Вероятное будущее гражданской авиации к 2050 году

В подавляющем большинстве случаев в отпуск и по делам мы летаем на самолетах, и зачастую стоимость билетов составляет существенную долю бюджета поездки. Но прогресс в авиации не стоит на месте, и с развитием техники мы сможем летать дальше за сравнимую цену, или летать дешевле. Какой же видится гражданская пассажирская авиация будущего?

К 2050 году ожидается семикратное увеличение воздушного трафика и четырехкратное увеличение загрязнения окружающей среды выбросами газа. Чтобы этого избежать, должны произойти фундаментальные изменения в авиации. Но насколько «фундаментальны» должны быть эти изменения и какое это окажет воздействие на воздушный транспорт, которым мы пользуемся?

Пожалуй, одной из главных перемен должен стать переход к «зелёной» авиации — полная электрификация пассажирских самолётов. Никаких выбросов углекислого газа и оксидов азота, питание от батарей. Главный технологический барьер, который нужно преодолеть — это плотность энергии, определяющая генерируемую батареей определенного веса.

CEO Tesla Элон Маск как-то сказал, что когда батареи будут способны производить 400 Ватт/кг в час с соотношением элемента питания к общей массе 0,7-0,8, трансконтинентальная электрическая авиация станет вполне реальной.

Учитывая, что в 1994 мощность литий-ионных аккумуляторов достигала 113 Вт*ч/кг, в 2004 — 202 Вт*ч/кг, а сейчас приблизительно 300 Вт/кг, можно уже говорить о том, что в ближайшие 10 лет будет достигнута мощность в 400 Вт/кг.

Также важный аспект — экспоненциальное падение стоимости солнечных панелей, которые уже стали самым дешевым источником энергии в большинстве американских штатов. Ожидаемое семидесятипроцентное уменьшение стоимости литий-ионных батарей и стремительный взлет наблюдаемый в ценах керосиновых двигателей означает большой и растущий разрыв в стоимости источников энергии для авиации, который отлично послужит электрификации. Как часто бывает, причины, замедляющие переход на электричество не в технологиях, а в политической и экономической инерции за сохранение статус-кво.

Учитывая среднюю продолжительность службы пассажирских и грузовых самолётов на уровне 21 и 33 лет соответственно, даже если завтра весь авиапарк станет электрическим, отказ от ископаемых углеводородов займёт 20-30 лет.

В то же время, использование биотоплива обещает снижение выброса углекислоты в диапазоне 36-85%. Это сильно зависит от типа почвы, на котором будет произрастать конкретное растение. Хотя гибридная биотопливно-керосиновая смесь была сертифицирована для использования в авиации ещё в 2009 году, индустрия не торопится внедрять новинку. Есть определённые технические препятствия и трудности на пути к увеличению производства биотоплива до промышленных масштабов. Но главный фактор — цена, она сравнится с традиционным керосином лишь черезнесколько десятилетий.

Адаптирование любой авиационной технологии — исследования, прототипы, тестирование, интеграция — обычно занимает около 10 лет. Так что если учесть, что переход на новое топливо произойдёт в середине столетия, то сегодня уже имеет смысл сосредоточиться на иных инновациях: иных аэродинамических профилях и схемах, материалах и т.д.

В то время как калькулятор ENIAC оснащен восемнадцатью тысячами электронных ламп и весит 30 тонн, компьютеры будущего смогут работать всего на тысяче электронных ламп и, возможно, будут весить полторы тонны. — Popular Mechanics, 1949

Мы живем в мире экспоненциальных изменений в технологиях. Если считать по вычислительной мощности, то сейчас компьютерные технологии за каждый час продвигаются дальше, чем за последние 90 лет. Учитывая это, мы можем прогнозировать, что эквивалент сегодняшнего компьютера за 1000$ к 2023 году будет мощнее, чем потенциальная производительность мозга человека, а к 2045 году превысит производительность мозга всех людей вместе взятых. Конечно, на самом деле такой рост маловероятен, но несомненно, что он будет очень значителен.

Миниатюризация цифровой электроники в последние полвека следовала аналогичному экспоненциальному тренду, из-за уменьшения размеров транзисторов с1000 нанометров в 1970 до 23 нанометров сегодня. А если вспомнить про многообещающие графеновые транзисторы, то размер может упасть примерно до 7 нанометров к 2025. Для сравнения, размер клетки крови человека 6200 — 8200 нанометров.

Сочетание увеличения мощности и уменьшения размеров, вкупе с прогрессом в области 3D-печати, в какой-то момент в следующем десятилетии может позволить создавать встроенные компьютеры достаточной мощности для контроля авиации в реальном времени.

Используя вдохновленные биологией «нейронные системы» с рецепторами, определяющими температуру воздуха, силу ветра, положение самолета в пространстве и т.д., можно значительно повысить энергоэффективность авиации.

Когда будет создана электрическая авиация, следующим шагом станет интеграция карданной двигательной системы, которая радикально улучшит маневренность. Таким образом отпадет необходимость в элеваторах, рулях направления и хвостовых стабилизаторах, без которых не обходится почти ни один самолет в мире.

Крылья, которые мы уже создаем, близки к совершенству с точки зрения аэродинамической эффективности, но все еще не могут сравниться с крыльями птиц. Наше представление о принципиальной конструкции самолета осталось на уровне начала 20 века, но технологии уже существенно продвинулись вперед. Нам больше не нужно конструировать крылья как жесткие структуры с дискретным управлением, мы можем обратиться к природе за вдохновением. Как сказал Ричард Фейнман: 

Я думаю, что воображение природы гораздо лучше человеческого, она никогда не дает нам расслабиться.

Индустрия, естественно, не бездействует Вот некоторые из их проектов, правильнее даже сказать, — концепты, — пассажирских самолетов будущего:

E-Thrust. EADS 

Boeing & NASA 

Airbus 2050

Электрическая авиация. NASA 

Prandtl Plane air freighter. Университет Пизы