На 2019 год выпало сразу две памятные даты, связанные с вертолетами: 110 лет со дня рождения знаменитого советского конструктора Михаила Миля и 80 лет с испытаний первого в мире одномоторного аппарата VS-300, созданного эмигрировавшим в США Игорем Сикорским. Миль шутил, что Россия как будто специально создана для вертолетов, а Сикорский мечтал, что они станут летающими автомобилями. Почему эта мечта не сбылась и осуществится ли она?
"Согласно современным представлениям о воздухоплавании, для взлета и посадки судов почти всегда требуется большое поле. Как правило, человек не может взлететь рядом с домом и добраться до пункта назначения, как на автомобиле. Но мечты прошлого и обнадеживающие прогнозы на будущее рисуют другой летательный аппарат, способный безопасно подниматься в ограниченном пространстве между домов и деревьев или с маленьких платформ на крышах. Такой аппарат откроет многие возможности и может стать крайне ценным средством передвижения как для обычного человека, так и для государственных организаций", — рассуждал Сикорский в январе 1941 года, выступая с докладом об испытаниях VS-300. Он оказался прав лишь отчасти.
По всему миру находится в эксплуатации примерно 32 тыс. вертолетов (без учета военных машин). Для сравнения: в одном только Евросоюзе в 2017 году было 268 млн пассажирских и 40,2 млн коммерческих автомобилей. Разница — почти тысячекратная. С помощью вертолетов тушат лесные пожары, патрулируют улицы и побережье, проводят поисковые и спасательные операции, выполняют сельскохозяйственные работы и съемку местности, возят грузы. Но как пассажирский транспорт их используют разве что работники нефтяных и газовых компаний, фирм, занимающихся морскими ветрогенераторами, высокопоставленные менеджеры, чиновники и просто богатые люди.
"Когда Миль говорил, что Россия специально сделана для вертолетов, он имел в виду наши просторы, труднодоступные точки, куда можно летать только вертолетом, но, к сожалению, это и сейчас не реализовано", — рассуждает доцент кафедры "Проектирование вертолетов" Московского авиационного института (МАИ) Борис Артамонов. Впрочем, в других странах вертолеты тоже так и не стали значительной частью транспортной системы, как прогнозировали с 1950-х годов.
Что не так с вертолетами
Главное преимущество вертолетов — способность взлетать и садиться вертикально, а когда надо — зависать в воздухе. Но конструкция, которая позволяет это сделать, создает много трудностей в полете. Причина в винте: вращающиеся лопасти и удерживают машину в воздухе, служа крылом, и обеспечивают ее перемещение в пространстве.
Чтобы вертолет летел горизонтально, пилоты наклоняют его или винт вперед. Чем выше скорость, тем сильнее должен быть наклон — и тем тяжелее удержать аппарат в воздухе: подъемная сила уменьшается. Вдобавок в таком положении растет сопротивление, следовательно, и расход горючего. "Аэродинамика винта существенно сложнее, чем аэродинамика самолета. На порядок или даже несколько порядков", — говорит Борис Артамонов.
Вертолеты сравнительно медленные — редкая модель способна лететь с горизонтальной скоростью 350–400 км/ч (крейсерская скорость пассажирских самолетов — 800–900 км/ч). Если лететь еще быстрее, концы лопастей преодолеют звуковой барьер. "Работать на таких винтах — это неразумно, потому что сопротивление большое, нагрузки большие, это все передается на систему управления", — объясняет Борис Артамонов. Сопротивление можно снизить, утончив лопасти на концах, но полностью проблему этим не решить.
Другое препятствие — с увеличением скорости нарастает маховое движение лопастей. Из-за этого машина теряет устойчивость и управляемость, которые и так оставляют желать лучшего. "Без автопилота управлять вертолетом практически невозможно", — говорит Борис Артамонов. Чтобы винт не взмахивал, его крепят к втулке жестко, но тогда лопасти испытывают огромное напряжение. Эту проблему конструкторы пытаются решить с помощью композиционных материалов, но, опять же, пока это удалось не в полной мере.
Проблемы возникают на любой скорости полета. Какой бы она ни была, вертолет испытывает циклические нагрузки, из-за которых узлы машины быстро изнашиваются. "На самолете вы поднялись и летите. Ну, попадаются зоны турбулентности. Мы же проектируем вертолеты не только под статическую, но и под динамическую нагрузку", — рассказывает Борис Артамонов. По его словам, первые лопасти служили всего 100–200 часов, а сейчас ресурс достигает 2–3 тыс. часов.
Но пусть современным вертолетам реже нужна замена деталей, пользоваться ими все равно дорого. "Перевозить вертолетами людей или грузы не так выгодно, как самолетами. У них слишком маленькая вместимость, чтобы конкурировать на больших расстояниях. Другая причина — расход горючего: "тяжелые" вертолеты с 20 пассажирами на борту способны пролететь лишь около 500 морских миль (чуть менее 1 тыс. км — прим. ТАСС). По сравнению с самолетами они играют незначительную роль", — объясняет в письме аналитик консалтинговой компании International Bureau of Aviation Алистер Фэллон. Пассажирам вдобавок приходится мириться с шумом и тряской, которые тоже пока не получается снизить до комфортного уровня.
Все это запирает вертолеты в нишах, где им просто нет замены.
Как еще приспособить винты для полетов
Совершенствовать конструкцию вертолетов — это один путь. Другой — изменить их настолько, что получатся летательные аппараты другого класса. Еще в 1950-х годах британская компания Fairey Aviation создала аппарат под названием Rotodyne. Сверху у него располагался несущий винт, как у вертолета, а по бокам — короткие крылья с дополнительными пропеллерами, как у самолета. Подобные машины называются винтокрылами и были изобретены еще 100 лет назад. По идее, они способны развить большую скорость по сравнению с вертолетами, не теряя устойчивости.
Rotodyne задумывался как лайнер с вертикальным взлетом и для гражданских, и для военных нужд, но дальше прототипа дело не пошло. По рассказам очевидцев, машина шумела так, что людям было трудно разговаривать даже в 3 км от нее.
Впрочем, идею не забросили. В Airbus разрабатывают экспериментальный аппарат RACER, напоминающий Rotodyne, только меньшего размера и с двойными узкими крыльями, сходящимися на концах. На высоких скоростях крылья будут создавать подъемную силу, снимая часть нагрузки с несущего винта, а дополнительные пропеллеры позволят разогнать машину так, чтобы края лопастей не преодолевали звуковой барьер. Но пока это все теория: тестовые полеты RACER запланированы на 2020 год.
Другой родственник вертолетов — конвертоплан, еще больше напоминающий самолет. У таких машин винты установлены только на крыльях: располагаясь параллельно земле, они позволяют подниматься и опускаться вертикально, а в полете поворачиваются вперед. "Схема интересная, но в ней и проблем много. На винты ложится огромная нагрузка, если откажет силовая установка, то машина не сядет в режиме авторотации (когда лопасти вращаются сами по себе подобно семенам клена — прим. ТАСС), в пылевых условиях было несколько аварий, потому что летчики теряют ориентацию, не видя землю", — объясняет Борис Артамонов. Вдобавок, даже если наклоняется только винт, а не двигатель или крыло целиком, конструкция с поворотным механизмом сложнее и дороже, чем у обыкновенных самолетов.
В мире существует всего несколько моделей конвертопланов, большинство из них — экспериментальные. Чуть ли не единственный серийный аппарат — американский военный V-22 Osprey и его модификации.
Правда, NASA, Leonardo, Karem Aircraft разрабатывают новые демонстраторы и даже серийные модели, которые покажут, стоит ли игра свеч. По словам Алистера Фэллона, в этой области лидирует Leonardo: ее гражданский конвертоплан AW609 должен быть готов самое позднее в начале 2020 года, производитель уже договорился о поставке двух аппаратов для Era Group. Их будут использовать для поисково-спасательных операций, транспортировки к прибрежным объектам, перевозки VIP-пассажиров и пациентов — иными словами, так же, как вертолеты.
Революционны ли коптеры
Но ни о вертолетах, ни о винтокрылах, ни о конвертопланах не говорят столько, сколько о летательных аппаратах с четырьмя и более винтами, пилотируемых и беспилотных. Хотя схема была известна давно, такие машины — прежде всего жужжащие над головой квадрокоптеры — получили распространение только в последние годы. "Считаю, причина в том, что на них можно реализовать электропривод винтов, появились шаговые двигатели, которые вращаются с приемлемыми оборотами, лопасти из композиционных материалов, электронные системы управления. Все это соединилось и дало толчок", — объясняет Борис Артамонов.
Но одно дело — сконструировать квадрокоптер, помещающийся в рюкзак, другое — машину, которая способна поднять в воздух тяжелые грузы и пассажиров. Чем больше винтов, тем сложнее контролировать аппарат, ведь у каждого из них необходимо по отдельности регулировать скорость вращения и угол атаки (в простых аппаратах винты не поворачиваются, но от этого управлять ими даже труднее), не говоря уже о других параметрах полета. Человеку такое не под силу, поэтому требуется автоматика, в идеале — такая, чтобы летать вообще без летчика.
Технологии автопилотирования значительно усовершенствовались. В марте 2019 года корреспондент сайта Wired полетал на опытном вертолете компании Sikorsky с системой Matrix. Эта система позволяет выбрать на экране планшета место назначения, желаемую скорость, высоту и, нажав всего одну кнопку, отправиться в путь. "Kaman Aerospace испытала свой вертолет K-Max в беспилотном режиме со сбросом груза, но тесты проходили в безлюдном месте, где нет дорог", — рассказывает Алистер Фэллон. Корреспондент Wired тоже летал за городом. Не подведут ли эти системы, когда вокруг много помех, — это еще вопрос.
Впрочем, Борис Артамонов напомнил, что в августе 2019 года на праздновании юбилея ВДНХ рой квадрокоптеров рисовал в небе разные фигуры, выстраиваясь впритирку друг к другу, как по линейке. Это шоу не доказало, что сотни или даже тысячи аэромобилей спокойно поделят небо, хотя выглядело обнадеживающе.
Кроме автоматизации инженерам предстоит разобраться еще с одной проблемой. В коптерах используются электрические двигатели, более надежные и простые в управлении, чем двигатели внутреннего сгорания. Питаются они от аккумуляторов, а емкости батарей на сегодняшний день хватает в лучшем случае на десятки минут полета. Аккумулятор можно установить и побольше, но тогда и масса летательного аппарата увеличится, а значит, ему потребуется больше энергии — получается замкнутый круг. Вдобавок перезарядка занимает больше времени, чем дозаправка, а время — деньги. "Когда сталкиваешься с этими вещами, ясно, что создать "чисто электрический" аппарат грузоподъемностью в тонну практически невозможно. Легче — можно, но тогда полет будет 10–20 минут. Далеко ли вы улетите?" — рассуждает Борис Артамонов.
"Если рынок не просядет и условия в мировой экономике позволят дальше инвестировать в аппараты с вертикальным взлетом и посадкой, то есть все шансы, что новые способы передвижения по воздуху станут реальностью", — считает Алистер Фэллон. Но планы производителей смелее, чем прогноз аналитика. Например, Uber уже в следующем году собирается испытать свое аэротакси (что-то среднее между конвертопланом и коптером), а в 2023-м — начать его коммерческую эксплуатацию. Уложиться в сроки компании будет трудно, и дело не только в технологиях.
Что не во власти инженеров
"Воздушное пространство ограничено. Не просто так борются с квадрокоптерами: возможны столкновения, аварии, не говоря уже о проблемах режимности и секретности. Над столицей если кто-то и летает, то вдоль русла Москвы-реки либо за окружной дорогой. Вы даже не полетите к себе на дачу, потому что у нас везде разрешительный принцип: вы должны запрашивать диспетчера", — объясняет Борис Артамонов.
В Китае, как сообщает агентство Reuters, регулирование воздушного пространства ослабили, но в крупных городах и поблизости от них все равно так просто не полетаешь. Европейское агентство авиационной безопасности (EASA) летом 2019 года утвердило основные требования к легким аппаратам с электродвигателем, которые взлетают и садятся вертикально, но полные спецификации еще не готовы. К тому же EASA отвечает только за машины, а лицензированием летчиков и контролем воздушного пространства занимаются органы Европейского союза и стран-членов. В США все эти полномочия — у Федерального управления гражданской авиации, но оно еще не определилось с нормативами для инновационного транспорта.
Для того чтобы многовинтовые аппараты — и вертолеты — стали массовыми, также нужна новая инфраструктура, прежде всего посадочные площадки в удобных местах. "Вы их не видите, но на современных домах есть такие площадки", — говорит Борис Артамонов. Вот только проектировали их для экстренных случаев, а не сотен или даже тысяч полетов в день. Хватит ли всем места — хороший вопрос, но также не ясно, согласятся ли люди терпеть шум и завихрения воздуха, создаваемые винтами (вездесущий предприниматель Илон Маск считает, что нет, не станут, поэтому следует развивать подземный транспорт).
"Для военных, правоохранительных органов и органов безопасности, поисковых и спасательных служб, медиков, в операциях по оказанию гуманитарной помощи, для перевозки VIP-пассажиров и некоторых других нужд вертолеты всегда будут незаменимы", — считает Алистер Фэллон. Если инженерам удастся устранить недостатки многовинтовых аппаратов с электродвигателями, то эти машины составят вертолетам конкуренцию. Соперничать с другими видами транспорта будет труднее. "Стоимость тонны-километра в любом случае будет выше у вертолета, чем у самолета. На квадрокоптерах точно так же, но экономику еще не считали. Но при этом вы имеете вертикальный взлет и посадку, за это надо платить", — говорит Борис Артамонов.
