Leteči avto je nesmisel

Leteči avto oziroma zračni mestni osebni prevoz, ki bi zamenjal sedanji cestni, ne bo nikoli uresničena perspektiva ampak ena tistih idej, na katere bomo čez čas gledali kot na smešnico.

Leteči avto in mestni zračni promet


Mestni zračni promet po predvidevanju iz leta okoli 1900.

Od prvih filmov v zgodnjih dvajsetih letih prejšnjega stoletja naprej smo gledali zamisli in predvidevanja o bodočem življenju v mestih. Med predvidevanji je bil tudi zračni promet. Najprej v obliki raznih balonov z različnimi pogoni – od jader do zračnih vesel – kasneje v obliki posebnih letala in avtožiro naprav, še kasneje heli avtomobilov s posebnimi vijaki in danes avtomobilov retro oblik, ki letajo na nekaj kar nihče niti ne pojasnjuje. Vse od takrat do danes pa okvirje mogočega in nemogočega postavljajo zakonitosti, ki so zbrane v znanosti imenovani aerodinamika. Zaradi teh zakonitosti so uspešno letali pionirji letalstva Lilienthal, brata Wright, Bleriot, naš Rusjan in drugi. S svojimi podvigi so tudi pripomogli k razvoju same znanosti. Poleg sanj in novih želja pa aerodinamika postavlja določene omejitve, ki jih ne bo mogoče nikoli preseči, razen z odkritji s področja znanstvene fantastike kot so na primer antigravitacija in levitacija.

Kljub novim materialom, novim spoznanjem in novim tehnologijam, ki danes omogočajo letenje naprav na samih mejah aerodinamičnih zakonov, okvirji aerodinamičnih zakonitosti ne dovoljujejo ideje “letečega avta”! Trenutno edina znana pogona katerekoli koli letalne naprave sta letalski oz. helikopterski vijak in reaktivni motor. Oba sta za funkcijo pogona letečega osebnega avtomobila komaj primerna. Osnovna težava je v nujnosti hitrega zračnega toka, preko katerega ustvarjata silo vzgona. Kakršno koli letalno napravo si že omislimo, so z njo nujno povezani močni zračni curki, ki nosijo vse naokrog in udarci zvrtinčenega zraka. K zakonitostim aerodinamike spada tudi zvok, ki je pri močnih vijakih in reaktivnih motorjih, ki so s tal sposobni dvigniti nekaj tonsko vozilo nekaj zelo neprijetnega. Zamislite si kako bi bilo videti parkirišče v bližini nakupovalnega centra, kamor bi se stekale take naprave. Če je naš namen najti napravo, ki nas bo peljala neposredno od vrat bivališča po vsakdanjih opravkih, taka naprava vsekakor ni odgovor.

Čeprav so nekatere ideje letalnih naprav za vsakdanje potrebe transporta ponudile domiselne rešitve, kot je recimo zelo strokoven in analitičen Airbusov projekt Pop.Up Urban Transport, pa je že od daleč videti, da prevoz po zraku ne bo prava rešitev. Samodejna vozila na magnetnih tirih ali v vakuumskih ceveh nad ali pod zemljo, ki se bodo lahko cepile prav do vsake hišne številke in ki bodo omogočala veliko večje hitrosti, kot letalne naprave, so veliko bolj resna zamisel. Seveda se ob tem poraja vprašanje infrastrukture ampak so odgovor ponudili že do sedaj znani graditelji infrastrukturnih objektov, ki so bili zainteresirani za pridobivanje svojih uporabnikov na področju mobilne telefonije, interneta, trgovine z dostavo na dom, itd.

Leteči avto Pop.Up Urban Transport
Pop.Up Urban Transport, Airbusov projekt urbanega transporta, je sestavljen iz treh modulov: osnovne kabine, ki je lahko pripeta na letalni ali na cestni modul. Preklopi iz ene v drugo obliko vozila, bi se verjetno izvajali na določenih točkah. V tej obliki pa zračna hitrost ne bi bila veliko višja od hitrosti na cesti.

Zakaj je leteči avto je nesmisel

Vsaka letalna naprava deluje po principu tretjega Newtonovega zakona. Če eno telo deluje na drugo z neko silo, deluje drugo telo nazaj z nasprotno enako silo. Zakon imenujemo tudi zakon o vzajemnem učinku ali zakon akcije in reakcije. Za leteči avto ali za kako drugo letalno napravo velja, da mora s curkom zraka ali vročih plinov usmerjenih proti tlom, proizvesti tako močno silo, da premaga silo teže naprave. Pri tem je največja neprijetnost potrebna hitrost takega zračnega curka. Iz enačbe spodaj je videti, da je hitrost toka zraka (v) sorazmerna teži vozila (T) (težje kot je vozilo, hitrejši mora biti tok zraka) in obratno sorazmerna premeru vijaka (r) (večji kot je vijak, manjša bo potrebna hitrost toka zraka). Vendar pa je kompromis, ki bi zagotavljal udobno in za okolico nenevarno uporabo letečega avta skoraj nemogoč.

Izračun zgoraj kaže primer vozila s težo 1000 kp in štirimi vijaki s premerom 2m. Gre za kar veliko napravo, saj bi v tlorisu tak leteči avto meril najmanj 5 x 5 metrov, ob tem pa bi ob štirih potnikih in nekaj tovora, moral na oko tehtati prazen največ 500 kg z vso opremo, motorji in gorivom (baterijo pri električni izvedbi). Na koncu bi veselje še vedno kvaril curek zraka izpod vsakega od štirih vijakov, ki bi dosegal hitrost najmanj 118 km/h. Če upoštevamo, da vijaki ne bi mogli biti kaj prida oddaljeni od tal, dobimo neprijetno in neudobno zadevo, sploh za urbano uporabo in za sprehajalce in druga vozila v bližini, ki bi jih z veliko hitrostjo škropili delci, ki bi se znašli pod vijaki.

Leteči avto Joby Aviation
Joby Aviation v članku iz 2015 predstavlja “Joby’s wild 12-rotor convertible aircraft for long-range, high-speed, electric VTOL commuting”. Nič kaj majhna naprava za dva potnika in že na prvi pogled nerodna rešitev mestnega in obmestnega prometa.

Ko je govora o letečem avtu je videti, da ne glede na oblikovanje take naprave obstaja neprijetna osnovna nuja in sicer močan curek zraka ali vročih plinov, pospremljenih z močnim vrtinčenjem in hrupom v okolici vozila. Današnji inženirji rišejo naprave, ki bi se izognile neprijetnim tokovom zraka z večjim številom vijakov z manjšimi premeri, vendar jim pri tem nagajajo dimenzije takih letalnih naprav, ki z velikim razponom kril prav gotovo ne rešujejo vprašanja udobnega in učinkovitega mestnega zračnega prevoza.

Ideje in realizacija

Razmišljanja o potovanju po zraku so nas pripeljala do letalskega potniškega prometa v današnji obliki, čeprav so bile začetne ideje kako bo videti prevoz po zraku precej drugačne. Ena od idej, ki kljub razvoju ni dobila praktične izvedbe, je bila tudi ideja o letečem osebnem avtomobilu in se je pojavljala ob vsaki novi tehnološki pridobitvi od leta 1900 naprej. Danes je osebni letalski prevoz kljub visoki tehnologiji omejen na športno letalstvo, ki je še vedno zelo drag šport, ki si ga lahko privošči le manjše število zemljanov.

Letanje po zraku se res zdi privlačnejše kot potovanje po tleh, saj je na videz brez ovir. Vendar samo na videz, saj mora letenje kot tehnološka rešitev premagovati veliko več in veliko resnejših ovir kot potovanje po tleh. Kakršnokoli letenje vključuje naprave, ki so tehnološko bolj kompleksne, dražje, potrebujejo več energije, zahtevajo več veščine pri upravljanju in so poleg tega še bolj občutljive na vremenske razmere. Veliko težje jih je tudi vzdrževati.

Osnovni princip letalnih naprav je aerodinamika. Pri vsaki letalni napravi, ne glede na tehnične rešitve, igra ključno vlogo njeno razmerje z zrakom oziroma atmosfero. Ne glede ali gre za letalski vijak, krilo ali reaktivni motor, vedno je za njihovo delovanje potreben zrak. Bodisi kot dodatek gorivu, bodisi kot nujen medij skozi katerega se letalna naprava giblje. Letalne naprave potrebujejo za pogon več moči na kilogram teže kot transport po tleh. Poleg vzdrževanja hitrosti morajo zagotavljati tudi vzgon, torej silo, ki premaguje težo letalne naprave, da ta lahko ostane v zraku. Pri tem pomagajo krila ali rotorji, ki morajo pri tem “preseljevati” ogromno maso zraka navzdol in nazaj ter tako uporabiti tretji Newtonov zakon akcije in reakcije. Premikanje zraka z veliko hitrostjo pa ni ne enostavno ne poceni.

Letalski motorji morajo biti zato močnejši v primerjavi z avtomobilskimi in imajo zato večjo porabo. Po raziskavi eSvet porabi povprečen slovenski avto 7 l goriva na 100 kilometrov. Letalo za tri potnike in pilota (Cessna 172) pri potovalni hitrosti 210 km/h s štirivaljnim boks motorjem Lycoming IO-360 s 180 KM porabi okoli 30 do 35 litrov letalskega goriva z oznako 91/96 (načelno kar podobno gorivu super 95) na uro, kar pomeni okoli 16 l na 100 kilometrov. Po vseh danes znanih zakonitostih v svetu letalnih naprav je Cesna še vedno kralj osebne rabe letala. Zagotavlja najboljši kompromis med zmogljivostmi, ceno naprave, ceno potovanja in vzdrževanjem. Vendar za mestni in obmestni promet ni primerna. Še vedno potrebuje letališče, prostor za hrambo in strokovno vzdrževanje. Vse to veliko stane in malo ponuja. Ni v skladu z vizijo “se usedem, prižgem, skočim do naslednje točke in izstopim”, kar obljubljajo letalne naprave iz novega vala “letajmo namesto vozimo”.

Za letalno napravo kot je helikopter ali letalo je potrebno pridobiti dovoljenje oziroma se usposobiti, kar je nekoliko zahtevnejša in dražja naloga v primerjavi z avtomobilom. Čeprav tehnologija z umetno inteligenco napreduje tudi na področju poenostavljanja upravljanja s kompleksnejšimi vozili, je potrebno priznati, da je vse skupaj še krepko v povojih in so pričakovanja veliko večja od realizacij.

Ena od težav je tudi priročnost transporta. Z avtomobilom se lahko pripeljete neposredno do hišne številke, kar je za sedanje letalne naprave nemogoče. Te v kakršni koli obliki potrebujejo kar zajeten prostor za vzletanje in pristajanje in ni videti rešitve, ki bi to spremenila. Iz Novega mesta v Portorož leti omenjena Cessna od 35 do 40 minut. Z avtom je za isto relacijo od Novega mesta do Portoroža v idealnih pogojih potrebna 1 uro in 55 minut. Polet Cessne je dolg 126 kilometrov in pri tem porabi 20 litrov goriva, avtomobil pa po slovenskem povprečju za 187 kilometrov porabi 13 litrov. S tem, da se z avtomobilom pripeljete od točke A do točke B, v primeru letala pa vas čakata še prevoza iz kraja odhoda na letališče in z letališča do cilja. Dilema?

Leteči avto naj bi reševal težave z oddaljenostjo med začetno točko potovanja in vzletno točko ter točko pristanka in ciljno točko potovanja. To bi storil tako, da bi bil sposoben pristajati na strehah hiš ali na njihovih dvoriščih – zelo težko!

Aerodinamični zakoni so trda meja

Današnje smeri razvoja VTOL (vetikal take off and landing)

Leteti hitro, gospodarno, tiho, ekološko in na dolge razdalje je želja proizvajalcev letal in današnja letala v teh kategorijah dosegajo zavidljivo raven. Želje so še večje. Pristati in vzleteti s kar najmanjšo hitrostjo, kar bistveno povečuje varnost, leteti pa kar se da hitro, kar je tržna nujnost. Helikopterji delno zadovoljujejo te želje, saj lahko pristanejo in vzletijo s streh ali vrtov. Vendar imajo tako letala kot helikopterji svoje pomanjkljivosti znotraj svojih zmogljivosti.

Letala kljub vsemu potrebujejo pristajalno vzletne steze, tudi najmanjši posebneži potrebujejo vsaj večji travnik in zelo pazljiva ravnanja pri vzletanju in pristajanju. Helikopterji so priljubljeni po uporabnosti vendar energetsko potratni in počasni ter neprimerni za dolga potovanja in prevoze. Letalna naprava, ki bi vzletala in pristajala navpično, lebdela, letela zelo počasi kot helikopter in istočasno tudi hitro, gospodarno in na dolge razdalje kot letalo, so sanje današnjih graditeljev. V praksi je zelo malo realiziranih projektov v smeri takega kompromisa, pa še ti so v lasti ameriške vojske, kjer so določene stvari, kot je gospodarnost, nekoliko manj pomembne.

Vse to kaže na izjemno zahtevnost naloge. Potem je tu še dejstvo, da glavna posnemovalca ameriške vojaške pa tudi druge tehnologije Rusija in Kitajska, podobnih projektov ne omenjajta. Prav gotovo ne zato, ker ne bi prišli prav. Po letu 1950 so v Sovjetski Zvezi pričeli s projektom VTOL transportnega letala, ki je imelo poleg helikopterskih rotorjev na koncih kril še vlečna vijaka. Leta 1972 je naprava začela nastajati kot tilt rotor naprava z oznako Mi-30. Bil je podoben ameriškemu projektu V-22, doživel sicer nekaj razvoja na risalnih mizah in bi v oborožitev prišel leta 1995, vendar je projekt popolnoma zamrl.

Poleg tehničnih skrivnosti, ki jih je bilo potrebno rešiti, so bili ovira gotovo tudi stroški. Za ameriški projekt V-22 je bilo od leta 1981, ko je ameriško obrambno ministrstvo dalo zeleno luč, za razvoj transportnega VTOL letala, namenjeno že več kot 20 milijard dolarjev, za ceno proizvodnje 120 milijonov na kos. Če prištejemo še stroške vzporednih raziskav in razvoja vadbene tehnologije, posebnih materialov in podobnega, je vsota vrtoglava.

Na Kitajskem, kjer bi denar morda država v interesu primerjanja vojaške moči z ZDA še našla, pa so očitno ovire drugje, verjetno v tehničnem znanju in izkušnjah. Kljub toku denarja usmerjenega v ameriški projekt, razvoj namreč nikakor ni bil enostaven. Prototipi so res letali že konec osemdesetih, vendar je testno letalo poletelo šele leta 1997 in skromna serija poskusnih letal je bila nato izročena mornariškemu testnemu centru Naval Air Station Patuxent River v Marylandu. Ko se je leta 2000 zvrstilo nekaj nesreč s smrtnimi žrtvami, so se končna testiranja in ocena o primernosti letala pomaknila na leto 2005. Septembra istega leta je Pentagon le odobril serijsko proizvodnjo. Od naročila do realizacije je bilo potrebnih 24 let raziskav, poizkusov, tehničnih novosti in testiranj.

Kompromis

Kompromis med helikopterjem in letalom seveda pomeni, da se je potrebno odreči nečesa pri helikopterju in nečesa pri letalu in združiti nekaj od obeh. Najuspešnejši projekti v tej smeri kompromisa se niso izognili grenkemu spoznanju, da taka naprava sicer oponaša tako helikopter kot letalo, vendar v primerjavi z povprečnimi plovili iz vsake kategorije ni prav dober helikopter in ne prav dobro letalo. Najboljši kompromis vpeljan v uporabo do sedaj, je skupni projekt ameriških družb Bell in Boeing, V-22 Osprey Ameriških Zračnih Sil. V civilne namene ga poskuša prekopirati italijansko-ameriška skupina Agusta Westland kot AW 609. Obe zračni plovili nikakor nista zgubi ali zavožena projekta, čeprav ju kritiki zaradi počasnega in dragega razvoja ter začetnih težav pri testiranjih včasih radi tako ocenjujejo.

Osprey si je našel nepogrešljivo vlogo transportnega letala ameriške vojske na terenu bojišč, kjer ni letališč. Ima dvakrat višjo hitrost ter nekajkrat večji domet kot najboljši transportni helikopterji podobne nosilnosti, kot je na primer Boeingov CH-47 Chinook. Odpravili so tudi začetne nevšečnosti, ki so povzročile nekaj nesreč in plovilo po statistiki vojske ZDA postaja varnejše od helikopterjev. Vsekakor gre za koristen vojaški stroj in vrhunski tehnološki dosežek, kar dokazuje tudi novo letalo ameriške vojske Bell V-280 Valor. Za civilno uporabo ameriško-italijanskega projekta Agusta Westland pa bodo morali bolj kot tehnične ovire, rešiti vprašanje gospodarnosti, tako v zvezi z razvojem in proizvodnjo kot uporabo.

V vlogi helikopterja je taka VTOL naprava kot je V-22 za spoznanje manj nosilna od helikopterja z enako močjo motorjev, prav tako je nekoliko manj okretna pri določenih manevrih. Povrh je tudi manj varna, saj je oropana glavne zadnje možnosti, ki jo ima helikopter pri odpovedi motorja – možnost avtorotacije. Iz primerjave med V-22 in helikopterjem Sikorsky CH-53E Super Stallion, je videti, da je pri podobni skupni moči motorjev – dveh motorjev pri V-22, ki dajeta 12 300 KM in treh pri CH 53, ki dajo 13 140 KM – helikopter z nosilnostjo 13600 kg v prednosti pred nosilnostjo 9850 kg, ki jo zmore Osprey.

Glavna prednost helikopterja izhaja iz rotorja. Super Stalllion z največjo vzletno težo 33,3 t v zraku drži sedem kraki rotor premera 24 m s površino diska 425 m2, kar pomeni, da je razmerje med težo in površino 78kg/m2. Na drugi strani ima Osprey dva rotorja s premerom 11,6 m in skupno površino 210 m2, ki nosita največjo vzletno težo 27,4 t, kar pomeni 130kg/m2. Manjša obremenitev po površini diska rotorja daje boljše letalne lastnosti, večjo ekonomičnost in manjšo porabo moči za enak tovor. Zato V-22 v načinu helikopterskega poleta ne more konkurirati sodobnim helikopterjem po nosilnosti.

V primerjavi z enako nosilnim letalom V-22 prav tako potrebuje več moči in s tem goriva in ne more dosegati tako visoke optimalne hitrosti poleta. Oropan je tudi varnosti, saj ne premore glavne zadnje možnosti, ki jo ima letalo pri odpovedi motorjev – jadranja.

Helikopterji imajo bolj učinkovite rotorje in letala bolj učinkovita krila od V-22, vendar pa sklenjeni kompromis skozi konstrukcijo V-22, le temu daje prednost pred helikopterjem in pred letalom s pridobitvijo letalnih lastnosti, ki jih helikopterji in letala posamično nimajo.

Razpredelnica spodaj prikazuje razmerja osnovnih podatkov med V-22 in po nosilnosti primerljivima letalom Casa C 295 in helikopterjem CH-47 Chinook.
Razpredelnica spodaj prikazuje razmerja osnovnih podatkov med V-22 in po nosilnosti primerljivima letalom Casa C 295 in helikopterjem CH-47 Chinook.

Videti je, da letalo Casa enak tovor kot Osprey prenese veliko dlje in z bistveno manj močnimi motorji, kar pomeni predvsem gospodarneje. Na drugi strani tudi helikopter Chinook z veliko manj moči v motorjih, naloži več koristnega tovora. V obeh primerih k prednosti pred V-22 prispevata vijaka, ki sta prilagojena prvi letalu in drugi helikopterju. V-22 je zaradi kompromisa vijaka v obeh primerih na slabšem, vendar na račun svoje posebnosti, da je lahko oboje in letalo in helikopter. V primerjavi z letalom V-22 izgubi še nekaj letalnih lastnosti zaradi manjšega, debelejšega kratkega krila, ki mora biti obenem še nosilec motorjev. Iz tabele je vidna razlika v površinah kril, zato je Casa v prednosti predvsem po višji potovalni hitrosti, večjem doletu in gospodarnejšimi motorji.

Sprejeti kompromisi pri V-22, ki napravi omogočajo biti in helikopter, ki ne potrebuje dolgih stez za vzletanje in pristajanje in letalo, ki prevaža tovor veliko hitreje in varčnejše od helikopterja, so za sedaj tehnično in finančno velik zalogaj. Čeprav zelo koristen delovni konj za ameriško armado, pa je videti, da v civilni uporabi dela še ne bo našel kmalu. Vojska pač manj sprašuje za stroške. Povrhu je gotovo tudi pri tehničnih rešitvah veliko ovir, saj je kompletno rešitev za enkrat ponudila le ameriška vojska.
Projekti VTOL letalnih naprav so v zagati predvsem zaradi kompromisov, za katere je videti, da jih je sedanja tehnologija le delno uspešno rešila. Gre za tri sklope: vijak, krilo in zagotavljanje stabilnosti.

V nadaljevanju:
Leteči avto je nesmisel II: Glavni kompromisi VTOL letalnih naprav


Viri