Маск обещал что-то подобное уже много лет. И хотя к его обещаниям стоит относиться осторожно, увидеть всё это не на рендерах и не в очередной презентации PowerPoint оказалось неожиданно впечатляюще.
Но как эта штука вообще работает?
Как автомобиль ездит вверх колёсами
Для начала разберёмся с тем, как двухтонная машина может удерживаться на дороге, даже когда дорога находится над ней.
Здесь используется принцип, знакомый по гоночным автомобилям с активной аэродинамикой: вентиляторы создают разрежение под днищем, а перепад давлений прижимает машину к поверхности.
где Δp - перепад давлений, а S - эффективная площадь, на которую он действует.
Если масса автомобиля составляет 2000 кг, а эффективная площадь днища равна 5 м², то для удержания машины вверх колёсами нужен перепад давлений всего около 4 кПа, то есть около 4% атмосферного давления.
Это, конечно, идеализированная оценка: в действительности воздух просачивается через зазоры, а сила прижатия зависит от устройства днища и работы вентиляторов. Но сама идея не содержит никакой фантастической физики.
Tesla заявляет, что система способна создавать прижимную силу вплоть до удвоенного веса автомобиля.
Иными словами, в определённых условиях машину можно буквально присосать к дороге.
Правда, здесь есть тонкость. Эта система позволяет ездить вверх колёсами, но не позволяет летать. Вентиляторам нужна поверхность, к которой можно прижаться. Если под автомобилем вместо дороги окажется пустота, фокус закончится.
И вот здесь нам потребуется кое-что посерьёзнее.
А теперь заставим двухтонную машину летать
Для полёта Roadster использует газовые реактивные двигатели. Вместо сжигания топлива они выбрасывают газ, запасённый под высоким давлением.
Согласно третьему закону Ньютона, газ улетает в одну сторону, а автомобиль получает импульс в противоположную.
В простейшем приближении реактивная тяга равна
где ṁ - массовый расход газа, а vₑ - скорость его истечения.
Чтобы двухтонная машина могла зависнуть в воздухе, ей потребуется тяга примерно
Если принять скорость истечения газа равной 500 м/с, получим
ṁ ≈ 20 000 / 500 ≈ 40 кг/с.
Сорок килограммов газа в секунду.
И это только чтобы висеть на месте, а не разгоняться вверх, делать сальто или эффектно перепрыгивать через другие автомобили.
Разумеется, настоящий расход зависит от давления в резервуарах и характеристик сопел, а наша оценка довольно грубая. Но масштаб проблемы она показывает прекрасно.
Получается, что Roadster вполне может совершать впечатляющие прыжки и воздушные манёвры, однако это совсем не то же самое, что летать на работу над пробками. Для продолжительного полёта понадобились бы либо огромные запасы рабочего тела, либо совершенно другая двигательная установка.
Тем не менее впечатляет уже сама возможность управлять движением двухтонного автомобиля в воздухе.
И это не говоря о продемонстрированном Tesla разгоне до 60 миль в час за 0,81 секунды. Если принять этот результат, среднее ускорение составляет около 3,4g.
Серийное производство нового Roadster компания обещает начать в 2028 году, хотя стоит вспомнить, что эту машину впервые представили ещё в 2017-м, а первоначальные сроки выпуска давно остались в прошлом. К тому же самые экстремальные возможности относятся к специальной версии, а не обязательно ко всем Roadster, которые когда-нибудь выйдут на дороги.
Но я не могу не восхищаться людьми, которые пытаются превратить научную фантастику в инженерную реальность.
В конце концов, разве не ради такого будущего мы когда-то полюбили науку и технологии?
Будущее наступило, старик.
А теперь снимем розовые очки
Ну вот, летающую Tesla обсудили, Илона нашего Масковича похвалили. Теперь можно снять розовые очки восьмиклассницы, которая впервые увидела Falcon Heavy, и посмотреть на новую игрушку Маска прямо в упор.
И сама по себе транспортную революцию, скорее всего, тоже не устроит.
Потому что прыгнуть через несколько автомобилей - это одно, а создать новый вид транспорта - совсем другое.
Нужно поднять несколько человек, пролететь хотя бы сотни километров, не сожрать батарею размером с квартиру, пережить ветер, дождь и отказ двигателя, а в идеале ещё и не требовать от пассажира лицензии пилота.
Вот здесь начинается настоящая инженерия.
Почему летающая машина хочет стать самолётом
Главная проблема вертикального взлёта довольно проста: чтобы висеть, аппарат должен непрерывно толкать воздух вниз.
Конечно, можно просто выбрасывать с огромной скоростью запасённый газ, как Roadster. Но мы уже выяснили, что расход рабочего тела будет весьма неприятным.
Куда практичнее использовать окружающий воздух. Именно так работают вертолёты и большинство современных проектов электрических летательных аппаратов вертикального взлёта.
И формулу мощности висения на самом деле можно получить буквально в три прихлопа.
Пусть через суммарную площадь винтов A проходит воздух со скоростью v. Тогда за секунду мы прокачиваем массу воздуха примерно
где ρ - плотность воздуха, а v - скорость воздуха непосредственно в плоскости винтов.
В идеальной теории ротора воздух далеко за винтом оказывается разогнан примерно до 2v, поэтому из изменения импульса получаем тягу
А мощность, которую винт отдаёт воздуху,
Выражаем v из предыдущей формулы:
Это идеальный нижний предел - настоящему винту потребуется больше. Но даже он сообщает нам всё неприятное сразу: чем тяжелее аппарат, тем мощность растёт быстрее его веса, а чем больше суммарная площадь винтов, тем висеть выгоднее. Именно поэтому у вертолёта огромный ротор, а не восемь пропеллеров размером с кулер.
А огромный ротор довольно плохо сочетается с задачей припарковаться вечером у Пятёрочки.
Поэтому вертикальный взлёт прекрасен там, где нам действительно нужна возможность взлететь с маленькой площадки. Но чем дальше хочется лететь, тем сильнее аппарат начинает мечтать о крыльях.
У самолёта в горизонтальном полёте подъёмная сила примерно компенсирует вес:
Введём аэродинамическое качество K = L/D, где D - сила сопротивления воздуха. Например, при K = 15 для поддержания горизонтального полёта достаточно тяги примерно в 15 раз меньше веса самолёта.
Тогда мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха:
где V - скорость горизонтального полёта.
И вот здесь хорошее крыло начинает буквально печатать нам дальность: вместо того чтобы непрерывно поддерживать вес тягой винтов, мы тратим энергию главным образом на преодоление сопротивления воздуха.
Поэтому летающая машина для дальних перелётов начинает подозрительно напоминать самолёт.
Батарея, которая требует ещё одну батарею
На земле электромобиль чувствует себя значительно уютнее.
Электромотор эффективен, а при торможении часть кинетической энергии вообще можно вернуть обратно в аккумулятор. Это называется рекуперативным торможением.
Когда машина разгоняется, батарея гонит ток через электромотор, а тот крутит колёса. Когда машина тормозит, происходит обратное: уже колёса раскручивают электромотор, он работает как генератор, в его обмотках возникает ток, и часть энергии возвращается в батарею вместо того, чтобы целиком уйти в нагрев тормозных колодок.
Но у самолёта появляется старая добрая проблема авиации: всё надо тащить с собой.
Нам не хватает дальности? Добавим батарею.
Батарея увеличила массу. Теперь нужна дополнительная энергия, чтобы возить батарею, которую мы добавили ради дополнительной энергии.
Именно поэтому электрический вертикальный взлёт на короткое расстояние выглядит гораздо веселее, чем электрический вертикальный взлёт с последующим полётом на 500 километров.
Значит, после взлёта расправляем крылья
Самая очевидная схема - использовать вертикальные винты только там, где они действительно нужны.
Взлетели. Разогнались. Крыло начало нести аппарат. Винты повернулись вперёд и стали работать уже как самолётные пропеллеры.
Так, например, устроен Joby: шесть электрических поворотных винтов поднимают аппарат вертикально, а в крейсерском режиме разворачиваются вперёд, и аппарат летит на крыле. Версия рассчитана на пилота и четырёх пассажиров; компания заявляет дальность порядка 160 км и скорость до 320 км/ч.
С точки зрения физики - красота.
С точки зрения инженера - мы только что построили аппарат, которому нужны винты и моторы для вертикального режима, крылья для горизонтального, механизм перехода между ними, батарея, способная выдавать огромную мощность на взлёте, и резервирование на случай, если какая-нибудь из этих чудесных штук решит перестать работать.
Часть оборудования используется только на определённых этапах полёта. Но таскать его приходится весь полёт.
А можно вообще без вертикального взлёта?
Берём машину, приделываем ей нормальные крылья и соглашаемся, что взлетать она будет с полосы.
Получаем автомобиль-самолёт.
Например, AirCar компании Klein Vision расправляет крылья и превращается из дорожной машины в самолёт. Прототип совершал междугородние полёты, а разработчики заявляли для него дальность до 1000 км. Но для взлёта ему всё равно нужна полоса - в ранних испытаниях порядка 300 метров.
По физике это значительно приятнее.
Но появляется довольно очевидный вопрос: если мне всё равно надо ехать на аэродром, почему я просто не приехал туда на машине и не сел в самолёт?
У автомобиля-самолёта есть нормальные ниши - прилетел в другой город и сразу продолжил ехать своим ходом.
вышел из подъезда → взлетел → перелетел пробку
Кстати, идея поворотных винтов появилась задолго до Joby. Самый известный пример - американский военный конвертоплан V-22 Osprey. Он тоже взлетает как вертолёт, а летит как самолёт, только вместо шести небольших электрических винтов у него два огромных ротора с газотурбинными двигателями.
Как видите, инженеры уже давно пытаются скрестить самолёт с вертолётом. И получается у них весьма дорогое и сложное удовольствие.
Почему нельзя и рыбку съесть, и на хуй сесть?
Потому что автомобиль и самолёт хотят от конструкции практически противоположного.
Автомобиль должен быть дешёвым, переживать ямы, бордюры и столкновения, иметь двери, салон, шумоизоляцию, багажник и желательно чиниться у человека по имени Серёга.
Самолёт хочет быть максимально лёгким, аэродинамичным и не таскать ни одного лишнего килограмма.
Поэтому попытка сделать прекрасный автомобиль-самолёт обычно заканчивается компромиссом:
Поэтому, возможно, победят не летающие машины, а летающие такси
И здесь идея становится гораздо разумнее.
Зачем вообще заставлять воздушный аппарат быть автомобилем?
Пусть он будет только самолётом вертикального взлёта.
Пассажир доезжает до небольшой площадки, садится в eVTOL, аппарат поднимается вертикально, переходит на крыло и летит дальше.
Ему больше не нужно возить автомобильную трансмиссию, проходить обычный автомобильный краш-тест или парковаться между двумя Солярисами у Пятёрочки.
И вот такая штука уже действительно может оказаться новым видом транспорта.
Не потому, что автомобиль научился летать, а потому, что малой авиации больше не обязательно нужна большая взлётная полоса, а пассажиру - собственная лицензия пилота.
Joby сейчас прямо строит бизнес именно вокруг такой модели воздушного такси.
И штурвал вам, скорее всего, не дадут
Тут есть ещё одна проблема, про которую очень легко забыть, пока рисуешь красивые рендеры.
Автомобиль довольно многое прощает.
В авиации у нас есть ветер, турбулентность, обледенение, грозы, ограничения видимости, запас энергии и другие летательные аппараты вокруг.
Поэтому если летающие такси действительно станут массовыми, гораздо логичнее сделать управление максимально автоматическим.
Ты выбираешь место назначения. Компьютер смотрит погоду, маршрут и остаток батареи.
Возможно, один из важнейших элементов массовой летающей машины - это не возможность человеку ею управлять.
А возможность не дать ему это сделать.
Joby, кстати, уже отдельно разрабатывает автономные системы и в 2026 году проводил автономные демонстрационные полёты. Правда, пока на переоборудованном обычном самолёте, а не на пассажирском eVTOL.
Так когда я смогу улететь из пробки?
Если мы хотим одновременно:
обычный автомобиль;
вертикальный взлёт от подъезда;
500 километров дальности;
маленькую батарею;
тишину;
дешевизну;
всепогодность;
и чтобы эта штука ещё помещалась на парковочное место,
то физика отвечает примерно так:
Много хочешь. Жопа не треснет?
Убери одно-два требования - и внезапно оказывается, что многие необходимые технологии уже существуют.
Можно построить автомобиль-самолёт. Можно построить конвертоплан. Можно построить электрическое воздушное такси. Можно вертикально взлетать, а потом переходить на крыло.
Проблема не в том, что человечество не умеет делать летающие машины.
Проблема в том, что идеальная летающая машина должна одновременно быть хорошим автомобилем, хорошим самолётом и хорошим вертолётом.
А инженерия очень не любит, когда её просят выбрать вариант:
Так что новая игрушка Маска - это действительно очень крутая демонстрация. Может быть, даже начало чего-то интересного.
Но настоящая транспортная революция, скорее всего, будет выглядеть гораздо скучнее: какая-нибудь автоматическая капсула с крыльями заберёт тебя с небольшого терминала, пролетит пару сотен километров и даже не позволит потрогать управление.
В начале статьи я написал, что будущее наступило.
Гоев опять нагрели на шекели.
Остальные мои тексты и мемы про физику, науку и прочее лежат здесь: https://t.me/notes_of_phys
