт?ч.

Существенное значение имеет быстрая зарядка батарей, поэтому Uber сотрудничает с фирмой ChargePoint в разработке варианта аэродромной зарядной станции мощностью 400 кВт. При подзарядке будет обеспечиваться высокоскоростная циркуляция охлаждающей жидкости через батарею. Это поможет поддерживать температуру нагрева на безопасном уровне по меньшей мере в течение 5-минутных периодов подготовки к следующему взлету ЛА.

Страх перед винтом

Ранее считалось, что главным препятствием для распространения воздушных электротакси является недостаточная емкость батарей питания, но теперь на первое место вышел шум. И в отношении оценки шума и восприятия шумового эффекта в городских условиях существует большая неопределенность.

Для вертолетов, занимающих ту же нишу, что и четырехместные ЛА eVTOL, предел шума определен уровнем 85 дБ. Компания Uber намерена начать коммерческие воздушные перевозки в 2025 году с уровнем шума своего аппарата не более 70 дБ, что много ниже, чем у среднего грузового автомобиля и тем более вертолета. Фирма в рамках своего проекта надеется добиться открытия многих бездействующих городских площадок для вертолетов, от эксплуатации которых отказались из-за жалоб на шум, и использовать их для своих малошумных ЛА eVTOL.

Однако проблема заключается не только в уровне шума, но и в самом характере звука и в воздействии шума на человека. Люди согласны терпеть шум от санитарной авиации и полицейских вертолетов, но очевидно, что eVTOL будут разрешены только тогда, когда они станут восприниматься как малошумный вид транспорта. Этому должны способствовать «тихие» двигательные системы, которые помогут не допустить долговременного воздействия шума на людей и избегать его кратковременных пиков. Здесь также очень важна субъективная реакция человека на шум, особенно на кажущийся («виртуальный»), например от винта, который вызывает у людей испуг, особенно если летательный аппарат движется на малой высоте. Также присутствует страх падения машины на городские улицы. Такой «виртуальный» шум может быть даже более важным, чем реальный, и это требует особого внимания разработчиков.

Как показывают результаты проведенных фирмой Uber натурных исследований, раздражение напрямую определяется не только уровнем звука, но может быть вызвано и его характерными особенностями. В ЛА eVTOL с распределенной силовой установкой шум исходит от винтов и подъемных двигателей, а также от хвостового двигателя — и этим он коренным образом отличается от шума винтов вертолета. Пока точно не определено, какую степень раздражения будет вызывать этот специфический шум, это еще предстоит детально изучать. Пока в Uber провели цикл исследований шума от пролетающего небольшого спортивного самолета в версиях с двигателем внутреннего сгорания и электрическим двигателем. Были выявлены существенные отличия звуковых портретов.