Долгая дорога в будущее Ожидать ли революции в технологиях транспорта

Лет сто назад «транспорт через 25 лет» описывался весьма оптимистично: в романе, действие которого происходило в 1936 году, путешествовали за тысячи километров на пассажирской ракете, по улицам городов скользили электромобили, а над землей парили летающие автомобили. Совсем обленившиеся граждане выбирали скоростные поезда, преодолевающие по 600 километров в час. Такие радужные ожидания казались вполне обоснованными: массовая автомобилизация и появление самолетов в разы ускорили перемещение человека между населенными пунктами.

Сегодня все это великолепие вызывает разве что улыбку. Но веселого здесь мало: по сути, футуристы дня сегодняшнего ждут внедрения тех же технологий, что и многие десятилетия назад. Часть из них обещает нам космолайнеры, околозвуковые поезда и сверхзвуковые самолеты уже через пару десятилетий, а то и раньше. Другие напоминают про непреложные физические законы и считают, что реализация всего этого громадья планов вряд ли будет легкой и быстрой. Очевидно, реальное будущее где-то между этим двумя крайностями, и нам осталось лишь понять, к какой оно окажется ближе.

Маглев или гиперпетля?

Апрельское достижение японского поезда на магнитной подушке (или «маглев» — сокращение от слов «магнитная левитация»), поставившего новый рекорд скорости в 603 километра в час, вызывает ряд вопросов. И первый из них — почему это все еще не перевозит людей? Напомним: японская схема внедрения маглева предусматривает запуск участка Токио — Нагойя только в 2027 году. Зачем столько ждать?

Причины неторопливости внедрения маглева лежат на поверхности. Сопротивление воздуха растет пропорционально квадрату скорости. Поэтому на 600 километрах в час оно в десятки раз выше, чем на 100 километрах в час, с соответствующим ростом энергозатрат. Скоростные поезда требуют путей, предельно близких к прямым, то есть дорогих эстакад и горных тоннелей. Кроме того, магнитная подвеска (сверхпроводниковые магниты в жидком гелии) тоже не бывает дешевой, и стоимость первого участка маглева в Японии оценивают в 70 миллиардов долларов. Так что если плотность населения в вашей стране ниже японской, ожидать внедрения таких технологий пока преждевременно. Не говоря уж о том, что внутри маглева высокая скорость ведет к неприятно сильной тряске в вагонах, — ведь фактически такой поезд летит и, несмотря на сантиметровые зазоры до земли, иногда попадает в воздушные микроямы.

Высокая стоимость и неизбежная тряска скоростных поездов в 2013 году заставили Илона Маска предложить концепцию Hyperloop («Гиперпетля»). В ее рамках предлагается добиться средней скорости поезда до 1130 километров в час, резко снизив сопротивление воздуха и одновременно отказавшись от магнитов. Поезд в Hyperloop должен двигаться по герметичной трубе, давление в которой равно одной тысячной атмосферного. Тряска от воздушных ям здесь маловероятна, а от набегающего воздуха (на такой скорости его будет много и в столь разреженной атмосфере) предполагается избавляться, пропуская его от носа к корме и частично используя для создания воздушной подушки под движущимся поездом. Воздушная подушка здесь намного дешевле магнитной в маглеве, ибо не требует сверхпроводниковых магнитов. По расчетам Маска, километр такой дороги будет стоить 10 миллионов долларов против 100 миллионов для скоростного маглева.

Изображение: John Gardi

Надо сказать, что технически «гиперпетля» — пока самый здравый проект столь скоростного поезда и действительно выглядит много дешевле любых мыслимых конкурентов. У проекта одна беда: это целиком новый вид транспорта, который надо создавать с нуля, решая непростые инженерные задачи много лет подряд. Для его реализации нужен эксцентричный миллиардер-спонсор с техническим чутьем — то есть сам Маск. Увы, последний, ссылаясь на занятость в проектировании новых ракет и электромобилей, сам заниматься проектом не намерен, поэтому передал концепцию в общественное достояние. Американские стартапы HTT и Hyperloop Tech пытаются реализовать пилотные проекты такого рода, однако им трудно привлечь нужное финансирование. Так что пока железнодорожные перевозки быстрее тысячи километров в час человечеству явно не грозят.

Некоторую надежду внушает лишь сам Маск, которой в январе 2015 года пообещал построить восьмикилометровый испытательный участок «Гиперпетли» в Техасе. Однако речь идет только о том, чтобы показать принципиальную возможность схемы: проекты коммерческих линий отняли бы у него слишком много времени.

Сверхзвук, или Вперед в XX век

На протяжении последней четверти XX века в мире эксплуатировались регулярные сверхзвуковые пассажирские авиаперевозки, позволявшие попасть из Европы в Северную Америку за три часа 20 минут при крейсерской скорости в 2150 километров в час — в два с половиной раза быстрее современных авиалайнеров!

Что же мешает пассажирской авиации вернуться к скоростям конца XX века? Увы, никакого заговора здесь нет — речь идет о чистой физике. Самолет, преодолевающий звуковой барьер, начинает по-другому взаимодействовать с воздухом: на его плоскостях появляется ударная волна, внутри которой воздух по-прежнему двигается с дозвуковой скоростью. При этом избыток кинетической энергии, генерируемый сверхзвуковым движением самолета, конвертируется во внутреннюю энергию газа, чья температура и плотность резко растут. Сопротивление в таких условиях очень велико, и чтобы резко снизить его, нужно сделать крыло очень малой толщины. Но если сделать крыло совсем тонким, то оно будет хорошо работать на сверхзвуке, а на дозвуковых скоростях создаст очень малую подъемную силу и взлететь с ним весьма непросто. В итоге «Конкорд» сжигал восемь тонн горючего на тонну полезной нагрузки, и после начала нефтяного кризиса 70-х годов сверхзвуковой пассажирский самолет стал экономически нецелесообразен, а летал до 2003 года лишь потому, что производители раздавали его авиакомпаниям за 1 франк.

Решить проблему сверхзвука можно. Еще в 1950-х годах Альфред Буземанн выяснил, что можно построить такую систему крыльев (биплан Буземанна), при которой ударная волна повышенного давления, создаваемая у передней кромки крыла, будет гаситься при столкновении с ударной волной второго крыла. Увы, найденные им схемы не создавали подъемной силы, что делало их использования в виде крыла нереальным. Однако в 2012 году американский исследователь Руй Ху (Rui Hu) из Массачусетского технологического институтa представил такую модель кольцевого крыла, при которой взаимное гашение ударных волн сочетается с созданием подъемной силы (при определенном угле атаки). Для скоростей 1,1-1,7 Маха сопротивление при этом падает вдвое, что в теории позволяет создать сверхзвуковой авиалайнер, который будет брать на тонну груза не восемь тонн топлива, а примерно столько же, сколько и дозвуковые лайнеры.

Частично проблему сверхзвука способен решить заинтересовавший НАСА проект Supersonic Bi-directional Flying Wing. Он предусматривает сочетание в одном самолете сразу двух аэродинамик: взлетать он должен в дозвуковой конфигурации с большими утолщенными крыльями. А при разгоне до звукового барьера аппарат плавно разворачивается боком за счет выпрямления законцовок крыла, позволяющего набегающему воздушному потоку самому развернуть самолет. Так нос и корма ромбовидного самолета станут его крыльями для сверхзвукового режима — тонкими и короткими, как у «Конкорда».

К сожалению, все три схемы столь резко отличаются от современных самолетов, что их реализация в ближайшие десятилетия маловероятна. Единственная надежда на то, что военные заинтересуются такими схемами для своих транспортников, которые российское Минобороны как раз хочет видеть сверхзвуковыми.

Более радикальный метод быстрых путешествий предполагает избавиться от проблем сверхзвука вообще. Virgin Galactic намеревается использовать для межконтинентальных перелетов ракетоплан, стартующий со спины высоколетящего дозвукового самолета. Применение такого «кентавра» дает возможность использовать на космической части траектории космоплан, чья аэродинамика годится лишь для разреженной атмосферы, но не позволяет эффективно взлететь и набрать высоту с земли.

Изображение: Scaled Composite

Проблема этого подхода та же, что у сверхзвуковых лайнеров: после преодоления звукового барьера ракетоплан получает перевод кинетической энергии набегающего воздуха в рост его плотности и температуры. Само собой, теплозащита, необходимая космическому аппарату, при выходе в космос достигающего скорости в семь километров в секунду, намного серьезнее той, что требуется сверхзвуковому самолету типа Ту-144, не разгоняющемуся и до одного километра в секунду. Поэтому он должен быть много дороже. Кроме того, создание аппарата, который можно будет многократно использовать для таких полетов — проблема, все еще не решенная даже НАСА или SpaceX. Пока неясно, как именно инженерам Ричарда Брэнсона удастся преодолеть проблемы более дорогой материальной части и ее доведения до надежной многоразовости.

Электромобилизация

Стоимость топлива для современных автомобилей так высока, что в России, например, автолюбители тратят на него больше, чем на покупку новых автомобилей. На этом фоне электромобили типа Nissan Leaf или Tesla Model S, поедающие от 12 до 20 киловатт-часов на 100 километров, выглядят куда как экономичнее. Самые тяжелые из них и при нынешних ценах на нефть втрое дешевле автомобиля на километр пробега. На первый взгляд, это должно вызвать победное шествие электромобилей по всему миру, — действительно, за последние пять лет количество их почти с нуля выросло до 250 тысяч.

Тем не менее тотальной пересадки на электроавто в ближайшие десятилетия не случится. Основная причина — дороговизна литиевых аккумуляторов, стоящих до 500 долларов за киловатт-час емкости. Для Tesla Model S с дальностью 400 километров требуется накопителей на 85 киловатт-часов — то есть одни аккумуляторы там стоят в районе двух миллионов рублей, что с лихвой перекрывает экономию от замены бензина электричеством.

Ситуация в ближайшие годы слегка изменится: в 2017 году тот же Илон Маск обещает выпустить Model 3 с дальностью 320 километров и ценой 35 тысяч долларов. Можно предположить, что в своем ценовом сегменте она существенно подвинет конкурентов с двигателем внутреннего сгорания, так же как Model S обогнала по продажам конкурентов в своем ценовом сегменте в США. И все же массовый рынок в сегменте дешевле 25 тысяч долларов электромобили не завоюют. По крайней мере, до радикального снижения стоимости аккумуляторов, чего как минимум до конца десятилетия ждать не приходится.

Убрать руки с руля

Прожорливость автомобиля — не самая неприятная сторона этого транспортного средства. Гораздо хуже то, что он каждый год уносит 1,2-1,3 миллиона человеческих жизней, и к 2015 году уже убил больше людей, чем Вторая мировая война. Резко снизить масштаб смертности, в принципе, реально: ошибки, приводящие к ДТП — это чисто человеческие ошибки, и все имеющиеся результаты испытаний беспилотных автомобилей, на сегодня наездивших порядка миллиона километров, показывают, что они в ДТП не попадают — если, конечно, водитель не берет управление на себя.

К тому же, по расчетам исследователей из Колумбийского университета, пропускная способность одной полосы автодороги полностью заполненной беспилотными авто равна 12 тысячам машинам в час — и лишь 2200, если управление этих машин будет в руках людей. Иными словами пропускная способность дорог после широкого внедрения робомобилей вырастет в несколько раз. Причины этого очевидны: рефлексы «робота» много быстрее, он не «тормозит» при разгоне и не «зевает» при торможении. Само собой и расход топлива роботизированного потока автомашин из-за этого будет на 15-20 процентов меньше. Почему же при столь очевидных преимуществах автопилот все еще не оттеснил нас от руля?

Современные беспилотные автомобили используют для ориентации в пространстве лидары — лазерные радары, комплект которых стоит примерно $70 тысяч, что запретительно дорого для массового рынка. Есть и более простые, ориентирующиеся по стереокамерам, вроде комплекта RP-1 производства Cruise Automation. Такие стоят всего $10 тысяч, а в серии могут быть еще дешевле. Пока проблема цены является самой значимой для автомобилей без водителя, но не единственной: законодательная база большинства стран мира довольно слабо разрабатывает проблему легальности роботизированных автомобилей.

В нашей стране к этому добавляется и другая сложность. Беспилотный автомобиль ориентируется, читая дорожную разметку, которая в России часто отсутствует либо покрыта грязью и снегом. Разумеется, это вынужден учитывать проект разработки беспилотного КАМАЗа (на фоне цены грузовика стоимость автопилота будет не так заметна) к 2020 году, проводимый в сотрудничестве с российской компанией Cognitive Technologies. По словам ее представителей, это означает, что «наш» автопилот должен быть совершеннее западных аналогов, «распознавать дорожную сцену (в том числе границы дороги и ширину полос движения) в отсутствии какой-либо разметки». Насколько отечественным разработчикам удастся реализовать столь амбициозную задачу — покажет время.

Почему автомобили не летают?

Другая излюбленная футуристами «примочка» — автомобили, способные взлететь и преодолеть какое-то расстояние по воздуху. Смысл таких транспортных средств очевиден — средняя скорость даже поршневого самолета в несколько раз выше автомобильной, да и твердое покрытие ему не так нужно.

Нет недостатка в разработках на эту тему. Создатели голландского PAL-V в мае 2014 года даже объявили о начале производства своего «летающего автомобиля». На самом деле, это скорее трицикл, в котором всего два пассажирских места. Зато, благодаря складному винту, он умеет взлетать и садиться с короткой полосы. В воздухе он летает не как вертолет, а как автожир: движется вперед не основным верхним винтом, а небольшим толкающим пропеллером сзади аппарата. Это позволяет ему быть много экономичнее и тише вертолета.

Автожирная схема еще и безопаснее: в случае остановки мотора PAL-V сам приземляется на авторотации, в то время как на вертолете это непросто, а на малой высоте и смертельно опасно. Увы, чудес не бывает: аппарат, летающий не за счет крыла, а за счет несущего винта, создает довольно большое аэродинамическое сопротивление и в воздухе тратит 20 литров на 100 километров. К тому же, будучи малосерийным, он неизбежно окажется недешевым, — разработчики обещают продавать аппарат с 2016 года по цене в полмиллиона евро.

Более обтекаемым выглядит американский проект Terrafugia Transition. На земле он ездит как обычный автомобиль, при этом являясь самолетом со складывающимися крыльями и способным нести до 4 человек. Благодаря самолетной аэродинамике при полете он тратит лишь 11 литров на 100 километров, однако даже сложенные крылья на дороге занимают не менее 2,29 метра в ширину, что делает его не слишком удобным на городских улицах. По сути, перед нами самолет, способный доехать от аэропорта до дома, а не универсальный летающий автомобиль. Над настоящим турбинным летающим автомобилем а-ля «Пятый элемент» компания Terrafugia планирует начать работать лишь после запуска серийного производства Terrafugia Transition:

На первый взгляд, все вышеперечисленное выглядит не слишком оптимистично. Маглев в 2027 году, «Гиперпетля» в неопределенном будущем, аккумуляторы, которые вряд ли подешевеют в ближайшие годы... Однако основания для оптимизма есть, и их немало. 20 лет назад массовые электромобили и самостоятельно паркующийся автомобиль выглядели сюжетами из научной фантастики. Сегодня же все это не кажется чем-то необычным, а через год-два мы можем увидеть и начало продаж вполне реальных летающих автомобилей, пусть местами громоздких и немного прожорливых. Кто знает, что ждет нас еще лет через десять?