Аэротакси для города

Компания Flyka о рынке беспилотных аэротакси.

В этом году отмечается резкий рост интереса к летающим автомобилям и аэротакси. Причина — в заявлениях ряда стран о разработке законодательной базы для такого рода транспорта, выходе из тени ряда разработчиков, включая крупных игроков рынка, а также в бурном развитии сопутствующих областей — электромобилей и альтернативной энергетики, — продвигающих лимитирующие для направления технологии ёмких батарей и эффективных электродвигателей.

Стоит также учитывать, что малая авиация — это 89% всех воздушных судов гражданской авиации, 87% всех полётов осуществляются малой авиацией, а летающие автомобили и аэротакси подпадают именно под эту категорию. Только в США ежегодный объём налоговых отчислений этой отрасли составляет $4 млрд, а годовой оборот — $50 млрд с устойчивым ростом. Это крупный и довольно консервативный рынок, поэтому неудивительно, что появление нового вида летательного аппарата вызвало его оживление.








Компания Flyka разрабатывает безопасное городское аэротакси на базе распределённой архитектуры роя самодостаточных мотоустановок, позволяющих аппарату быть устойчивым к отказам двигателей, батарей, систем и даже к пожарам на борту, при этом сохраняя рентабельную для авиаперевозчика стоимость — ниже стоимости вертолёта. В данной статье я попробую объяснить, почему была выбрана именно такая архитектура, каким наша компания видит будущее рынка и почему значительная часть современных проектов в этой области проиграет уже существующим самолётам и вертолётам.


Рынки.

Начиная любую разработку, всегда задаются двумя вопросами:
а) на какой рынок ты ориентирован?
б) почему пользователь предпочтёт твоё решение существующим?
Дело в том, что задача перевозки человека по воздуху решена уже давно. Есть лёгкие вертолёты, есть средние и тяжёлые вертолёты, есть легкомоторные самолёты и авиалайнеры. Задача перевозки человека на любую дистанцию по воздуху решается прямо сейчас имеющимися средствами. Так в чём тогда проблема?
А проблема — в стоимости и безопасности. Аэротакси в Нью-Йорке обойдётся вам в 500–2000 долларов. В России цена будет та же, т.к. экономия на зарплате пилота нивелируется ввозными пошлинами на вертолёт и запчасти (у нас в стране не выпускаются крупносерийно лёгкие вертолёты). При таких ценах услуга не может быть массовой.





Зачем разрабатывать новый вид летательного аппарата?

Потому что сделать авиаперевозку дешевле на существующих видах транспорта невозможно.
Вся современная авиация идёт по пути повышения качества комплектующих, тем самым повышая безопасность полёта и… стоимость машин. Через фиксированные промежутки времени авиатехника проходит техобслуживание по «формам». Например, для МИ-171 предусмотрены формы каждые 25, 50, 100 и т.д. лётных часов. В зависимости от содержания формы производятся работы от внешнего осмотра машины до разборки и дефектовки агрегатов. Дефектовка делается на специальном оборудовании специально обученными людьми в лицензированных компаниях. Эти люди проходят ежегодные курсы повышения квалификации и вместе с компанией обновляют свои лицензии. Другие люди — представители производителя — осуществляют продление ресурсов и участвуют в допуске техники к эксплуатации. Есть те, кто выдаёт лицензии, и те, кто выдаёт лицензии им. Это огромный муравейник с тысячами людей, каждый из которых получает зарплату, а организации — прибыль. И эти деньги берутся из стоимости лётного часа. Удешевить лётный час можно только упростив обслуживание.
Второй пункт расходов — это пилот. Его надо подготовить, ему надо платить зарплату и, опять же, обновлять свидетельство пилота.
Третий пункт — диспетчерская служба, которая должна координировать работу пилотов в тесном городском пространстве.







Зачем мультиротор?

Мультироторная архитектура позволяет ответить на вопрос, почему пользователь предпочтёт ваше решение, а именно — безопасностью полёта (если мультиротор сконструирован правильно).

Дело в том, что повреждённый самолёт может приземлиться на планировании, а вертолёт — на авторотации. Но в мегаполисе нет места для такой посадки. Для спуска на парашюте нужно как минимум стабилизировать падающий аппарат. Если аппарат вращается, например, в результате импульса, полученного от неодновременного отказа движителей, он попросту запутается в стропах. Но даже если аппарат стабилизирован, а парашют успел раскрыться и наполниться, то куда падать в мегаполисе? На автомагистраль, на двор с детьми и машинами, в реку?.. Да и пассажирам такой аттракцион вряд ли понравится.

Мультироторная архитектура появилась раньше монороторной. Во времена первых вертолётов Черёмухина и Корадино д'Асканио именно одновинтовая схема считалась бесперспективной, а авиационные выставки были заполнены мультикоптерами (Breguet-Richet Gyroplane, de Bothezat helicopter, Cornu helicopter и т.д.). Мультиротор технологичнее и логичнее, поэтому он и был изобретён раньше и имел такую популярность. Но управлять мультиротором было сложно. Сейчас такой проблемы не существует. Автоматические системы управления давно дешевле механики. Боевые истребители уже много лет строят по аэродинамически неустойчивым схемам, а авиалайнеры большую часть полёта управляются автопилотом, да ещё и с автоматическим расхождением по TCAS.

Улучшить безопасность летательного аппарата можно тремя путями:
§ увеличить надёжность отдельных элементов;
§ уменьшить количество ответственных элементов;
§ сделать систему распределённой, многократно зарезервировав элементы.

Мультиротор соответствует сразу всем путям — отсутствие свойственных вертолётам механических элементов управления (каждый из которых является точкой потенциального отказа) увеличивает надёжность и упрощает обслуживание (модульная замена типовых элементов), а также упрощает интеграцию автопилота (не нужно устанавливать дополнительные сервоприводы, которые, в свою очередь, являются источниками отказов). За счёт простоты механической части проблема повышения надёжности элементов переходит в электронную часть, которая стоит дешевле и проще резервируется.

Резервирование идеально ложится на данную архитектуру, т.к. основной элемент — движитель — уже распределён. Важна степень резервирования. Квадрокоптер падает при отказе любого движителя, но слишком большое число винтов ухудшает эффективность системы. Оптимальное количество движителей несложно рассчитывается математически исходя из требуемой надёжности и модели отказа каждого ротора.

Не стоит забывать и про батарею. Не важно, сколько у вас движителей, если они все централизованно питаются от одной батареи или управляются одной платой автопилота по единственному кабелю. В нашем проекте каждая мотоустановка имеет собственную батарею, подвешенную под своим двигателем. Это не только изолирует любые отказы (включая пожар) внутри мотоустановки и исключает зависимые и лавинные отказы, но также снимает нагрузку от массы батареи с фюзеляжа и позволяет делать его легче. С начала 2020 г. сгорело уже два электрических ЛА — Alice и Lilium, — а ранее Boeing 787 имел проблемы с воспламенением литиевых батарей.

Размещённая вблизи пассажира батарея, по нашему мнению, ставит крест на любом авиапроекте. В полёте и так множество опасностей — зачем ещё и самостоятельно минировать кабину?.. А при жёсткой посадке она точно не рванёт под креслом у туриста?





Почему автопилот?

Автопилот способен убрать из системы пилота и диспетчера.
Действительно, полёт шаттла «крыша — крыша» довольно предсказуем и легко просчитывается. Нет никакой необходимости держать на борту квалифицированного пилота ради 15-минутного перелёта.

Диспетчеризация и расхождение аппаратов в воздухе намного эффективнее решаются автоматизированными системами управления. Не нужно никакого искусственного интеллекта, машинного зрения и блокчейнов. Мобильная или радиосвязь, данные о координатах и скорости и единый сервер анализа траекторий разведут аппараты по эшелонам на векторной алгебре. В случае использования сразу нескольких мобильных операторов и систем спутниковой ориентации (и здесь резервирование) шанс остаться без связи минимален. Работать в условиях ядерной войны с отказом всех систем коммуникации городскому аэротакси не требуется; впрочем, и простейший TCAS реализуется на современной элементной базе без особых затрат.






Почему электричество?

В концепции шаттла «крыша — крыша» остро встаёт вопрос доставки и хранения топлива. Хранить тонны горюче-смазочных материалов на открытой молниям и статическому электричеству крыше опрометчиво, ещё сложнее обеспечить доставку топлива — возить в канистрах в лифте вряд ли возможно, ведь это запрещено правилами эксплуатации лифтов. Пришлось бы создать отдельный вид летающих танкеров и службу дозаправки, а это ударит по стоимости перевозки и усложнит систему. Не стоит забывать и об экологии городов — количество выбросов от аэротакси будет значительным, а рухнувший с небес танкер нанесёт колоссальный ущерб.

В то же время электрический привод обеспечивает достаточное для внутригородских перелётов время полёта уже сейчас, а время зарядки распределённой (и потому хорошо охлаждающейся) энергосистемы исчисляется минутами. Необходимые электрические мощности уже сейчас имеются в зданиях. Электрический движитель проще конструктивно, что делает возможным построение распределённых систем с меньшим, чем у двигателей внутреннего сгорания, приростом стоимости и сложности обслуживания. Если зафиксировать крейсерскую скорость перемещения городского аэротакси по воздуху и тем самым отказаться от системы изменения шага несущего винта, то во всей двигательной установке будет изнашиваться один-единственный подшипник с ресурсом 6000 ч.

Показательно, что до середины двухтысячных годов рынок радиоуправляемых моделей, особенно летающих, был весьма нишевым. Чтобы поиграть 10 минут самолётом, нужно было заправить бак токсичным и подпадающим под регулирование топливом, разогреть свечи, завести двигатель ручным электростартером или пальцами (с риском их лишиться). А в случае аварии — долго и дорого ремонтировать модель. С появлением доступных литиевых батарей и электродвигателей рынок совершил скачок. Стоимость моделей уменьшилась, а их разнообразие многократно возросло, они заполонили прилавки магазинов, появились немыслимые ранее мультикоптеры. Именно переход на электричество и снижение проблемности владения привели к такому результату.

Спросите себя: купили бы вы коптер для селфи, который надо заправлять метанолом и заводить пальцем?





Почему не конвертоплан?

Многие из представленных компаниями-разработчиками проектов строятся по схеме конвертоплана. Чтобы понять проблемы данной схемы, обратимся к понятию эффективности воздушного винта. Эффективность тем выше, чем больше диаметр винта и ниже скорость его вращения. Поэтому вертолёты именно такие. Платой за КПД является ограничение максимальной скорости вертолёта, вызванное эффектом срыва потока с довольно медленной лопасти, движущейся обратно движению вертолёта: относительно воздуха её скорость и подъёмная сила приближаются к нулю.

У самолётов винты, напротив, малого диаметра и высокооборотные. Это необходимая жертва ради скорости — запирание (или «волновой кризис») возникает у быстрого винта на большей скорости.

Теперь посмотрим на конвертоплан. Например, на знаменитый Bell V-22 Osprey (хотя даже ЯК-38 можно считать конвертопланом). Очевидно, что его винты являются компромиссом между винтом вертолёта (для обеспечения приемлемой тяги и КПД на висении) и винтом самолёта (для обеспечения приемлемой скорости в горизонтальном полёте).
Также обратимся к понятию энерговооружённости — отношению мощности двигательной установки к массе летательного аппарата. Измеряется она в ваттах на килограмм или в единицах тяги: для аппаратов вертикального взлёта и посадки тяга должна быть выше 1 (превосходить массу аппарата), для самолётов же она может составлять 0,3.

В следующей таблице представлены три серийных летательных аппарата снаряжённой взлётной массой около 22 тонн каждый — самолёт АН-140, конвертоплан Bell V-22 и вертолёт Boeing CH-47. Из таблицы очевидно, что для достижения параметров АН-140 конвертоплан V-22 должен иметь значительно бо́льшую энерговооружённость, которая расходуется как раз на преодоление аэродинамических неоптимальностей конвертоплана. Большая масса двигательной установки и вспомогательных систем крадёт внутренние объёмы, что видно по пассажировместимости.



На взлёте конвертоплану нужно обеспечить тягу более своей массы, а в горизонтальном полёте, когда основная нагрузка ложится на крылья, двигатели могут быть переведены в щадящий режим, но излишняя масса становится «мёртвым грузом», который приходится возить с собой. Максимальная эффективность конвертоплана достигается именно в горизонтальном полёте «по-самолётному», поэтому он неэффективен на коротких дистанциях. На длинных дистанциях он всегда уступит самолёту в скорости за счёт ограничений, накладываемых большими и медленными винтами.

Также конвертоплан намного сложнее технически, чем вертолёт и самолёт, что увеличивает стоимость и аппарата, и его содержания, а также повышает вероятность отказа за счёт большего числа ответственных за полёт элементов. Количество аварий V-22 красноречиво говорит о ненадёжности этого вида транспортного средства.
Так зачем нужен конвертоплан? Для этого рода аппаратов есть узкая ниша, когда должна быть осуществлена перевозка с вертикальным взлётом и посадкой (или зависанием), но на скорости большей, чем может обеспечить вертолёт. Это важно для десантных операций, где скорость преодоления ПВО противника важнее стоимости лётного часа. В гражданском секторе конвертоплан может применяться для междугороднего сообщения «крыша — крыша»: на дистанциях в 300 и более км преимущество в скорости перед вертолётом станет заметно. Но внутри города он эффективнее заменяется более дешёвым вертолётом.




Вместо заключения
К сожалению, построить большой квадрокоптер и придумать ему модное название — мало. Подобные конструкции не способны ответить на вопрос — почему вы, а не Робинсон? Хуже того, большинство проиграют серийному «Робинсону» по совокупности параметров.

С другой стороны, строить городское аэротакси по классическим канонам, упирая лишь на эффективность и расход энергии, в корне неверно. Основным критерием городского аэротакси должна стать безопасность. Посмотрите на окружающие вас автомобили: насколько они энергетически эффективны для перевозки 1–2 человек? Почему водитель Range Rover не пересаживается на более эффективный мопед? Возможно, у него есть для этого причины, не связанные с КПД его двигателя и расходом топлива?

Несмотря на то что энергетическая эффективность пропеллеров мультироторных аппаратов априори ниже, чем у монороторного вертолёта и даже простейшего квадрокоптера 4×1, эти аппараты, при условии правильного проектирования систем и достаточной степени распределения, способны обеспечить бо́льшую безопасность полёта, чем существующие авиалайнеры, при этом удержав свою стоимость равной или меньшей стоимости легкомоторного вертолёта. Упрощается и удешевляется обслуживание: типовые блоки можно менять в сборе силами низкоквалифицированного персонала, а диагностику автоматизировать, как у современных автомобилей. Перекладка функций с механической части аппарата на электронную упрощает и удешевляет бортовую систему.

Меньшая энергетическая эффективность движителя мультиротора (по сравнению с вертолётом) приводит к увеличению расходов на энергию на 48 долларов в сутки, при этом выгода за счёт технологических улучшений достигает 700 долларов в сутки. Очевидно, что эффективность движителя не является определяющей в оценке стоимости лётного часа такого рода ЛА.

Большое количество пропеллеров на первый взгляд даже менее эффективно, чем, например, 4 спаренных пропеллера квадрокоптера вида 4×2. Однако, если чуть-чуть подумать, разрыв станет не таким уж и большим, ведь спаренный движитель должен иметь не менее 50% запаса мощности для каждого двигателя (из пары) и его контроллера, чтобы в любой момент компенсировать утраченную тягу отказавшего напарника и избежать аварии. Эта лишняя масса резерва будет возиться мёртвым грузом каждый полёт и не использоваться в нём (иначе пропадает весь смысл резерва). Для аппарата с большим количеством моторов (22 в нашем случае) этот необходимый для компенсации отказов запас составляет всего 4% на мотор. И эффективность использования доступной в полёте мощности и массы получается выше.

Подвешенные под моторами батареи не нагружают своей массой силовой каркас и фюзеляж и тем самым позволяют сэкономить их массу. Также нет необходимости тянуть из центра аппарата силовые медные кабели от батареи к моторам, общая масса которых на борту может достигать 80 кг (расчёт сделан для volocopter-а исходя из опубликованных чертежей и информации из патентов об устройстве и параметрах системы питания).
В нашем ЛА длина силового кабеля в каждой мотоустановке составляет всего 15 см, а их суммарная масса — менее 1,5 кг. Разумеется, электрические потери в кабеле у нас тоже меньше. Сможет ли бо́льшая эффективность винта вертолёта или квадрокоптера скомпенсировать лишние 80 кг меди на борту и отопление атмосферы кабелем? И можно ли одной подобной инженерной ошибкой убить весь выигрыш от лучшей аэродинамики?
Ответ очевиден.

В пользу КПД мультиротора также играют и физические процессы, происходящие в поле давления от рядом расположенных пропеллеров. Опыт облёта прототипов, в том числе и с имитацией случайных отказов, показывает, что КПД мультиротора не так уж и уступает эквивалентному квадрокоптеру (оценка велась по току потребления моторами и времени фактического полёта на каждый А·ч), но многократно превосходит его по точности управления и стабильности в полёте.

Мультироторная архитектура дарит также и больший комфорт в полёте, т.к. шумы и вибрации мотоустановок в кластере в значительной степени взаимокомпенсируются, а равномерное поле давления, создаваемое кластером пропеллеров, делает аппарат более устойчивым в полёте; в пользу этого также играет и меньшая инертность каждого винта малого диаметра, требующего меньше времени и энергии на изменение своей частоты вращения и отработку внешнего возмущения.

Расположенные под моторами (ниже геометрического центра ЛА) батареи, дополнительно подавляющие своей массой вибрации двигателей и эффективно охлаждаемые потоком воздуха от пропеллеров, улучшают стойкость аппарата к ветровым возмущениям и опрокидыванию. Конечно, от этого страдает динамичность ЛА, но мы ведь и не истребитель строим…

Высокая стабильность в режиме висения вместе с защищёнными двигателями даёт аппарату возможность подходить к сооружениям с любой стороны и, например, высаживать ремонтный персонал. Изогнутая форма кластера нашего ЛА разработана таким образом, что при висении моторы направлены «враскоряку» и своими разнонаправленными струями помогают удерживать позицию, как это делают суда с СДП и нефтяные платформы. Но стоит наклонить аппарат на незаметные пассажиру 5–7 градусов вперёд, как передние моторы устанавливаются горизонтально, а задние поворачиваются уже на 15–20 градусов к направлению полёта, обеспечивая выраженный вектор горизонтальной тяги без установки дополнительных двигателей горизонтальной тяги или каких-либо поворотных механизмов, обладающих сравнительно низкой надёжностью и высокими стоимостью и массой.



Проблему нельзя решить на том же уровне, на котором она возникла (с). Развитие технологии непрерывно смещает балансы, и то, что было сложно или нерентабельно в начале XX века, оказывается проще и дешевле в начале XXI, а нерентабельное и на первый взгляд глупое техническое решение для привычных условий способно совершить революцию в условиях новых.
Мы верим, что правильно спроектированные сверхнадёжные мультикоптеры составят основу мирового авиапарка городов XXI века.





О проекте Flyka


Было бы неправильным не рассказать, а что же реально сделано командой Flyka и на какой стадии находится проект.

Мы с самого начала сделали упор на разработку бортовых систем. Мы разработали свой надёжный соосный двигатель, свой контроллер двигателей и свой автопилот в строгом соответствии с требованиями стандартов серии DO (-178, -254, -160 и т.д.) и авиационных правил. Мы не видим смысла строить не имеющий перспектив сертификации и дальнейшего развития ЛА ради одного успешного взлёта на камеру.
Мы математически вывели оптимальную архитектуру ЛА и структуру бортовой распределённой сети мотоустановок, оптимальные алгоритмы распределённого автопилота и контроллера двигателей и доказали на матмоделях и в испытательных полётах высокую степень отказоустойчивости и отсутствие сценариев лавинных и зависимых отказов.

Результатом этой работы и стала разработка собственного бортового оборудования, а также распределённого автопилота с оригинальным отказоустойчивым алгоритмом САУ. Лётные испытания с вирусным кодом, отключающим в случайном порядке двигатели без ведома САУ, показали способность выдержать 7 отказов и более (более — уже с потерей высоты, но с сохранением управляемости). Параллельно велась разработка соосного двигателя собственной конструкции. Разработка велась 2 года и потребовала строительства полноценного испытательного стенда с сертификацией измерительных каналов метрологом Ростеста, иначе довести параметры мотора до требуемых значений было бы невозможно. На видео выше можно видеть ресурсную гонку в течение 26 минут (на самом деле 40 минут, но камера разрядилась раньше) на 100% газа в реальных условиях. Это также является ответом на вопрос — а что будет под дождём или в снег? Как видно, ничего плохого не будет.

Параллельно изучалась работа соосного винта в оболочке и эффекта Бартини. Разработан аэродинамический колодец, обеспечивающий прирост эффективности (в г/Вт) на 14% по сравнению с открытым соосным винтом.

Разумеется, контроллера двигателя, способного работать в распределённой сети, корректно управлять соосным двигателем и при этом быть лёгким, в продаже не было, и его тоже пришлось разработать.

Конструктивно проект развивался от попыток разместить двигатели спереди и сзади, уже тогда реализуя полное распределение, до текущей, более совершенной конфигурации боковых складываемых кластеров.

Рисунок летательного аппарата из самого раннего патента

Проект непрерывно развивается более шести лет и делает это в полном соответствии с научным методом. Любая идея или модель проходит сначала математическую, следом — натурную апробацию, и только затем включается в проект. Мы прошли огромный путь и заложили прочный технологический фундамент компании вместо поспешного изготовления имитаторов ЛА из комплектующих для игрушек. Мы готовы к сертификации по самой сложной программе — для пассажирского ЛА — вместо типичного для отрасли сертификата experimental aircraft, который иные проекты лукаво выдают за факт прохождения их изделием полноценной сертификации (хотя данный сертификат выдают вообще на любой ЛА, на то он и experimental).


Безопасность пассажира — всегда на первом месте. Доставить пассажира в целости — любой ценой. Пожалуй, это лучший девиз для Flyka.