Авиация будущего: как мы будем летать через несколько лет

Гражданская авиация кажется одной из наиболее консервативных отраслей: с точки зрения обывателя мы до сих пор эксплуатируем технологии полувековой давности и со времен «реактивной революции» внешне почти ничего не поменялось. Однако это особенность человеческого сознания: проходит пара лет и кажется, что любое чудо техники существовало всегда. Что совсем скоро будет выглядеть для нас обыденным и естественным?

Цифровизация авиаперевозок

Отрасль стремительно цифровизируется: наиболее экономически активными становятся люди из поколения Z, в англоязычной литературе называемые digital natives. Для них смартфоны и повсеместный доступ в интернет существовали всегда. В отличие от «аналоговых» поколений они предпочитают не живое общение с человеком, а обмен сообщениями. Поэтому кассы в аэропортах, агенты на стойках регистрации и колл-центры стремительно уходят в прошлое и заменяются цифровыми сервисами – от стоек автоматического приема багажа и турникетов у выхода на посадку до самостоятельного измерения размеров ручной клади при помощи камеры смартфона. За рубежом активно внедряется автоматизированный паспортный контроль.

На конец 2019 г. – это последние доковидные данные швейцарской SITA (предоставляет IT-услуги в авиации) – более 25% авиакомпаний мира имели чат-ботов, отвечающих на большинство вопросов пассажиров. Часто на нескольких языках и с интеграцией в голосового помощника типа Siri.

С цифровизацией тесно связано внедрение биометрической идентификации, которую пандемия не то чтобы притормозила, а направила несколько в другую сторону. До эпидемии коронавируса 70% авиакомпаний мира (также данные SITA) к 2021 г. планировали внедрить идентификацию пассажиров по биометрическим данным хотя бы в форме пилотных проектов, а 50% аэропортов – начать использовать блокчейн для сквозной авторизации пассажиров на всех этапах контроля (предполетном, паспортном, таможенном и т. п.). Теперь блокчейн и токены приходят в виде «цифровых паспортов» IATA Travelpass, изначально предложенных для контроля вакцинации, но легко дополняемых функцией контроля любых других данных: безопасный токен может содержать и персональные данные, и биометрические. Подобные решения уже работают в единичных аэропортах США, Китая, Катара, Омана и т. д. В России они находятся в стадии «демонстрации возможностей»: например, S7 Airlines пропускает пассажиров в бизнес-зал аэропорта «Домодедово», распознавая их по лицу.

Бизнесу выгодно заниматься цифровизацией: например, «Аэрофлоту» внедрение систем больших данных и машинного обучения в 2016–2018 гг. принесло 1 млрд руб. дополнительной выручки, говорил «Коммерсанту» занимавший в тот момент пост гендиректора компании Виталий Савельев.

Альтернативное топливо

Европейские тренды – ответственное потребление и экологичность. Некоторые экологи вообще призывают отказаться от полетов в пользу железных дорог. Европейские страны вводят экологические сборы, в ряде случаев делающие бессмысленными полеты лоукостерами, а французские парламентарии в апреле 2021 г. и вовсе проголосовали за запрет внутренних перелетов на короткие дистанции – те, которые поезд может преодолеть быстрее чем за 2,5 часа (законопроект еще не принят).

Авиапром отвечает на это переходом на альтернативное топливо. Boeing, например, обещает к 2030 г. перевести самолеты на биотопливо, которое делается не из нефти, а из растительного сырья (например, несъедобных растений) и органических промышленных отходов (от компоста до отходов деревообрабатывающего производства) и позволяет сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 80%. «Экологичные виды топлива – самый эффективный и доступный способ снижения выбросов CO2 (углекислого газа) в гражданской авиации в ближайшие 20–30 лет, – говорится в ответе пресс-службы Boeing на вопросы «Ведомости&». – Биотопливо безопасно, прошло многочисленные испытания. На нем осуществлено более четверти миллиона рейсов, и их количество продолжает расти. Согласно данным министерства энергетики США, экологичные виды авиационного топлива способствуют снижению выбросов CO2 на 80%, потенциально – на 100%».

Первый в мире коммерческий рейс на биотопливе с использованием грузового Boeing 777 был успешно совершен еще в 2018 г. Сейчас биотопливо использовать тоже можно, но по сертификационным требованиям лишь в смеси с керосином в соотношении 50/50. Однако на смесях с 2016 по 2020 г. было совершено лишь 0,2% рейсов. Причина проста: биотопливо пока в 4 раза дороже керосина.

Советский Ту-155 впервые в мире совершил полет, используя в качестве топлива одного из двигателей жидкий водород, еще в 1988 г. А после летных испытаний и проведения доработок в 1989 г. – на сжиженном природном газе. Сейчас Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П. И. Баранова работает над созданием гибридной силовой установки на альтернативных видах топлива для регионального самолета и обсуждает с Фондом перспективных исследований создание на базе двигателя ВК-2500 полностью сверхпроводящей гибридной силовой установки мощностью 1500 кВт с использованием в качестве топлива и хладагента жидкого водорода или сжиженного природного газа, говорил «РИА Новости» гендиректор ЦИАМа Михаил Гордин.

Правительства стимулируют переход на новые виды топлива. Французское, например, проспонсирует отрасль на 15 млрд евро, поставив задачу к 2026–2028 гг. создать замену узкофюзеляжного семейства Airbus A320, которая будет летать на биотопливе и иметь возможность дальнейшего перевода на водородное. Начало коммерческой эксплуатации запланировано на 2033–2035 гг. Еще раньше, к 2030 г., должен начать полеты новый региональный самолет с нулевыми выбросами, он будет использовать либо водородную, либо гибридную силовую установку. Вращать пропеллеры можно электродвигателями, энергию для которых будут вырабатывать топливные ячейки на протонообменных мембранах: литиевые аккумуляторы слишком тяжелы, чтобы обеспечить полет дольше пары часов. Водород значительно легче керосина, но его нужно брать в 4 раза больше по объему.

«Водородные баки не будут в крыле. Концепции, которые мы рассматриваем (обнародованы в прошлом году), включают резервуары в фюзеляже. При проектировании мы прежде всего решаем, на какое количество пассажиров и на какую дальность полетов будет рассчитан самолет, и только после этого разрабатываем дизайн пассажирского салона. Если для этого будет необходимо адаптировать дизайн соответствующим образом (например, понадобится в 4 раза больше пространства), мы это сделаем», – говорит «Ведомости&» Глен Ливлин, вице-президент направления Zero Emission Aircraft в Airbus.

Концепты самолетов с нулевым выбросом CO2, которые к 2035 г. готов начать выпускать Airbus, подразумевают простое сжигание водорода в газотурбинных двигателях, по принципу действия аналогичных существующим. Два из этих концептов – замена A320 и региональный турбовинтовой самолет, похожий на ATR-72. А третий использует принципиально новую аэродинамическую схему.

Новые аэродинамические схемы

Все гражданские самолеты похожи друг на друга: это условная труба с крылом. Заменить классическую аэродинамическую схему предлагается «летающим крылом» – когда широкий и плоский фюзеляж сам становится аэродинамической поверхностью и создает подъемную силу. Это, по данным Airbus, позволит расходовать на 20% меньше топлива, а пассажиры получат просторный салон с принципиально новой схемой зонирования, в которой найдется место и спальным отсекам, и переговорным комнатам, и объемным бакам для водорода. Внутреннее обустройство будет похоже скорее на круизный теплоход или дирижабль. Идея не нова, но по схеме «летающее крыло» удалось создать лишь несколько относительно небольших военных самолетов типа американского бомбардировщика B-2 или российского беспилотника «Охотник». Для пассажирских самолетов она не применялась из-за сложной системы управления, однако современные вычислительные технологии позволяют прототипу Airbus MAVERIC (Model Aircraft for Validation and Experimentation of Robust Innovative Controls) летать стабильно.

Принцип «летающего крыла» заложен и в основу концепта Flying V, разработанного в Делфтском университете в Нидерландах, только «летающее крыло» здесь имеет V-образную форму. Он, как и MAVERIC, существует в виде летающей масштабной модели. Разработку этого самолета спонсирует авиакомпания KLM.

Правда, к таким компоновкам еще много вопросов. Например, входы и выходы могут располагаться только по периметру, а это потенциально увеличивает время посадки пассажиров – и особенно их аварийной эвакуации. Кроме того, сидящие ближе к внешней стороне крыла во время маневров будут перемещаться в вертикальной плоскости с большой амплитудой и испытывать дискомфорт. Чтобы его избежать, придется ограничивать углы крена и, как следствие, маневренность самолета.

Концепт Boeing SUGAR Volt более консервативен: американцы предлагают увеличить размах крыла и сделать его тоньше, а для жесткости установить специально спрофилированный подкос, создающий дополнительную подъемную силу. Такой самолет должен расходовать на 9% меньше топлива, а чтобы не пришлось перестраивать аэропорты, основное крыло будет складываться, как на проходящем испытания Boeing 777X. Еще одна идея этого концепта – взлет на обычном топливе, а крейсерский полет на электричестве.

Складное крыло тестирует и Airbus – точнее, это полуэластичные законцовки, которые могут либо быть жестко зафиксированы, либо свободно качаться, как у альбатросов. Это позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление, а также значительно облегчить само крыло и увеличить его размах примерно в 1,5 раза, так как нагрузки, действующие на центроплан, при такой схеме ниже. Чем больше размах, тем выше подъемная сила крыла, а значит, требуется меньше топлива, для того чтобы поднять самолет в воздух и лететь.

Сверхзвуковые самолеты

В недалеком будущем ожидается возрождение сверхзвуковой коммерческой авиации (самые известные пассажирские самолеты прошлого – Ту-144 и «Конкорд»). К 2029 г. планируется начало эксплуатации самолета Boom Overture, который еще в 2017 г. собрал 76 заказов, а 3 июня 2021 г. американская United Airlines подписала соглашение о приобретении 15 самолетов этого типа с опционом еще на 50. Глава основанной в 2014 г. в США Boom Technology (это ее разработка) Блэйк Шолл оценивает мировой рынок таких машин в 2000 штук.

Внешне Boom Overture похож на своих предшественников из 1960-х гг., но отличается от них широким использованием композитных материалов, а также силовой установкой: в те годы до сверхзвука самолеты разгоняли за счет форсажных камер, как на истребителях, – об экономичности таких двигателей речи не шло. Теперь же будут использоваться «обычные» турбовентиляторные двигатели без форсажа, которых, правда, пока нет – их Boom собирается разработать совместно с Rolls-Royce. Расстояние между Нью-Йорком и Лондоном самолет сможет преодолевать на крейсерской скорости 2,2 М (т. е. в 2,2 раза быстрее звука) за 3 часа 15 минут. Дозвуковому самолету на скорости в пределах 0,8 М требуется более 7 часов. При этом шум при взлете обещают таким же, как у обычного Boeing 777-300. Дальность полета составит 8300 км. Но самое главное – это доступность: билет Лондон – Нью-Йорк и обратно на «Конкорде» стоил $20 000 (в нынешних ценах с поправкой на инфляцию), а на Overture будет стоить $5000 – столько же, сколько бизнес-класс на обычном самолете сейчас.

Также к 2029 г. построить 70-кресельный самолет со скоростью до 1,8 М обещает созданный в 2019 г. американский стартап Exosonic, к 2023 г. сверхзвуковой бизнес-джет S-512 собирался создать другой стартап из США – Spike. В августе 2020 г. о работе над бизнес-джетом на 9–19 мест объявила Virgin Galactic, а в сентябре Центральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского получил субсидию Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в размере 1,4 млрд руб. на проведение научных работ, необходимых для создания сверхзвукового пассажирского самолета. Работами над этой темой занимается научный центр мирового уровня «Сверхзвук», который уже представил на МАКС-2019 проект самолета «Стриж».

Аэротакси

Совершенно новым видом транспорта в недалеком будущем должны стать аэротакси. Существует множество разработок, большинство из которых представляют собой вариации на тему электрического мультикоптера, только больших размеров.

Например, близок к сертификации (прототипу уже разрешили летать над Пекином) китайский двухместный беспилотник Ehang EH216 AVV. Он совершил более 10 000 полетов, в том числе с пассажирами, в 42 городах восьми стран мира – и в мороз, и в туман, и во время тайфуна. Летательный аппарат размером с автомобиль оснащен восемью винтами; максимальная его скорость составляет 130 км/ч, а дальность полета – 35 км. Ему не нужны никакие площадки – и, главное, пилот. Плюс эксплуатация такой техники в 2 раза дешевле: себестоимость кресло-километра составляет $1,5, т. е. тарифы на перевозки будут сопоставимы с такси бизнес-класса.

В России проходят испытания похожего двухместного дрона, разрабатываемого стартапом «Ховер». Он тоже имеет размеры автомобиля и помещается на стандартное парковочное место, разгоняется до 200 км/ч и имеет дальность полета 100 км. При помощи четырех поворачивающихся колес этот аппарат может передвигаться и по земле – например, чтобы вырулить с парковки или заехать в гараж.

А вот немецкие разработчики делают ставку на самолеты с вертикальными взлетом и посадкой. Так, VoloConnect от компании Volocopter взлетает как дрон-гексакоптер, но дальше летит как самолет благодаря подъемной силе крыла и двум воздушным винтам. Максимальная скорость достигает 250 км/ч, а дальность полета – 100 км.

Или Lilium Jet: это конвертоплан, оснащенный сразу 36 электродвигателями с изменяемым вектором тяги, которые сначала обеспечивают вертикальный взлет, а затем – горизонтальный полет, для которого требуется в 10 раз меньше энергии. Скорость – до 300 км/ч, расстояние – до 300 км, салон вмещает пять пассажиров и багаж. Но управляет этим летательным аппаратом пилот. Начало коммерческой эксплуатации конвертоплана запланировано на 2024 г., уже разработана маршрутная сеть между городами США и имеются договоренности с рядом вертодромов. Американский рынок считается наиболее готовым к таким перевозкам, которые будут примерно в 3 раза дешевле вертолетных. Например, трансфер из центра Нью-Йорка в аэропорт Кеннеди на вертолете сегодня стоит порядка $200, Lilium же обещает возить за $70.

Пока бизнес-модель с использованием существующих вертолетных площадок и пилотов выглядит реалистичнее, чем «летающие автомобили»: непонятно, кто и как будет управлять воздушным движением в условиях плотной городской застройки и что делать в случае их поломки.

Дроны

Разнообразные дроны для доставки различных легких грузов – это уже настоящее. Впрочем, пока подобные сервисы (обычно с едой) работают преимущественно в городках США с развитым частным сектором, а в других странах – в сельской местности: сбросить пиццу на лужайку перед домом гораздо проще, чем отправить ее таким же образом в многоквартирную многоэтажку. Также есть внутренняя «почта» на закрытых территориях предприятий. Серьезных кейсов, где дроны бы действительно решали какую-либо проблему, не так много – например, это деятельность компании Matternet, в которую инвестировал Boeing: она организует доставку анализов крови от больных детей в труднодоступных районах Африки. Раньше для подобных задач использовали вертолеты, что значительно дороже. Также Matternet занимается доставкой биологических образцов в паре больниц в США.

«Газпром нефть» в 2020 г. провела испытания беспилотников для перевозки проб нефти. Их использование позволит вдвое сократить время доставки груза по сравнению с наземным транспортом и обеспечит стабильность перевозок проб нефти в любое время года, писала компания в пресс-релизе.

Amazon объявляла о планах использовать дроны для доставки покупок или различных грузов весом до 2 кг между частными лицами и даже запатентовала интересное техническое решение с расположением док-станций для дронов на опорах уличного освещения. Однако сейчас использование дронов в США ограничено аэрофотосъемкой и инспекцией объектов инфраструктуры, для перевозки грузов необходимо специальное разрешение, а управлять аппаратом должен пилот и только в светлое время суток в пределах прямой видимости.

Отчасти решить проблему поможет массовое внедрение сотовых сетей 5G – тогда летать можно будет не только в пределах зоны действия пульта дистанционного управления, но и везде, где есть мобильная связь. Существующие сети для этой задачи не подходят из-за более низкой пропускной способности (нет гарантии, что видеопоток в высоком разрешении будет транслироваться без сбоев) и, главное, высоких задержек (ping) – в 5G управление будет происходить в режиме реального времени.