Пишем и рассуждаем о физических явлениях
Ответить
Профессор
Участник
Баланс:1063
 
Сообщения: 67
Регистрация: 26.10.2019

Когда начнем летать?

Профессор » 05.05.2020 21:09

+
5
-
Мы всё ждем, что сможем перемещаться по городам без пробок, паря над землей. Давайте разберемся, все ли в порядке с этой технологией или это очередной пузырь.

Изображение


Начнем с физики и с эффективности.

Почему эффективность так важна? Эффективность – это разумное расходование энергии. Чем меньше энергии ЛА потребляет, чтобы выполнить полезную работу – тем лучше. Если мы используем ДВС – эффективность позволяет сделать ЛА экономичным и экологичным. А если мы используем электроэнергию — эффективность позволяет продлить время полета. В нашем случае под эффективностью можно поднимать значение потребляемой мощности ЛА (энергии на единицу времени), которое требуется на поддержание полета.

Есть всего три способа заставить что-либо управляемо перемещаться в воздушном пространстве: аэростатический, ракетный и аэродинамический.

Первые два нам не интересны – дирижабли слишком громоздки, чтобы использовать их как персональный транспорт в городской среде, а ракеты слишком шумны, опасны и прожорливы.
Поэтому любое аэротакси использует аэродинамический принцип полета.

А все аэродинамические ЛА летают по одному принципу: аэродинамическая поверхность проходит сквозь воздушную среду и создает аэродинамическую силу. Этой поверхностью может быть крыло самолета или винт вертолета (лопасть которого по сути и есть такое же крыло, только вращающееся).

Очень упрощенно аппарат летает за счет того, что воздух отбрасывается вниз, тогда как что-то (вес ЛА) по третьему закону ньютона должно противодействовать вверх. Такая модель называется импульсной – мы создаем импульс воздушной массе, и получаем противоположный импульс, создающий ту самую подъемную силу. Пока тут все очевидно и понятно.

Тогда почему все аэротакси неэффективны аэродинамически?

Во-первых, нужно понять, какие задачи стоят перед аэротакси: оно должно вертикально взлетать и садиться, а также летать с поступательной скоростью, желательно быстро. И первую из задач аэротакси выполняет исключительно за счет винтов, а значит чтобы разобраться в эффективности, нам необходимо понять за счет чего тот или иной винт приобретает свою эффективность. А чтобы это понять, нам нужна какая-то теоретическая база и та база, которая была разработана для винтов вертолета нас вполне устраивает. К тому же квадрокоптеры и мультикоптеры – являются лишь частным случаем вертолетов (винтокрылых летательных аппаратов).

Изображение

Диаметр винта – это самый важный параметр влияющий на эффективность!
КПД винта напрямую зависит от отношения массы ЛА к площади винта, то есть площади сечения через которой воздушная масса проходит. Иными словами: тем меньше энергозатраты, чем больше диаметр винта. Один большой винт – всегда лучше нескольких, но меньшего диаметра. Этот параметр в авиации называется "удельная нагрузка на ометаемую площадь несущего винта" и это основной параметр для винтокрылых летательных аппаратов.

При этом тут действует закон четвертой степени. Так винт в 2 раза большего диаметра будет потреблять в 16 раз меньше энергии.

Используя достаточно простые теоретические модели, мы можем увидеть, что тяга винта создается за счет массы отбрасываемого воздушного потока на единицу времени – та самая импульсная теория.

Очевидно, чтобы создать подъемную силу мы можем "прогнать" воздушную массу через любое сечение, но с различной скоростью. Представим, что у нас есть некоторое сечение S для создание подъемной силы нам необходимо прогнать воздушную массу через это сечений с некоторой скоростью u, а если мы уменьшим площадь сечения в два раза S/2, то нам потребуется прогнать воздушную массу с удвоенной скоростью 2u. Теперь давайте вспомним школьную физику и посмотрим на формулу, по которой рассчитывают кинетическую энергию

Ek=∑mivi22

Сразу становится видно, что для увеличения скорости воздушного потока в 2 раза нам потребуется в 4 раза больше энергии.

А теперь, мы учтем, что площадь круга считается по формуле:

S=π*r2

В конце концов мы легком можем посчитать, что увеличение диаметра винта в 2 раза даст нам в 4 раза большую площадь сечения, следовательно нам потребуется в 4 раза уменьшить скорость воздушного потока, а это в свою очередь в 16 раз изменит тягу, следовательно уменьшит итоговые затраты энергии.

Итак, мы закрепили, что ометаемая площадь – это самая важная характеристика ЛА, способного к вертикальному взлету.

Посмотрите на планера – они могут часами парить в воздухе именно по этой причине: у них огромные крылья и к ним справедлив такой же принцип – отбросим большую массу воздуха с меньшей скоростью – это лучше, это в значительной степени влияет на качество планера.

Да и рекорд, когда человек взлетел на мускульной силе был установлен только потому, что в сравнении с массой "пилота-велосипедиста" диаметры винтов были просто огромны.

Итак, единственный верный способ поднять эффективность винта ЛА на режиме висения, вертикального взлета и посадки – это увеличить его площадь. Какой ты винт не поставь, какие лопасти не впихни – не важно. Важна лишь площадь. 80% тяги вертолета – это оптимизация именно параметра по диаметру винта и только 20% тяги добивается оптимизацией параметров лопастей и прочими ухищрениями. Поэтому можно поставить хоть деревянные доски вместо лопастей — все равно тяга будет.

Давайте проведем небольшие расчеты и посмотрим, что получается.

Допустим мы имеем вертолет с определенным диаметром винта и пытаемся вписать в его габариты четыре винта меньшего диаметра (квадрокоптер). Мы получим в 1,4 меньшую ометаемую площадь, как следствие энергозатраты возрастут в 3 раза!

А если мы заходим использовать такую же ометаемую площадь квадрокоптера как и у вертолета, то общие габариты придется увеличить в 1,2 раза. Что может быть критичным для габаритов летательного аппарата. Поэтому, чтобы эффективно взлетать (да и летать) — нужен 1 большой винт.

В теории куда лучше с задачей эффективного использования энергии справляются системы, где винтов много-много, так как они равномернее заполняют полезную площадь, чем всего 4 винта.

Но если мы имеем множество маленьких винтов – мы неразумно используем конструктивную массу ЛА, так как нам потребуется больше силовых конструкций, чтобы разместить все винты, а значит мы увеличим массу пустого аппарата и следовательно уменьшим массу полезной нагрузки. Поэтому один винт все равно лучше, чем множество мелких.

Также нужно учитывать потери. Так для винтов, находящихся в одной плоскости еще есть эффект интерференции несущих винтов – если аппарат движется в горизонтальной плоскости (летит с поступательной скоростью), то задние винты находятся под влиянием передних винтов и работают менее эффективно, такие потери могут доходить до 10-15% для каждого из винта. Поэтому у вертолета Chinook задний винт находится выше переднего — таким образом конструкторы хотели уменьшить негативное влияние интерференции.

А всякие инжекторы и все прочие системы улучшения тяги – это не решение проблемы.
Инжекторы могут незначительно улучшать параметры тяги на определенных режимах, но всего на проценты, двукратного роста тяги при равных затратах не будет.


У нас остались конвертопланы. Доводы изобретателей могут быть такие: ну да, мы неэффективны и жрем топливо (заряд батареи) тонной во время взлета и посадки, но этот режим короткий – а сам полет более продолжительный. Но тут тоже не все так просто.

Условно текущие предложенные конструкции конвертопланов можно разделить на 2 вида: где винты разворачиваются и где они складываются.

Если винты разворачиваются, пример — это V-22 Osprey.

Изображение


Это самая дорогая летающая штука из всех с кучей сопутствующих проблем. А его винт – это компромисс: самолету нужны одни параметры, вертолету другие. Поэтому жрет он топливо как не в себя на любых режимах полета. Такие уникальные характеристикам нужны военным, где этот аппарат пришелся к месту и удачно справляется с поставленными задачами, но все это достигается ценой летного часа, которая на сегодняшний момент самая высокая среди всех винтокрылых летательных аппаратов, при чем разрыв не на проценты, а в разы. При этом Osprey – это наиболее удачная компоновочная схема – всего 2 винта на 1 ЛА. Если аппарат имел бы 4 винта, то задние винты также находились бы во влиянии передних и это также дало бы дополнительные потери, а значит – это неэффективное решение.

А давайте складывать? И снова нет, тут тоже не выйдет. Одно только капотирование шасси может увеличить крейсерскую скорость легкого ЛА на 15, а иногда и на все 25 км/ч. Пересчитав все потери, можно понять, что лучше оставить 2 больших поворотных винта как в Osprey и это будет лучшее решение из возможных.

Но лучше задать другой вопрос: есть ли вообще смысл в конвертопланах для цели транспортировки людей в городских условиях?

Любой ЛА — это компромис. В условиях городской среды, оптимальной скорость для ЛА будет диапазон 200-300 км/ч – скоростной диапазон легкой авиации. Легкий вертолет проигрывает легкому самолету в скорости всего в 1,5 раза при равном потреблении энергии. Да и то проигрывает, потому что вертолеты сейчас такие – неидеальные аэродинамически (все машины, продаваемые на рынке – это дети 70-х годов). Теоретическая разница между двумя типами ЛА находится в пределах 33%: вертолет умеет вертикально взлетать и садиться, умеет зависать, но на 33% потребляет больше топлива на пройденное расстояние, чем самолет оснащенный равным по мощности двигателем, который может взлетать только с полосы.

Но конвертоплан будет плох как ни крути с любой стороны для диапазона заданных нами скоростей. Его цель – это вертикальный взлет и быстрая скорость, за что приходится платить повышенным расходом на любом из режимов, стоимостью обслуживания и сложностью конструкции. Это нужно или военным или тем, у кого есть много лишних денег, что не является критерием аэротакси, где стоимость летного часа – один из самых важных параметров успеха. Если нам не нужна сверхскорость, то эта конструкция становится излишней.

Вертолет по своей эффективности в заданных скоростных критериях лучше чем любой из концептов представленных аэротакси – такова его природа и физика.

И если принципиальным было бы использование электротяги для полета, то именно вертолеты должны получить такой тип двигательной установки – потому что они смогут сделать большее, чем любой квадрокоптер. И такие эксперименты проводились.

Вертолет продержался в воздухе 30 минут, что значительно дольше времени полета рекордсменов-квадрокоптеров. Хотя и тут нужно учитывать, что из полезной нагрузки был всего 1 пилот, а дополнительный пассажир значительно уменьшил бы время полета.

Если бы вертолетные компании или венчурные инвесторы вкладывали такие же деньги в разработку новых вертолетов, аэротакси стало бы доступнее в ближайшие годы.

Максим Мещеряков, предприниматель
По материалам https://habr.com/ru/post/500032/
Поделиться:

Теги:

Аватара пользователя
MoonBear
Участник
Баланс:1345
 
Сообщения: 78
Регистрация: 02.06.2020

Re: Когда начнем летать? Пока пролетаем

MoonBear » 04.06.2020 10:35

+
4
-
Прочитав статью, меня посетил вопрос о принципе разумной достаточности. Начну с того, что ситуация показана крайне однобоко и отражает лишь малую часть того спектра задач, решив которые мы начнем порхать аки птицы, поплевывая на головы беспечных горожан.

Расход топлива на час полета не является основным сдерживающим фактом развития системы аэротакси в городах, замечу, - не только России, а вообще, в мире. Хотя, еще Сикорский, в далекие 50-е годы, снимал рекламные ролики о том, как обыденно и просто летать в магазин за продуктами, стартуя с пресловутой лужайки перед домом.

Любая система работает в определенной среде, подстраиваясь под ее требования, вот с них и начну.

1. Общественная безопасность, которая включает в себя не только аварию, с последующим устремлением к земле тяжелого металлического предмета, со всеми падающими последствиями, но и террористический акт. Представляете, если во время митинга или парада, прилетит адский винтокрыл и с криком (……) устремиться в толпу, произведя большой бада-бум.
Воздушное пространство над Москвой закрыто не случайно, а в связи именно с этой проблемой. Существующие, крайне немногочисленные аэротакси, жестко контролируются и внимательно сопровождаются специально обученными людьми из не менее специальных служб. При массовом развитии этого транспорта, могут возникнуть трудности.

2. Пропускная способность – 1 вертолет способен переместить 7 человек на 20 километров за 5 минут, за это время 1 поезд метро из 7 вагонов перевозит около 1000 человек на расстояние 3-4 километра. Впечатляет? Посчитаем дальше – при этих данных, пропускная способность 1 поезда метро выше в 814 раз одного вертолета.

От свойств среды перейду к анализу функционала системы аэротакси, чего автор, к сожалению, не сделал.

1. Необходимость профессионального обучения пилотов и не на базе курсов знакомого дяди Вани, а в полноценном учебном учреждении, уровня не менее колледжа. Думаю, никто не решиться спорить, что эта сфера требует людей получивших качественное образование и реальную практику полетов, исключающих - "ээээ, далитим дарагой, дарогу пакажи".

2. Организация и развитие сети диспетчерских служб, имеющих возможность круглосуточно сопровождать каждый рейс по аналогии с пассажирской авиацией. По подготовке персонала, смотри пункт выше.

3. Строительсто и обслуживание аэростанций, что в условиях города представляет собой очень непростую задачу, поскольку касается покупки, как целых этажей зданий, так и участков земли. Применительно к Москве, суммы затрат, могут перекрыть стоимость всего вертолетного парка.

4. Собственно на этот, последний, пункт я и поставил энегроэффективность самогО транспортного средства.

Как видите, для всех городов мира проблематика одна, потому и воздушное перемещение – удел особой группы граждан, слабо ориентирующихся в ценах на хлеб или молоко.
Для интереса приведу стоимость полетов на аэротакси в Москве. Согласитесь, обрушение тарифов даже в два раза, не приведет к взрывной популярности этого вида транспорта.
http://finam.aero/private-aviation/heli ... marshruty/

Аватара пользователя
Director
Эксперт
Баланс:6141
 
Сообщения: 405
Регистрация: 20.06.2018

Re: Когда начнем летать? Пока пролетаем

Director » 04.06.2020 23:36

+
0
-
Присоединяюсь к мнению коллеги MoonBear, но...
MoonBear писал(а):
04.06.2020 10:35
...Любая система работает в определенной среде, подстраиваясь под ее требования,...
....Как видите, для всех городов мира проблематика одна, потому и воздушное перемещение – удел особой группы граждан, ...
... но спрошу: а почему оба коллеги рассматривают маловместительные (индивидуального использования) аппараты предназначенные только для городской среды - лишь для полетов исключительно над городом?

Неужели людям не нужно перемещаться между городами? Или от сельского дома до какой-нибудь отдаленной полянки?
Для полетов над малонаселенной территорией и с запретом на приближение к густонаселенным территориям.

Людям нужно быстро добираться до отдаленных мест. И для этого люди используют мотоциклы и автомобили (что требует развития дорог) и древних лошадей (что требует расходов на их постоянное содержание и сильно ограничивает достижимое расстояние).
Сюда еще можно добавить лодки для водоемов и пожалуй всё.

Особенно в нашей территориально большой стране будет очень востребован скоростной авиатранспорт личного использования. Лишь бы он был экономически приемлем для большинства граждан, и безопасен для водителей и окружающих.

И вот лишь когда удастся создать массовый авиатранспорт такого качества, тогда можно будет задуматься над созданием аэротакси для городов.

Причем эти аппараты должны быть полностью автопилотными - во избежание опасностей, которые ярко описал коллега MoonBear.

Аватара пользователя
MoonBear
Участник
Баланс:1345
 
Сообщения: 78
Регистрация: 02.06.2020

Re: Когда начнем летать? В поисках золотого блюда

MoonBear » 05.06.2020 10:34

+
0
-
Как говорит профессор Попов, Михаил Васильевич, - вы все имеете право кушать на золотом блюде, правда блюда нет, но право есть.

Так и в данной ситуации, необъятные просторы есть, а вертолета нет. Да и не будет, на данном витке НТР, не выдержит ни одна экономика мира массового применения индивидуальных летательных аппаратов ввиду их неконкурентноспособности с действующими видами транспорта.

Подобные задачи могла позволить себе социалистическая модель экономики, работающая по принципу перераспределения доходов, дифференциальная рента два, если вспомнить классика, когда общий модуль успехов общества является величиной сальдирующей все отрасли народного хозяйства. Но это не про прибыль и успешный успех.

А пока, можно рассуждать и о личном звездолете, припаркованном как раз за домом, между покосившимся дощатым туалетом и стогом сена. Завтра собираюсь на Марс слетать, змеев воздушных позапускать с горы Олимп. Говорят, - виды хорошие.

Аватара пользователя
Андрей.Григорьев
Участник
Баланс:13
 
Сообщения: 1
Регистрация: 02.08.2020

Re: Когда начнем летать?

Андрей.Григорьев » 02.08.2020 18:42

+
3
-
Тема полётов давно реально опробована профессором Гребенниковым ещё в начале 90-х. Подробно описана в его книге. Другое дело, что пока никто публично не смог повторить эти полёты. Но всё ещё впереди, потому что есть энтузиасты теории Гребенникова, и они обязательно откроют заново технологию полётов.
Что касается полётов межпланетных, давно существует проект с расчётами пандеролётного движителя красноярского профессора Геннадия Игнатьева (сам профессор, к сожалению, умер).
Проект не пустой, а с расчётами. Прототип двигателя был построен профессором Игнатьевым
Поэтому тема полётов без химического горючего должна скоро раскрыться в широком плане.

Аватара пользователя
MoonBear
Участник
Баланс:1345
 
Сообщения: 78
Регистрация: 02.06.2020

Re: Когда начнем летать? Скорее, чем можно подумать

MoonBear » 14.08.2020 17:51

+
4
-
Не думал, что вернусь к этой теме, поскольку наивно посчитал, что высказал свою позицию полностью и почти без остатка. Однако, как это часто бывает в жизни, наткнулся на интересную информацию, где будущее нашло свое отражение в реальности сегодняшнего дня.

Пару дней назад в Российской газете опубликованы планы Минэкономики и Минтранса о разработке и запуске проекта по беспилотной перевозке грузов в Томской области с 1 января 2021 года. Речь идет не о разовых и экстренных перебросках в труднодоступные места региона, а создании полнофункциональной сети, работающей на базе беспилотных летательных аппаратов.

Да и предполагаемые параметры, заявленные авторами, вызывают уважение, заставляя вспомнить мечты фантастов: предельный вес доставляемого груза - 500 кг, а максимальная дальность - 1 тысяча километров, при обязательном условии - возможность вертикального, как взлета, так и посадки.

Пока, законодательные ограничения позволяют работать с беспилотной доставкой грузов при помощи дронов до 3 кг на дистанциях 10–15 км в городских условиях и 3–6 кг на 30–100 км на других территориях. Эти нормативы так же планируется изменить под реальные требования проекта.

Хорошо отлаженная и отработанная сеть на отказоустойчивость, с непременной настройкой на вариативные изменения окружающей среды, способна из разряда - грузовой, перейти в разряд - пассажирской. Именно для этих целей эксперимент планируется на три года, в течение которых и будет собираться необходимая информация.

Понимаю, вопрос не завтрашнего дня, но все предпосылки уже сформированы. Остаются вопросы технического плана, создание и выпуск самого летательного аппарата, позволяющего решить поставленные задачи, что будут корректироваться с учетом наработанного опыта.

По типу двигателя, планируемого для установки на дрон, информации не нашел, хотя понятно, что для грузов с небольшим весом альтернативы электрическому просто нет, вот с тяжеловозами на 500 кг, возникают вопросы.

Так, что будущее, на мой взгляд, не за индивидуальными летательными аппаратами, а за специализированными транспортными сетями, где человек выступает в качестве арендатора дрона на конкретную поездку или период времени.

https://rg.ru/2020/08/12/reg-sibfo/v-ro ... onami.html

Ответить
   ПОМОЩЬ по форуму!