Перспективы использования авиационных систем легче воздуха
Проблемы малой авиации, к которой, условно, относят ВС массой до 20 тонн, имеют место в последние годы не только в России (1). По опубликованным в августе 2012 года материалам на сайте Совета по использованию транспорта при правительстве США (2), совет не поддержал дальнейшее финансирование программы SATS (транспортная система на основе малой авиации), которую с 2002 по 2011 год внедряли NASA вместе с несколькими десятками частных компаний, университетов и других организаций под координацией FАА. Основной целью программы преследовалось уменьшение потери времени пассажиров, летавших через аэропорты-хабы, от ожидания стыковок и задержек при сбойных и непредвиденных ситуациях (3). Для этого планировалось привлечь малую авиацию на перевозку населения с максимальным приближением к пунктам проживания, используя сеть местных аэродромов. Планировалось задействовать тысячи малых самолетов в качестве воздушных такси и организовать систему региональных перевозок, при этом улучшить аэронавигационное обеспечение местных воздушных линий. Однако в итоге, программа была признана невыполнимой из-за дороговизны тарифов (2). В течение десяти лет авторитетным организациям не удалось найти выход из тупика убыточности местных аэродромов и повысить эффективность перевозки малой авиацией до приемлемых для населения цен.
Содержание сети из 3400 аэродромов с низкой или отрицательной рентабельностью, таково условие использования малой авиации в стране, имеющей самый большой воздушный флот таких самолетов в мире. Сами малые ВС могут быть эффективными, но инфраструктура в лице незагруженных аэродромов является экономическим барьером для дальнейшего развития малой авиации. Основная часть этих аэродромов досталась в наследство от 40-50 годов, когда применялась ближнемагистральная авиация. Их закрытие сопряжено с местными условиями, вместе с тем, это тормозит поиск путей развития региональной авиации другими средствами.
Учитывая, что местные аэродромы не только проблема Соединенных Штатов, аналогичные потери несут все географически крупные страны, на наш взгляд, можно сделать вывод, что использование безаэродромных средств, таких как вертолеты и аэростатические ЛА, может рассматриваться как альтернатива в поиске путей повышения эффективности региональных перевозок и более рационального использования бюджетных средств.
Рассмотрение АТЛА как транспортного средства только отдаленного будущего сдерживает их современную разработку и смелость внедрения в жизнь, которые были свойственны первопроходцам-воздухоплавателям 30-х годов прошлого столетия.
Высокая парусность и отсутствие противообледенительной защиты делали дирижабли неконкурентоспособными. Но семь лет назад появились первые разработки, в которых воплощены последние достижения науки и техники. В 2006 г. был испытан разработанный американской компанией Lockheed Martin, совместно с британской Hybrid Air Vehicles, дирижабль гибридного типа серии P-791. В настоящее время проходят испытания аппараты Aeroscraft, представленного фирмой Aeros Corporation и LEMV фирмы Northrop Grumman, проект пока приостановлен. По аналогичным характеристикам заявлена разработка воздухоплавательным центром «Авгуръ» аппарата «АТЛАНТ» в Сколково.
Они представляют совершенно новый тип гибридного летательного средства с элементами современных решений в системах управления. К ним относятся: новая аэродинамическая конструкция, безбалластная система контроля высоты, изменяемый вектор тяги силовых установок и элементы воздушно-динамического удержания приземления. Найденные решения позволяют новому АТЛА повысить маневренность, уменьшить метеозависимость, обеспечить точность и надежность приземления.
Прогресс, достигнутый применением механизма контроля высоты полета, основанного на эффекте субмарины сжатием и выпуском газа, с поворотом двигателя и изменением вектора динамической тяги, позволил довести операцию приземления в любой заданной точке до полной автоматизации.
Эти внедрения приблизили аэростатические ЛА по летным характеристики к вертолетной технике. Стало возможным, в рамках оценки безаэродромной техники, сделать сравнение нового АТЛА с вертолетом по параметрам технической и эксплуатационной привлекательности: динамичности, безопасности, комфортности и экономичности эксплуатации.
Создание подъемной силы горизонтальным вращением лопастей и требование крена при маневре допускают выход аппарата на критические углы режима полета, что небезопасно и требует высокого профессионализма летчика. Размах лопастей и крутящийся момент винтов обуславливает ограничение больших объемов воздушного пространства вокруг вертолета для использования другими ВС. Этих недостатков, усложняющих динамичность и безопасность полета, современные аэростатические ЛА почти не имеют. Шум и вибрация, свойственная вертолетной технике, а также дополнительный удельный расход топлива на поднятие собственного веса, также увеличивают привлекательность АТЛА. Вызывает дискуссию сравнение метеозависимости вертолета и АТЛА на предмет противостояния обледенению, у гибрида дирижабля это больше выражено из-за объемности газоудерживающей оболочки. В обоих случаях решение этого фактора является вопросом времени по мере развития НТП.
Таким образом, аэростатический аппарат, по крайней мере, не уступает по эксплуатационной привлекательности вертолетам, а по ряду свойств может их превзойти.
На современном этапе отличительной особенностью малой авиации стало её активное использование в экспериментальных работах по внедрению систем автоматизации управления полетом. Для оценки возможностей расширения горизонта использования такой авиации, включая гибридные аппараты, за счет новой функции, рассмотрим имеющиеся достижения в этой области.
Последние годы развитие авиации тесно связано с массовой разработкой и внедрением беспилотных ЛА (БПЛА), которые, являясь представителями малой авиации и управляемыми авиароботами, стали проводниками автоматики в процессы пилотирования и аэронавигации воздушных судов.
Рост потребности в БПЛА различных отраслей экономики и прямая заинтересованность военных и силовых ведомств привели к интенсивным исследованиям и непрерывному совершенствованию конструкции аппаратов и внедрению систем автоматизации управления на всех этапах полета. Наибольших практических результатов достигли США, имеющие в настоящее время на вооружении и в ведомственной эксплуатации тысячи беспилотников (4). Вместе с ними передовые позиции занимают израильские, английские, российские, французские ученые. Не отстают страны Юго-Восточной Азии, Канада, Индия, т.е. разработка и внедрение БПЛА стало общемировым, как сейчас принято говорить, трендом.
Связанные с этим достижения в 2013 году отмечены двумя событиями, которые признаны революционными в области автоматизации полета летательного аппарата. В апреле в Великобритании в рамках программы ASTRAEA впервые были проведены испытания беспилотного пассажирского 19-местного самолета Jetstream (5). Взлет-посадку осуществляли пилоты на борту, сам полет проходил под контролем наземного оператора и диспетчерских служб. В рамках европейской программы ASTRAEA стоимостью 62 млн. фунтов-стерлингов предполагается разработка технологии беспилотного управления летательными аппаратами на основе искусственного интеллекта, процедур и протоколов взаимосвязи с наземными службами и навигационными системами, инструкций, условий и требований безопасности, позволяющим БПЛА в автоматическом режиме совершать полеты в воздушном пространстве европейского сообщества.
Второе событие также связано с использованием искусственного интеллекта: в июле 2013 г. был продемонстрирован взлет БПЛА Х-47В с авианосца G.Bush, США, полет по заданию и посадка на сухопутной авиабазе (6). В ответственных моментах полета управление БПЛА производил пилот-оператор. В дальнейшем планируется осуществление всех этапов полета в автоматическом режиме, включая автопилотирование посадки на движущийся авианосец, а также при волнении моря. Разработанный компанией Northrop Grumman в рамках начатого в 2001 г. проекта J-UCAS тяжелый беспилотник имеет систему автоматизации управления, в которую интегрирован искусственный интеллект.
Примечательны суждения разработчиков автоматизированных систем управления о перспективах их использования. Директор программы ASTRAEA и один из руководителей компании BAE Systems Л. Доппинг-Хепенстэл сказал, что данные разработки будут внедряться в повседневную жизнь через пять, десять, двадцать лет, поскольку технологии БПЛА постепенно начинают переходить из военной области в область гражданской авиации (5).
Два события, говоря словами того же Хепенстэла, открывают новую страницу в истории авиации. Многие эксперты и разработчики прогнозируют, что на рубеже ближайшего десятилетнего периода автоматизация управления пилотированием будет иметь широкое внедрение в авиации, за человеком останется контроль техники и планирование полетов, т.е. порядок использования ЛА. Отметим, что тихоходные системы, такие как АТЛА, имеют большую расположенность к автоматизации управления.
Вместе с тем, полет в современных условиях использования воздушного пространства не может быть автономным не только из-за наличия других ВС в воздухе. В процессах автоматизации значительную роль играют системы навигации, а также наземные службы организации воздушного движения. Один из лидеров среди разработчиков навигационного и авиационного оборудования компания Rockwell Collins считает, что: «главное в развитии беспилотных аппаратов – создать автоматизированные системы управления воздушным движением, которые позволили бы гарантировать безопасное взаимодействие беспилотников с другими летательными аппаратами» (7). На основе современных разработок этой компании в рамках программы ИКАО «Единое небо» (8) начинает внедряться система автоматического зависимого наблюдения (ADS-B), позволяющая летательным аппаратам (в том числе беспилотникам) автоматически обмениваться сигналами о своем местоположении (9), в перспективе обеспечивать автоматическое взаимодействие для обеспечения безопасности полетов.
Кроме зависимого наблюдения в США с 2012 г., а, в перспективе, и в других странах, начала внедряться программа для беспилотников «SAA System» («чувствую и уклоняюсь»). Это бортовая система, основанная на получении и обработки на борту БПЛА данных с микро РЛС-датчиков, видео и акустических сенсоров для обнаружения и уклонения от препятствий и всех ВС, находящихся на курсе аппарата (10). Все три системы, включая ADS-B и TCAS (предупреждение столкновения), будут интегрированы в единую бортовую систему, без которой БПЛА не сможет войти в неразделенное с гражданскими ВС воздушное пространство (11). Эта программа находится в тестовых испытаниях, но, экспертами предполагается, что будет внедрена для всех ВС до 2020 г.
Все перечисленные и ряд других национальных программ, как американская NextGEN и европейская SESAR, учитывают нарастающее развитие БПЛА и неуклонное движение авиации к максимальной автоматизации процессов управления летательными средствами.
Ещё одна программа, разработанная корпорацией Honeywell и внедряемая с 2008 г. американской FAA и европейской EASA, названа EVS/SVS (система улучшенного/синтетического видения) (12), на первый взгляд, создается в помощь только действующим пилотам. Используя специальную инфракрасную камеру с функцией синтетического видения, установленную на носовой части самолета, пилот на дисплее видит, даже при плохих метеоусловиях, ландшафт поверхности аэродрома. Это достигается наложением картинки камеры поверх цифрового изображения ландшафта, обеспечиваемого системой синтетического, точнее искусственного, видения SVS, и дает пилотам полную визуальную картину посадки. Геоинформационные данные EVS/SVS основаны на цифровой базе данных, содержащей изображения ландшафта поверхности земли.
Важность системы EVS/SVS в том, что, в перспективе, оцифрованная поверхность ландшафта земли с высоким разрешением и привязкой к географическим координатам (13) позволит автоматизированным системам управления ЛА, в том числе, вертикальным АТЛА, с использованием систем ГЛОНАС/GPS приземляться в любой пригодной для посадки географической точке.
Рассмотренные программы и тестируемые технологии, а также другие разработки на основе опубликованных этапов их реализации позволяют сделать прогноз, что первые результаты автоматизации всех процессов управления ЛА и совместных полетов, пилотируемых и беспилотных судов, следует ожидать в начале 20-х годов XXI столетия.
Автоматизация подразумевает доступность человека к использованию этих средств.
Научно-технической прогресс, создающий все больше возможностей по упрощению управления транспортными средствами, в первую очередь ЛА, неумолимо приближает их доступность в использовании непрофессиональному простому человеку. Внедрение автоматизации на таком сложном транспорте, как авиация преследует две главные цели - обеспечить безопасность и эффективность полета, достигая это исключением или минимизацией человеческого фактора. Вычислительные системы ЛА анализируют больший объем полетной информации и имеют более высокое быстродействие.
Вопросом времени становится распространение массовости на пока мало доступные транспортные средства, такие как спортивные самолеты, вертолеты, аэростатические ЛА, морские яхты и т.д. До будущего, когда от пользователя будет достаточно указать через интерфейс транспортного средства или центру контроля маршрут, и сесть в кресло пилота-наблюдателя, остался считанный десяток лет, может быть, не многим больше.
Возникает вопрос: какие возможны изменения в потребности человека в новых видах транспортных средств, что будет удовлетворять условиям индивидуальной мобильности.
Доступность управления ТС порождает задачу выбора или определения приоритетности вида транспорта для безопасного, практичного и комфортного использования. В свою очередь, категория доступности выравнивает шансы всех средств, при условии, что передвижение не связано с риском перевозки большого количества пассажиров и груза, а транспорт не зависим от времени года и моноинфраструктуры. Эти условия соответствуют индивидуальному транспорту.
К индивидуальному всегда относился наземный легковой автотранспорт и спортивная малая авиация, имеющие одинаковую вместимость, управление в одно лицо и уже сегодня массовую доступность для не профессиональных пользователей. Водный и железнодорожный транспорт, хотя и могут быть индивидуальными, являются менее практичными и менее массовыми для повседневного использования.
В рамках малой авиации, вместе с самолетами и вертолетами, для сопоставимости с легковым автотранспортом представим аэростатические ЛА, как транспорт ближайшего будущего. Для выравнивания позиций первоначально обозначим данные соответствия АТЛА категории малых ТС, для чего определим стоимостную нишу приемлемой цены и его габаритность.
Представленный в статье (14) анализ стоимостных показателей доступности в РФ самолетной и вертолетной техники в 2012 году позволяет оценить потенциал рынка ее индивидуальных пользователей. Минимальная стоимость первого года частного владения самым дешевым самолетом типа Як-18т (старой модификации, стоимостью 35 тыс.долл.), с учетом обучения, техобслуживания и налогов составит около 60-70 тыс.долл., в последующие годы дешевле в зависимости от налета. Для вертолета суммы могут достигать двукратного увеличения. Средняя стоимость индивидуального легкового автомобиля составляет 15-30 тыс. долл. с налогами и ТО. Этот диапазон цен в долларах по курсу октября 2013 года, от средних автомобильных в 20 тыс. долл. до не дорогих самолетных в 50-70 тыс. долл., является ориентиром, в пределах которого стоимость АТЛА должна быть достаточно конкурентоспособна, а сам аппарат востребован.
Относительно минимизации габаритов необходимо указать, что они связаны с размером газоудерживающей оболочки, соответственно, с подъемной силой. Для поднятия 1 кг массы требуется 1 кубометр гелия (15). Современные опытные образцы действующих дирижаблей и их гибридов с объемом оболочки до 5-10 тыс. куб. м уже летают у нас и за рубежом по специальным программам, они отнесены специалистами к легкомоторной авиации общего назначения, как это сделано в документах о разработке закона об АОН(16).
В начале статьи было отмечено, что самолетная легкомоторная техника должна базироваться на местных аэродромах, которые в своём большинстве убыточны. Кроме этого, около каждого дома аэродром построить невозможно, из чего следует, что в повседневном использовании самолет практически неприменим. Сравнение с вертолетной техникой было проведено выше. Добавим, что вертолет имеет высокую стоимость, требует особых условий технического обслуживания, дорог в эксплуатации. В индивидуальном использовании возможен, но как массовое транспортное средство дорог.
Аэростатические аппараты и по летным характеристикам, и по комфортности использования отвечают требованиям транспортного средства индивидуального применения. Если разработчикам удастся довести стоимость АТЛА до приемлемой для среднего человека ценовой категории, при равной доступности управления им и автомобилем, возможно получение нового вида массового транспортного средства.
Достичь массового производства можно только при массовом потреблении. Это процесс долгий и непростой, т.к. автомобильная индустрия - одна из самых мощных промышленностей мира. Вместе с тем, диалектика перспективы - это взаимосвязь компромиссов. Не исключено, что со временем какие-то производства перестроятся.
Однако реалистичнее вариант взаимного сотрудничества. Приведем пример. На пересеченной местности нет автомобильной дороги, но необходимо в этот район доставить наземную технику, расчистить и подготовить площадку. Два пути: пробиваться по земле, строя тракт, второй - по воздуху вертолетом или АТЛА. Экономичнее воздухом, но вертолетом на внешней подвеске, что опасно, тогда как АТЛА может взять на платформе. Однако платформа может являться самим тягачом, бульдозером или вездеходом. То есть, конструктивно кабина АТЛА может быть выполнена в виде наземного транспортного средства, например, автомобиля, что позволяет не только получить два транспортных средства, но и решить вопрос серийного выпуска, обеспечивая снижение их стоимости. Ни с вертолетом, ни с самолетом такую конструкцию в массовое использование реализовать не удастся.
В дополнение к сравнению автомобильной и воздушной техники приведем опубликованные статистические материалы, касающиеся каждого. Проблема почти ежедневных транспортных коллапсов стала интернациональной. Американцы подсчитали, что в пробках жители США сжигают 7,2 млн. т бензина в год, т.е. теряют около 10 млрд. долл., а вместе с потерями временем сумма достигает 100 млрд. долл. (18). Чтобы привести в соответствие потребностям 240 тыс. кв. км некачественных автодорог и мостов (6 раз вокруг Земли) США должны тратить ежегодно по 85 млрд. долл. в течение 20 лет. В этой же публикации имеются данные о ежегодных потерях водителей в пробках Москвы в сумму 1,4 млрд. долл.
Вторая, более грустная статистика опубликована 17 октября 2013 года Международным агентством по изучению онкологических заболеваний (IARC), входящим в ВОЗ. По результатам проведенных исследований Агентство делает вывод, что основной причиной массовости онкологических заболеваний является загрязнение воздушной окружающей среды (19). Источником загрязнения воздуха на первом месте названы автомашины. Придя к такому заключению, ВОЗ призывает правительства разных стран срочно принять меры.
Поиск выхода из создавшейся ситуации становится задачей общегражданского масштаба. Одним из путей её решения может и должно стать использование альтернативных видов транспорта, в том числе, аэростатических транспортных ЛА.
Какими бы фантастичными не представлялись данные перспективы, американские и английские конструкторы с 2006 года испытывают именно таких размеров аэростатическое ТС под названием Lockheed Martin Р-791 или Sky Tugs (17). Гибрид проходит опытные испытания как в пилотируемом, так и в беспилотном варианте.
Напомним, что у гибридных дирижаблей имеются сложности конструкции, которые могут называться недостатками. Это большие поверхностные площади, которые ограничивают использование аппарата в ненастную погоду, особенно в ветреную и в зимнюю при снегопаде. Также вызывают проблему ограниченные запасы гелия на земле, это неминуемо повернет разработчиков к водороду, что усложнит и не удешевит производство. Есть ещё ряд проблем, которые свойственны новой технике.
Однако, аппараты уже летают и поиск решений продолжается. Не исключены варианты новых гибридов с вертолетной, другой техникой. Будут решения с трансформацией габаритов, использованием комбинированной подъемной силы, с другими идеями, которыми конструкторы пытаются оторваться от земли. С разных сторон мы приближаемся к внедрению новой воздушной техники в нашу повседневную жизнь.
К сожалению, в короткой статье невозможно изложить все аспекты относительных преимуществ и недостатков различных видов транспорта и транспортных средств. Транспорт в современной жизни человека определяет все: от способности производить продукты питания, до трансконтинентальных перелетов и освоения новых просторов земли. Поэтому его значение в мировой экономике трудно оценить. Незначительное событие, как переход от наземных видов к воздушным, переворачивает весь сложивший уклад жизнедеятельности человека. Другие архитектурные формы, изменённая наземная инфраструктура, другой взгляд на окружающую среду. Как в начале ХХ века авиация изменила мир и стала локомотивом научно-технического прогресса, так и массовое освоение высот у земной поверхности создаст новые условия экономического развития.
В заключение хочу вернуться к предыдущей статье. Поскольку описанная техника находится в стадии исследований и на испытаниях, наш прогноз относительно её использования является попыткой экстраполировать достижения в воздухоплавании и проекты по аэронавигации и самолетовождению на ближайшее будущее, но только относительно аэростатических средств. Понимая, что это прогноз, рассматривать процессы необходимо в перспективе, где возможный переход к индивидуальным воздушным ТС массового характера будет происходить на завершающем этапе их внедрения, вместе с системой автоматического пилотирования и управления.
И ещё одно замечание. Должен добавить к материалам первой статьи, что в России много городов, кроме Москвы и Санкт-Петербурга, где пригороды влекут красотами отдыхающих, особенно с высоты удобного полета.
Литература:
2. Совет по транспорту США . http://www.trb.org/Main/Blurbs/153338.aspx
3. Воздушное такси http://www.membrana.ru/articles/inventions/2002/09/23/124100.html
4. У американцев тысячи БПЛА http://army-news.ru/2013/05/udarnyj-bespilotnik-x-47b-vpervye-vzletel-s-avianosca/
6. Авианосец Д.Буш Х-47В http://dokwar.ru/publ/voenny_vestnik/armii_mira/palubnyj_bespilotnik_x_47b_vpervye_vzletel_s_avianosca/3-1-0-764
http://ru.wikipedia.org/wiki/Northrop_Grumman_X-47_Pegasus
7. Rockwell Collins http://www.avia.ru/news/?id=1276172909
8. ИКАО «Единое Небо» http://www.aex.ru/docs/8/2013/1/18/1713/
9. ADS-B http://www.aviaport.ru/digest/2013/01/17/247341.html
10. SAA (чувствую и уклоняюсь) http://spacereal.ru/bespilotnye-letatelnye-apparaty/
11. БПЛА с SAA, ADS-B и TCAS http://www.aviationweek.com/awmobile/Article.aspx?id=/article-xml/AW_08_05_2013_p54-602466.xml&p=2
http://www.aviationtoday.com/av/issue/feature/Unmanned-Autonomous-and-Dependent_80445.html
http://topwar.ru/6549-piloty-ostayutsya-na-zemle-drony.html
12. Honeywell EVS/SVS http://www.aviationunion.ru/news_second.php?new=875
http://www.atminst.ru/up_files/chuyanov_seminar_31-01-2012.pdf
13. Оцифровка земной поверхности http://gis-lab.info/qa/geotrends510.html
http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2006/03/02/197062
14. Частная авиа + стоимость обучения летчика http://www.aex.ru/fdocs/1/2012/8/28/21511/
http://planesale.ru/sell/98036189
15. Грузоподъемность 1 куб.м гелия http://www.aerodriving.ru/sila
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D8%E0%F0%EB%FC%E5%F0
16 . МА дирижабли http://www.memoid.ru/node/Razvitie_maloj_aviacii_v_sovremennoj_Rossii
17. Р-791 http://www.ato.ru/content/novyy-tip-letatelnogo-apparata-poluchaet-kommercheskoe-primenenie
18. США теряют в пробках http://autoplus.su/details/curious/3915-voditeli-ssha-szhigayut-v-probkah-72-mln-tonn-benzina-v-god.html
19. ВОЗ http://www.iarc.fr/en/media-centre/iarcnews/pdf/pr221_E.pdf
http://www.moscvichka.ru/moscvichka/2013/10/20/zagryaznennij-vozduh-vizivaet-rak-6292.html
комментарии (2):
ЭКСПОРТ НОВОСТЕЙ/RSS