Летающий автомобиль, или Зачем приделывать крылья к табуретке?

Немного о фантастике, аэродинамике и странной человеческой привычке тащить в будущее вещи, которым там совершенно нечего делать.

В фантастике есть удивительно живучая традиция. Если автору или режиссеру  необходимо показать город далкого будущего, он непременно запускает над ним летающие автомобили. Не какие-нибудь специально спроектированные индивидуальные летательные аппараты, конструкция которых определяется физикой полёта, а именно автомобили.

Обычные, узнаваемые четырёхколесные коробки, которые по какой-то неведомой причине научились летать.

Иногда колеса у них убираются. Иногда поворачиваются горизонтально. Иногда из днища вырывается голубоватое свечение, призванное убедить зрителя, что там работает нечто чрезвычайно высокотехнологичное. А иногда автомобиль просто висит в воздухе, презрительно игнорируя гравитацию, аэродинамику и здравый смысл.

И тут  меня возникает вопрос: зачем?  Зачем летательному аппарату форма автомобиля?

И самое интересное, что этим грешат не только фантасты. Вполне реальные инженеры с дипломами, научными степенями и доступом к аэродинамическим трубам тоже периодически пытаются построить нечто подобное.

Человечество изобрело авиацию, научилось проектировать самолеты, вертолеты, конвертопланы, беспилотники, а потом торжественно объявило:

– А теперь давайте сделаем так, чтобы всё это выглядело как седан!

Гениально. Осталось приделать пропеллер к холодильнику и объявить революцию в грузовых перевозках..

Начнём с  простой вещи, о которой почему-то регулярно забывают создатели фантастических транспортных средств. Форма автомобиля определяется его назначением.

Автомобиль передвигается по твердой поверхности. Ему необходимы подвеска, рулевое управление, устойчивость на поворотах, определенный дорожный просвет и возможность вписываться в габариты существующей дорожной инфраструктуры. Пассажирский салон проектируется с учётом того, что машина  находится в горизонтальном положении, а ускорения в основном возникают при разгоне, торможении и поворотах.

Даже аэродинамика автомобиля подчинена совершенно определённым задачам. Ему нужно уменьшать сопротивление воздуха, сохранять устойчивость на высокой скорости и, в случае спортивных машин, создавать прижимную силу. Именно прижимную. То есть инженеры порой специально проектируют автомобиль так, чтобы набегающий воздушный поток сильнее прижимал его к дороге.

А теперь представим, что этот автомобиль должен летать. Поздравляю! Мы получили транспортное средство, часть аэродинамических характеристик которого создавалась для решения задачи, прямо противоположной.

Разумеется, не каждый автомобильный кузов создает значительную прижимную силу. Обычные дорожные машины могут обладать и положительной подъёмной силой, с которой конструкторы, наоборот, стараются бороться. Но принципиального противоречия это не отменяет: автомобиль проектируют для движения по дороге, а летательный аппарат для движения в воздухе. Это две разные инженерные задачи. И попытка решить вторую, сохранив конструктивную логику первой, выглядит несколько странно.

У летательного аппарата есть одна  особенность. Ему необходимо каким-то образом удерживаться в воздухе (странно, да?). 

Самолёт создаёт подъёмную силу преимущественно крыльями при движении относительно воздуха. Вертолёт использует несущий винт. Мультикоптер имеет несколько роторов. Реактивный аппарат может удерживаться вертикальной составляющей тяги двигателей.

В каждом случае конструкция определяется физическим принципом полёта. Если мы хотим получить экономичный аппарат, способный перевозить пассажиров на значительные расстояния, нам, вероятнее всего, понадобятся крылья. Причём не декоративные выступы по бокам автомобильного кузова, а полноценные несущие поверхности с соответствующими площадью, профилем и удлинением.

Если требуется вертикальный взлет и посадка, необходима система, создающая вертикальную подъемную силу, это могут быть винты, роторы,  или другие двигательные установки.

Для эффективного зависания винтовому аппарату  выгодно иметь достаточно большую суммарную площадь дисков несущих роторов. Это позволяет создавать необходимую подъёмную силу, сообщая воздуху меньшую дополнительную скорость и затрачивая меньше мощности. А значит, маленькие вентиляторы, аккуратно спрятанные в автомобильных колёсных арках, могут оказаться далеко не самым удачным решением.

Конечно, при достаточной мощности можно поднять в воздух весьма неуклюжую конструкцию. Летают же некоторые экспериментальные платформы, которые по внешнему виду напоминают результат интимной связи промышленного вентилятора с садовой мебелью.

Но вопрос не в том, можно ли заставить конструкцию летать, а в том, насколько эффективно, безопасно и экономично она будет это делать. Кирпич тоже можно отправить в полёт, если  хорошенько его разогнать. Однако никто в здравом уме не станет утверждать, что кирпич представляет собой оптимальную аэродинамическую форму пассажирского самолета.

Теперь давайте посмотрим на автомобильную компоновку с точки зрения массы. У обычной машины имеются колеса, шины, подвеска, элементы трансмиссии, рулевые механизмы и прочее оборудование, необходимое для передвижения по дороге. Если мы создаем аппарат, предназначенный исключительно для полета, значительная часть всего этого хозяйства становится бесполезной.

Конечно, летательным аппаратам тоже бывает необходимо шасси. Но шасси самолета и полноценная автомобильная ходовая часть это совершенно разные вещи. Самолетное шасси нужно прежде всего для движения по аэродрому, взлёта, посадки и восприятия соответствующих нагрузок. Оно не обязано обеспечивать комфортное движение по разбитой дороге, проходить крутые повороты и преодолевать лежачих полицейских.

Каждый лишний килограмм в авиации означает дополнительную нагрузку на несущую систему, увеличение необходимой мощности или уменьшение полезной нагрузки. И если мы устанавливаем на персональный летательный аппарат полноценную автомобильную подвеску исключительно ради того, чтобы он выглядел привычно, то фактически добровольно ухудшаем его характеристики.

Представьте, что конструкторы пассажирского авиалайнера решили сохранить на нём четыре автомобильных колеса, радиаторную решётку, капот и багажник.  Выглядит нелепо, не так ли?

Но ведь существуют реальные прототипы! Существуют. И здесь необходимо сделать уточнение. Реальный летающий автомобиль это обычно не попытка создать идеальный летательный аппарат, а попытка объединить два разных транспортных средства в одном.

Например, словацкий AirCar компании Klein Vision. Это вполне серьезная инженерная разработка, способная трансформироваться из дорожного автомобиля в небольшой самолет. Для полета у неё разворачиваются крылья и хвостовые поверхности.

Именно так. Чтобы автомобиль нормально летал, его приходится превращать в самолёт. Удивительное открытие, правда?

Но смысл такого аппарата заключается вовсе не в том, что автомобильная форма идеально подходит для полета. Его преимущество, это возможность после посадки продолжить путешествие по обычной дороге. Это компромисс. И компромисс осмысленный, если нам действительно необходимы обе функции.

Но вот если мы говорим о мире будущего, в котором существует развитая инфраструктура воздушного транспорта, возникает совершенно другой вопрос.

Зачем сохранять возможность ездить по дороге, если аппарат предназначен прежде всего для полета? Особенно если в фантастическом городе все транспортные потоки уже давно переместились на разные высотные уровни, а автомобили способны взлетать прямо с парковочных площадок. Получается, что мы сохраняем конструктивные недостатки наземного транспорта ради функции, которая перестала использоваться. Примерно как если бы современные авиалайнеры проектировали с возможностью превращаться в паровоз. Вдруг железная дорога понадобится.

Представим, что мы действительно проектируем персональный транспорт будущего. Не автомобиль с приделанными крыльями, а летательный аппарат с самого начала. Зададим несколько простых условий. Он должен перевозить одного-шестерых пассажиров. Уметь взлетать и садиться на небольших площадках. Быть достаточно безопасным для массовой эксплуатации. Желательно,  автоматизированным, чтобы каждому владельцу не приходилось получать полноценную летную подготовку. И, разумеется, он должен расходовать разумное количество энергии.

Как он будет выглядеть?

Возможно, как компактный конвертоплан. Возможно, как многороторный аппарат с пассажирской капсулой. Возможно, как небольшой самолёт вертикального взлёта с отдельными подъемными и маршевыми двигателями.

Если аппарат предназначен для коротких городских перелетов, где большая часть времени уходит на взлет, посадку и маневрирование, крылья могут оказаться менее полезными, чем эффективная винтовая система. Если же он должен перевозить пассажиров на сотни километров, наличие крыла становится гораздо привлекательнее. В горизонтальном полете оно создает подъемную силу без необходимости постоянно направлять тягу двигателей вертикально.

Собственно, именно подобные схемы и исследуются в рамках современных программ перспективной воздушной мобильности. NASA, например, рассматривает различные конфигурации аппаратов вертикального взлёта, включая конвертопланы, поворотные крылья и системы с отдельными подъёмными и маршевыми винтами.

Обратите внимание,что  никто не требует, чтобы такая машина непременно напоминала семейный седан.

Кстати, в зависимости от применяемых технологий оптимальный аппарат будущего может вообще не напоминать ничего из привычной нам авиации. Если появятся принципиально новые способы создания подъёмной силы или управления воздушным потоком, изменится и компоновка. Но это всё равно будет конструкция, подчиненная физике соответствующего способа полета. А не традициям автомобильного дизайна.

А если в будущем изобретут "антигравитацию"? Допустим, в нашем распоряжении появилась технология, позволяющая компенсировать гравитацию или создавать управляемую подъёмную силу без крыльев и винтов. Замечательно! В таком случае летательный аппарат действительно может иметь практически любую форму. Хоть автомобильную. Хоть сферическую. Хоть кубическую.  Хоть форму гигантского чайника. Если устройство способно удерживаться в воздухе независимо от аэродинамических сил, классические ограничения на создание подъемной силы перестают быть определяющими.

Но есть нюанс. Компенсация гравитации сама по себе ещё не означает исчезновения сопротивления воздуха. Если наш чудесный антигравитационный автомобиль движется в атмосфере со скоростью двести-триста километров в час, ему всё ещё приходится раздвигать воздух. И сопротивление будет зависеть от формы корпуса, его размеров, скорости движения и характеристик воздушного потока. Причем мощность, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления, при прочих равных приблизительно растёт с кубом скорости. Поэтому на высоких скоростях аэродинамическая эффективность приобретает огромное значение.

Разумеется, можно предположить наличие некоего "силового поля", которое не только компенсирует гравитацию, но и каким-то образом управляет взаимодействием аппарата с окружающей атмосферой. Тогда действительно можно летать хоть на рояле.

Но здесь возникает уже другой вопрос.

Если технологии позволяют совершенно произвольно выбирать форму летательного аппарата, почему человечество будущего продолжает копировать конструкцию наземного транспорта далёкого  прошлого? Почему не создать более удобную пассажирскую капсулу? Почему не сделать обзорную кабину, обеспечивающую прекрасную видимость во всех направлениях? Почему не расположить пассажиров иначе, если ограничения больше не существуют? Почему вообще сохранять капот, багажник и узнаваемый силуэт седана?

Есть ещё один аспект. Представим, что вместо нескольких тысяч автомобилей на дорогах у нас появились несколько тысяч индивидуальных летательных аппаратов над теми же улицами. Причем каждый из них способен двигаться не только вперед и назад, но и вверх, вниз, влево и вправо.

Сразу возникает масса вопросов. Как организовать движение? Как обеспечить безопасные интервалы между аппаратами? Что делать при отказе двигателя? Где организовать посадочные площадки? Как защитить пешеходов от нисходящих воздушных потоков и шума?

Даже если управление полностью автоматизировано, проблемы никуда не исчезают. Они просто переходят из области индивидуального пилотирования в область проектирования транспортной системы.

И здесь идея «каждому по летающему автомобилю» начинает выглядеть значительно менее привлекательной. Потому что массовый воздушный транспорт это не просто автомобильные пробки, поднятые на сто метров над землёй, а ещё и принципиально другая инфраструктура, с другими требованиями к безопасности, навигации и организации движения.

Вполне возможно (и мне это кажется наиболее вероятным), что в будущем персональные летательные аппараты вообще не будут находиться в индивидуальной собственности. Вместо этого появится сеть автономных воздушных такси, которые будут доставлять пассажиров между специально оборудованными площадками (расположенными, например, на крышах)

А может быть, для  городских поездок наземный общественный транспорт останется куда более рациональным решением. Будущее вовсе не обязано превращать каждого человека в  пилота.

Фантастика довольно часто изображает будущее как усовершенствованное настоящее. Берем привычную вещь и добавляем к ней какое-нибудь фантастическое свойство. Телефон будущего? Такой же телефон, только с голограммой. Оружие будущего? Почти обычный автомат, только стреляет светящимися лучами. Город будущего? Те же небоскрёбы, только ещё выше. Автомобиль будущего? Разумеется, он летает.

Всё. Будущее наступило.

Это чрезвычайно удобный  приём, и столь же чрезвычайно неправильный.  Потому что надо задуматься. Почему именно такая форма? Какая технология обеспечивает полет? Почему она выгоднее других компоновок? Какие ограничения накладывает?

И если единственным ответом оказывается «ну это же будущее», то перед нами не столько научная фантастика, сколько дизайнерская фантазия на тему технического прогресса.

В истории техники существует  закономерность. Новые технологии поначалу нередко копируют формы своих предшественников. Первые автомобили напоминали конные экипажи, потому что именно экипажи были привычным образцом индивидуального транспорта. Первые самолёты иногда заимствовали компоновочные решения у конструкций, которые сегодня показались бы нам довольно странными. Но постепенно новая техника обретала собственную форму. Форму, продиктованную её назначением, условиями эксплуатации и законами физики.

Поэтому мне кажется забавным, если фантасты, с лёгкостью отправляющие человечество к другим звёздам, иногда не могут представить индивидуальный транспорт, который перестал бы выглядеть как автомобиль.

Они готовы придумать искусственный интеллект, межзвёздные двигатели, управление гравитацией и совершенно новые материалы. Но четыре колеса, капот и багажник,  это, видимо, святое.

Но лично мне хотелось бы увидеть в фантастике другое будущее. Будущее, в котором новые технологии действительно порождают новые инженерные решения, а не просто заставляют старые вещи совершать несвойственные им действия. Где персональный летательный аппарат проектируют как летательный аппарат. Где его форма определяется способом полёта, назначением, эффективностью и безопасностью, а не тем, насколько эффектно он будет смотреться с хромированной радиаторной решёткой на фоне небоскрёбов.