В анимационном ситкоме 1960-х годов «Джетсоны» Джордж Джетсон добирается до работы на своей семейной летающей машине, которая в конце поездки чудесным образом превращается в портфель.
Новое исследование воздействия летающих автомобилей на окружающую среду, официально известных как электрические самолеты с вертикальным взлетом и посадкой, или VTOL, показывает, что они не подходят для коротких поездок в стиле Jetsons.
Тем не менее, VTOL, которые сочетают в себе удобство вертикального взлета и посадки, как у вертолета, с эффективным аэродинамическим полетом самолета, могут сыграть нишевую роль в устойчивой мобильности для дальних поездок, согласно исследованию, запланированному к публикации. 9 апреля в Nature Communications. Несколько компаний по всему миру разрабатывают прототипы вертикального взлета и посадки.
Летающие автомобили были бы особенно ценны в перегруженных городах или в местах с географическими ограничениями, как часть службы такси, по словам авторов исследования из Центра устойчивых систем Мичиганского университета и из Ford. Мотор Co.
«Для меня было очень неожиданно увидеть, что VTOL были конкурентоспособны в отношении энергопотребления и выбросов парниковых газов в определенных сценариях», - сказал Грегори Кеолеян, старший автор исследования и директор Центра устойчивых систем. в Школе окружающей среды и устойчивого развития UM.
«ВВП с полной загрузкой могут превзойти наземные автомобили для поездок, например, из Сан-Франциско в Сан-Хосе или из Детройта в Кливленд», - сказал он..
Исследование U-M-Ford, первая всесторонняя оценка устойчивости VTOL, рассматривала использование энергии, выбросы парниковых газов и экономию времени VTOL по сравнению с наземными легковыми автомобилями. Хотя СВВП производят нулевые выбросы во время полета, их батареи требуют электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях.
Исследователи обнаружили, что при поездках на 100 километров (62 мили) полностью загруженный СВВП с пилотом и тремя пассажирами имеет более низкие выбросы парниковых газов, чем наземные автомобили со средней вместимостью 1,54 человека. Выбросы, связанные с вертикальным взлетом и посадкой, были на 52% ниже, чем у автомобилей с бензиновым двигателем, и на 6% ниже, чем у автомобилей с аккумуляторными батареями.
Акшат Касливал, первый автор исследования и аспирант Школы окружающей среды и устойчивого развития Университета штата Массачусетс, сказал, что результаты могут помочь в устойчивом развертывании новой мобильной системы до ее коммерциализации.
«Благодаря этим VTOL есть возможность взаимно согласовать устойчивость и бизнес-кейсы», - сказал Касливал. «Высокая пассажиропоток не только улучшает выбросы, но и способствует экономичности летающих автомобилей. Кроме того, потребители могут быть заинтересованы в том, чтобы делиться поездками, учитывая значительную экономию времени за счет перелета по сравнению с вождением автомобиля».
В ближайшие десятилетия глобальный транспортный сектор столкнется с проблемой удовлетворения растущего спроса на удобную пассажирскую мобильность при одновременном снижении заторов, повышении безопасности и смягчении последствий изменения климата.
Электромобили и автоматизированное вождение могут способствовать достижению некоторых из этих целей, но их использование ограничивается заторами на существующих дорогах. VTOL потенциально могут преодолеть некоторые из этих ограничений, предоставив услуги пилотируемого такси или другие городские и региональные услуги по воздушному транспорту.
Несколько аэрокосмических корпораций и начинающих компаний, например Airbus, Boeing, Joby Aviation и Lilium, а также такие агентства, как НАСА, разработали прототипы вертикального взлета и посадки. Одним из важнейших факторов эффективности для этих самолетов является распределенная электрическая тяга, или DEP, которая включает в себя использование нескольких небольших движителей с электрическим приводом.
Исследователи UM и Ford использовали общедоступную информацию из этих и других источников, чтобы создать основанную на физике модель, которая вычисляет энергопотребление и выбросы парниковых газов для электрических VTOL.
«Наша модель отражает общие тенденции в области вертикального взлета и посадки и использует параметры из нескольких исследований и конструкций самолетов для определения веса, аэродинамического качества и удельной энергии батареи», - сказал Ноа Фурбуш, соавтор исследования и студент магистратуры Инженерного колледжа UM.
«Кроме того, мы провели анализ чувствительности, чтобы изучить границы этих параметров, наряду с другими факторами, такими как интенсивность выбросов углерода в сети и скорость ветра», - сказал Фурбуш, который также является членом футбольной команды UM.
Исследование началось, когда Касливал и Фурбуш проходили летнюю стажировку в Ford. Работа продолжилась, когда студенты вернулись в Анн-Арбор с помощью гранта Альянса Форд-Университета Мичигана.
Исследователи проанализировали использование первичной энергии и выбросы парниковых газов во время пяти этапов полета вертикального взлета и посадки: зависание при взлете, набор высоты, крейсерский полет, снижение и зависание при посадке. Эти самолеты потребляют много энергии во время взлета и набора высоты, но относительно эффективны на крейсерском этапе, двигаясь со скоростью 150 миль в час. В результате СВВП наиболее энергоэффективны при дальних поездках, когда крейсерская фаза преобладает в общей протяженности полета.
Но для более коротких поездок - менее 35 километров (22 миль) - одноместные автомобили с двигателем внутреннего сгорания потребляют меньше энергии и производят меньше выбросов парниковых газов, чем одноместные СВВП. Это важное соображение, поскольку среднее расстояние наземного транспорта составляет всего около 17 километров (11 миль).
«В результате поездки, в которых VTOL более экологичны, чем автомобили с бензиновым двигателем, составляют лишь небольшую часть от общего годового пробега транспортных средств по земле», - сказал соавтор исследования Джим Гаврон, аспирант в Школа окружающей среды и устойчивого развития UM и Школа бизнеса Росса.«Следовательно, вклад и роль СВВП в системе устойчивой мобильности будут ограничены».
Неудивительно, что СВВП преодолел базовый маршрут в 100 километров намного быстрее, чем наземные транспортные средства. Траектория полета вертикального взлета и посадки «точка-точка» в сочетании с более высокими скоростями привела к экономии времени примерно на 80 процентов по сравнению с наземными транспортными средствами.
«Ожидается, что электрификация самолетов в ближайшем будущем коренным образом изменит аэрокосмическую отрасль», - сказал Фурбуш.
Авторы исследования отмечают, что для оценки жизнеспособности вертикального взлета и посадки необходимо ответить на многие другие вопросы, включая стоимость, шум и признание общества и потребителей.