Небо теперь не только для Boeing, Airbus и Embraer

Облачные решения 3DEXPERIENCE от Dassault Systèmes предоставляют стартапам те же инструменты, что и крупным авиационным компаниям.

Спонсором материала является Dassault Systèmes.

В сфере коммерческой авиации до сих пор доминировали несколько крупных авиационных компаний: американский Boeing, европейский Airbus, бразильский Embraer. Но это вполне может измениться. Несколько небольших, но масштабно мыслящих компаний, в большинстве своем являющихся стартапами, перестала устраивать действительность с ее перегруженными дорогами и решениями из прошлого века, игнорирующими проблемы сегодняшнего дня.

Эти небольшие компании, вооруженные программным обеспечением и вычислительными мощностями последнего поколения, удивительно маневренны, полны инновационных идей и не обременены традициями и правилами. Все вместе они создают для нас картину, которая расширяет возможности самолетов и авиаперевозок за пределы привычного. Для них в небе нет границ.

В чем суть проблемы?

За сто лет существования коммерческой авиации (в 2016 году компания Boeing отметила свой столетний юбилей) мы привыкли к большим самолетам, которые переносят нас через страны, континенты и океаны, и за одну поездку мы преодолеваем расстояния в тысячи миль в течение одного дня, иногда прихватывая и следующий (ох уж эти ужасные красные глаза!). В течение более коротких полетов на сотни миль мы даже не успеваем открыть ноутбук или что-нибудь выпить, но дорога в аэропорт и из него может занять столько же времени, сколько и сам полет, если не больше.

Это раздражает нетерпеливых молодых предпринимателей, часами стоящих в пробках и опаздывающих на выступления инвесторов. И тогда у них загорается лампочка: «Я могу это исправить».

Для аэропортов требуются большие территории, и они должны строиться далеко за пределами городов. Это становится кошмаром с точки зрения логистики, потому что тысячам деловых людей каждый день приходится добираться из аэропортов в деловые центры городов. Из-за разрастания мегаполисов дороги между этими двумя пунктами становятся длинными и перегруженными. Аэропорт Франкфурт-Хан (HHN) находится более чем в ста километрах от Франкфурта. Аэропорт Шарль-де-Голль (CDG) находится в 22 милях от Парижа. Международный аэропорт Нарита (NRT) находится в 60 км от Токио. В скандинавских странах аэропорты находятся особенно далеко от городов. Аэропорт Торп (TRF) находится в 68 милях от Осло, аэропорты Скавста (NYO) и Вестерос (VST) находятся более чем в 60 милях от Стокгольма. Даже поездки на более короткие расстояния — от JFK до Манхэттена, около 20 миль, и от Хитроу (LHR) до центра Лондона, 16 миль — могут занять намного больше часа.

Дороги между аэропортами и бизнес-центрами забиты разными наземными транспортными средствами: такси, лимузинами, автобусами и автомобилями от сервисов совместного использования, подобных Uber и Lyft. Здесь открываются возможности не только для крупных авиационных компаний, но и для сервисов совместного использования транспортных средств, а также для небольших компаний и стартапов. В их воображении возникает воздушный конвейер, состоящий из парка самолетов, небольших (не больше шести пассажиров), чистых (выбросы углерода и оксидов азота исключены или сокращены) и относительно тихих (большинство конструкций авиатакси работают на электричестве). Им видятся дороги, свободные от заторов, и сэкономленное время. Например, два с половиной часа пути из Торпа в центр Осло займут менее получаса на воздушном такси. Одно только это добавляет два часа в ваш график, чтобы вы могли продуктивно поработать или хотя бы немного поспать после трансатлантического покраснения глаз.

И Boeing, и Airbus обратили внимание на интерес к авиатакси и небольшим самолетам. Не желая отставать, они начали действовать. В 2017 году компания Boeing приобрела компанию Aurora Flight Services, лидера в области технологий автономных летательных аппаратов, за некоторую неразглашенную сумму. К тому времени Aurora уже построила и эксплуатировала более 30 беспилотных летательных аппаратов и выиграла контракт с ВВС США на сумму 89 миллионов долларов. В 2019 году в Boeing осуществили первый полет автономного пассажирского летательного аппарата (passenger air vehicle, PAV) — аэротакси, разработанного компанией Aurora, с дальностью полета 50 миль.

Испытания прототипа пассажирского летательного аппарата от компании Aurora проводятся с 2019 года

Компания Airbus создала научно-исследовательский центр A3 (A-cubed) в Кремниевой долине (Саннивейл, Калифорния) для изучения «грядущей эры авиации». Команда из 100 человек спроектировала и построила прототип электрического беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки под названием Vahana (что означает «транспортное средство» на санскрите). Самолет совершил более 130 испытательных полетов, последний из которых состоялся в ноябре 2019 года, после чего компания Airbus переключилась на другой аппарат — CityAirbus, созданный ее вертолетным подразделением и впервые взлетевший в январе 2020 года.

Аэротакси Vahana от Airbus (изображение предоставлено Airbus)

Производство воздушных такси имеет смысл возглавить производителям вертолетов. Вертолеты отлично справляются с вертикальными взлетом и посадкой, необходимыми в городской среде. Производителям самолетов с неподвижным крылом сложно адаптировать свою конструкцию к вертикальному движению. Однако Bell (ранее Bell Helicopters) может делать и то и другое.

Воздушные суда Bell как ведущего производителя вертолетов широко используются для перевозки руководителей между небоскребами и аэропортами. Bell сделала значительные инвестиции в будущее, разрабатывая электродвигатели, аккумуляторы и автономное управление для электрических аппаратов вертикального взлета и посадки. Чтобы показать серьезность своих устремлений, компания даже убрала слово «вертолет» из своего названия и своей эмблемой сделала стрекозу, которая может летать, зависать и стремительно перемещаться в любом направлении как никто другой.

Чарльз Марш, главный дизайнер Bell, подтверждает цель расширения рынка авиаперелетов на короткие расстояния и желание сделать в авиации то же, что Uber сделал с наземным транспортом. Конечно, это может повлиять на бизнес его компании по продаже обычных вертолетов в качестве воздушного такси, но он надеется, что намного больше пассажиров воспользуются менее дорогой альтернативой, работающей на электричестве. Он рассказал о своем друге, который отказался везти свою семью на вертолете из Нью-Джерси в их загородный дом в Хэмптоне за 400 долларов. На презентации во время форума 3DEXPERIENCE Марш сказал, что они смогут сделать это дешевле: «Мы хотим сделать небо таким же доступным, как тротуар».

Bell опирается на цифровой поток как единый источник достоверной информации, используя пакет программного обеспечения Dassault Systèmes, от проектирования до производства, обслуживания и сопровождения

Программное обеспечение Dassault Systèmes, используемое в Bell при разработке продуктов (изображение принадлежит YouTube)

В концепции воздушного такси Bell Nexus используется конструкция с поворотным ротором, как у их же аппарата V-22, и гибридная силовая установка для дальности полета до 150 миль

В конструкции новых аппаратов Bell используются технологии и опыт, наработанные при проектировании, производстве и полетах V-22 Osprey (использующихся Корпусом морской пехоты США). Nexus, представленный на выставке Consumer Electronics Show в 2019 году, оснащен гибридной силовой установкой и может перевозить четырех пассажиров со скоростью до 150 миль в час.

Четырехместный прототип CityAirbus компании Airbus Helicopters совершил первый рейс в мае 2019 года

Стартапы, запускайте свои двигатели

Там, где не летают большие птицы, больше простора для маленьких птиц. В целом молодые руководители с большей вероятностью будут рассматривать проблемы как позитивную возможность для бизнеса или даже как необходимость для привлечения инвестиций. Если очередной самолет еще больше или быстрее предыдущего — это постепенное улучшение статус-кво, но парк летающих автомобилей — это радикальное изменение. Для них Uber — это уже устаревший ответ, требующий обновления — решения следующего поколения. По их мнению, Uber смог решить одну проблему (нехватку автомобилей / водителей для найма) и породил другую (слишком много машин / водителей на дороге).

Посягание на существующее положение вещей заставит традиционно мыслящих инженеров задуматься. Они знают, что авиаперевозки — это сложная задача. Но для каждой задачи, которую они ставят перед собой, у стартапов есть свое решение. Коммерческие самолеты огромны и сложны — но стартап даже и не думает об их создании. Мы будем делать маленькие самолеты, говорят стартапы. Реактивные двигатели и вертолеты слишком шумны, и городские власти их не любят. Будем использовать электродвигатели. Где найти тысячу инженеров или аэродинамические трубы? Нам нужно всего несколько хороших инженеров, и кому сегодня нужна аэродинамическая труба? Её функцию должно выполнять программное приложение.

Действительно, многое из того, что раньше тестировалось на прототипах, теперь можно симулировать. Многое изменилось с тех пор, как 100 лет назад Boeing начал производить самолеты, и даже с момента основания Airbus. Вычислительная гидродинамика и мультифизика могут моделировать и предсказывать большую часть того, как самолет будет вести себя в полете, могут анализировать потоки над внешними поверхностями, через кабину и даже через двигатели, уменьшая потребность в аэродинамических трубах и физических испытаниях.

Dassault Systèmes предлагает целевое решение

Dassault Systèmes, являясь создателем CATIA, Abaqus, ENOVIA и других решений, критически важных для большой авиации, оценивает размер нового рынка воздушной мобильности почти в 8 миллиардов долларов, и они хотят сделать так, чтобы на этот рынок могли выйти не только крупные авиационные компании. Они делают это с помощью платформы 3DEXPERIENCE, которая объединяет эти ведущие в отрасли решения в единую интегрированную среду для совместной работы. Хотя проектирование, симуляция, производство и PLM часто рассматриваются как отдельные дисциплины, 3DEXPERIENCE объединяет их в облачную платформу, которую можно быстро развернуть и масштабировать для бизнеса или команды любого размера. Объединение всего в единую безопасную экосистему упрощает выполнение таких задач, как совместная работа в различных инженерных дисциплинах, выполнение мультифизических и многомасштабных симуляций для новых самолетов или работа с клиентами и производителями оригинального оборудования.

Особенно актуальными для воздушной мобильности являются приложения для синтеза концепций, разработки композитов для корпуса планера, специализированное моделирование потоков для винтокрылых летательных аппаратов и самолетов вертикального взлета, акустическое моделирование, системная инженерия на основе моделей, разработка кабельных жгутов, междисциплинарный анализ компромиссов, сертификационная инженерия и даже способ общения и интерактивной презентации в реальном времени, известный как «основания доверять» («reasons to believe»).

Кроме того, структурное моделирование (необходимое для создания самого легкого и безопасного самолета) стало гораздо более доступным для аэрокосмического инженера. Когда-то хранимое под замком высокообразованными и обученными специалистами программное обеспечение МКЭ стало довольно демократичным. На смену тайным командным строкам пришли удобные интерфейсы и мастера, которые проведут вас даже через сложные процессы. Исчезли и высокие цены. То, что когда-то стоило корпорациям баснословных денег, теперь можно арендовать за относительно небольшие суммы. Это хорошо подходит стартапам, у которых нет армий инженеров-специалистов, ангаров для постройки больших самолетов или больших денег для покупки программного обеспечения.

Новая воздушная мобильность — больше, чем воздушное такси

Было время, когда гонку по созданию воздушного такси возглавлял Uber со своим Uber Elevate и представлением о «сотнях транспортных средств, перевозящих сотни тысяч пассажиров в день, которые курсируют между заданными скайпортами». Теперь по этой дороге движется целый ряд более мелких компаний. Из них Joby Aviation (которая приобрела Uber Elevate), Archer Aviation, Vertical Aerospace и Lilium Air Mobility сосредоточены на электрических аппаратах вертикального взлета. Dufour делает упор на авиацию. Кроме них новой воздушной мобильностью также занимаются General Aeronautics, Zuri и XSun.

Очевидно, что к человеку, пострадавшему в дорожно-транспортном происшествии, быстрее всего можно добраться, пролетев над улицами, по которым машина скорой помощи движется намного медленнее. Сегодня это был бы самый дорогой рейс, который когда-либо совершала несчастная жертва, — целых 50 000 долларов. «Мы можем сделать это гораздо дешевле», — говорят в Dufour.

Несмотря на такие цены, общий рынок санитарной авиации оценивается всего в 10 миллиардов долларов, и (к счастью) он востребован немногими.

Гораздо больше тех, кто нуждается в регулярном сообщении между аэропортом и центром города. По данным Wall Street Journal, инвесторы видят здесь рынок в триллион долларов через 20 лет.

Zuri

Чешский авиационный стартап Zuri предлагает очень обтекаемую конструкцию своего гибридного самолета с вертикальным взлетом. Его 16 пропеллеров обеспечивают вертикальный взлет и посадку, а затем фиксируются в положении с наименьшим сопротивлением, когда большой задний пропеллер берет на себя горизонтальный полет. Использование отдельных гребных винтов для вертикального и горизонтального полета может быть не таким элегантным, как использование одних и тех же гребных винтов с наклонно-поворотным механизмом, как это делает конструкция Bell с наклонным ротором, но это, безусловно, менее сложно.

Zuri использует конструкцию с неподвижным крылом для своего аэротакси, увеличивая дальность полета (изображение предоставлено Zuri)

Способный перевозить от трех до четырех пассажиров Zuri имеет фиксированные крылья и гибридную силовую установку (углеводородное топливо и питание от аккумулятора), что увеличивает дальность полета и преодолевает недостатки чистой аккумуляторной энергии. Аккумуляторные технологии еще не продвинулись до такой степени, чтобы обеспечить электропитанием небольшие пассажирские самолеты на расстоянии около сотни километров. Батареи пока еще остаются слишком тяжелыми, в отличие от топлива, которое расходуется, в результате чего самолету требуется меньше энергии, чтобы держаться в воздухе.

Частью новой воздушной мобильности являются решения для городских и пригородных путешествий в 100–250 миль, например перелета из Нью-Йорка в Вашингтон.

Предпринимателя Михала Иллича, как и многих людей, часто летающих между городами, разделенными несколькими сотнями миль, раздражало, что по пути в аэропорт он застревает в пробке и проводит больше времени на земле, чем в воздухе.

«Сегодня мы тратим слишком много времени еще до того, как сядем в самолет, — сказал Иллич. — Когда у вас есть небольшие самолеты и достаточное количество доступных вертолетных площадок, можно избежать долгой дороги».

3DEXPERIENCE используется в Zuri (изображение предоставлено Dassault Systèmes)

Zuri использовала различное программное обеспечение для проектирования и производства своих самолетов, в том числе SOLIDWORKS и еще одну программу САПР для «мелких деталей». Перемещение данных между приложениями было проблемой, поэтому, когда они услышали о 3DEXPERIENCE от Dassault Systèmes, которая предлагает единую облачную платформу для разработки продуктов, они ухватились за эту возможность.

Используя инструменты корпоративного уровня, стартап Zuri получает невероятные возможности.

«CATIA — это мировой стандарт в проектировании самолетов, — сказал Иллич. — И облачная версия идеально подходит для такого стартапа, как мы, чтобы воспользоваться тем же решением, что и более крупные игроки в нашей отрасли».

С помощью 3DEXPERIENCE в облаке команда разработчиков смогла сразу приступить к проектированию, не дожидаясь, пока ИТ-специалисты установят и настроят его. Так как стартапам часто приходится перестраиваться, гибкое лицензирование позволяет Zuri быстро переключаться между необходимыми инструментами.

«Поскольку каждый может получить доступ к одним и тем же данным в облаке, управление версиями находится под контролем, и совместная работа гарантирована», — говорит Иллич.

Более сложные инструменты для симуляции, доступные в 3DEXPERIENCE (ENOVIA), также сыграли свою роль в разработке самолета Zuri.

После проектирования и изготовления следуют испытания и проверка. Небольшие компании, такие как Zuri, не могут позволить себе делать это несколько раз, в отличие от крупных аэрокосмических компаний. Чтобы гарантировать, что тестирование и сертификация пройдут успешно, Zuri сначала протестирует и сертифицирует цифрового двойника.

General Aeronautics

General Aeronautics, стартап из Бангалора, Индия, который производит дроны для использования в сельском хозяйстве, а также для другого гражданского и военного использования, будет использовать системную инженерию на основе моделей (MBSE) и междисциплинарную оптимизацию (MDO) из платформы 3DEXPERIENCE для разработки следующего поколения своих летательных аппаратов.

По данным General Aeronautics, дронам удается лучше и дешевле ухаживать за полями календулы (изображение предоставлено General Aeronautics)

«Платформа 3DEXPERIENCE сыграла ключевую роль в разработке как гибридных с неподвижным крылом, так и мультикоптерных систем БПЛА, — говорит доктор Кота Харинараяна, председатель и основатель General Aeronautics. — Мы рады сотрудничеству с Dassault Systèmes, позволившему реализовать комплексный процесс разработки, включающий проектирование, инженерию, интеграцию, производство, а также создание цифрового двойника для систем БПЛА».

Vertical Aerospace

В решении для воздушной мобильности британского стартапа Vertical Aerospace также используется конструкция с неподвижным крылом и восемью установленными на крыле двигателями; но, в отличие от Zuri, двигатели у самолета могут менять наклон.

Полностью электрическое аэротакси Vertical Aerospace VA-X4 над Темзой (изображение предоставлено Dassault Systèmes)

Этот аппарат также полностью электрический. Электроэнергия будет иметь большое значение для уменьшения шума, говорит Эрик Сэмсон, руководитель инженерного отдела компании Vertical Aerospace. В таких городах, как Лондон, много шумных вертолетов, и их эксплуатация подвергается все более пристальному контролю и регулированию.

«Мы разрабатываем электрически распределенную силовую установку, которая дешевле в эксплуатации и обслуживании, будет примерно в 30 раз тише, чем вертолет, и не будет наносить вреда планете», — сказал Сэмсон.

Питание от батареи ограничивает дальность действия VA-X4 до ста миль — этого более чем достаточно, чтобы добраться из самых отдаленных уголков Лондона до Хитроу (около 30 миль), а также это может оказаться достаточным для комфортного полета из Лондона в Бирмингем и назад (100 миль).

Vertical Aerospace полагается на облачную технологию 3DEXPERIENCE при разработке всех своих продуктов. Кроме того, отсутствие необходимости покупать программное обеспечение позволяет стартапу сохранять свой капитал.

С тяжелыми аккумуляторами на борту легкий вес всех остальных частей самолета приобретает особую важность. Здесь широко используются композиты.

Используя CATIA, компания Vertical смогла проанализировать конструкцию аппарата, сделанного из композитных деталей.

«Этот аппарат сделан из композитных материалов», — сказал Джон Рассел, старший инженер-конструктор компании Vertical Aerospace.

Если бы использовалось другое программное обеспечение САПР, нужно было бы упростить композитную структуру, но с помощью сложных инструментов моделирования, доступных на платформе 3DEXPERIENCE, Рассел смог точно смоделировать композит с учетом слоев и ориентации композитов.

«Мы смогли построить композитную деталь, используя инструмент для создания слоев композита, — сказал он. — Хотя это и делает моделирование более длительным, но в целом от начала до конца это более быстрый процесс. В будущем мы сможем передавать эти цифровые данные производителям и сразу переходить к производству».

Использование стандартной отраслевой платформы разработки продуктов облегчило общение не только с другими отделами компании Vertical Aerospace, например с производством, но и с такими партнерами, как Honeywell, которая разрабатывает систему управления полетом, и с внешними службами, такими как Управление гражданской авиации.

Xsun

Компания Xsun решила проблему подъема в воздух тяжелых аккумуляторов, отказавшись от них. SolarXOne, как следует из названия, использует энергию солнца для питания своего единственного переднего пропеллера. Поскольку он может получать свою энергию во время полета (максимум около 1 кВт/м²), дрон может оставаться в воздухе все время, пока светит солнце, и немного дольше, сохраняя избыток энергии с помощью нескольких имеющихся на борту батарей. Как вы можете себе представить, критически важно максимально увеличить площадь для сбора солнечной энергии и минимизировать сопротивление. Верхние поверхности двух пар крыльев покрыты солнечными батареями.

Конструкция полуавтономного дрона Xsun включает две пары крыльев для максимального накопления солнечной энергии (изображение предоставлено Xsun)

Французский стартап воспользовался преимуществами облачной платформы 3DEXPERIENCE.

«Платформа 3DEXPERIENCE позволяет нам проектировать и консолидировать все наши данные в одном месте, чтобы сохранить уникальную и четкую конфигурацию всех подсистем», — говорит Бенджамин Давид, основатель Xsun. Использование единого источника данных для всех жизненно важно для каждого инженера, работающего над подсистемой своего самолета в команде. Дени Питанс, инженер-испытатель в Xsun, внес изменения в пропеллер, и это тут же увидел другой инженер, работающий над шасси, который смог внести необходимые изменения до производства. Давиду часто приходится выезжать из офиса к партнерам, но он всегда может быть уверен, что получит доступ к последней версии проекта.

Xsun использует CATIA для проектирования и SIMULIA для решения задач анализа потока, теплопередачи и структурной целостности. Программы тесно связаны, что позволяет легко учесть в проекте изменения, необходимые для моделирования, и наоборот.

В настоящее время солнечный дрон может оставаться в воздухе 12 часов, что уже намного дольше, чем дроны с питанием от батарей, время полета которых измеряется в минутах. Но Xsun стремится добиться большего. «Мы хотим оставаться в воздухе 20 часов», — говорит их основатель.

Время полета обратно пропорционально весу. Для снижения веса SolarXone почти полностью сделан из композитных материалов. Кроме того, по словам Давида, максимальный вес в 25 кг становится нормативным пределом для дронов во всем мире.

Полет в облака на облачной платформе

Большая авиация разработала большие маршруты, построила большие аэропорты, купила большие самолеты и сделала большой бизнес. Посмотрите на текущую круговую диаграмму долей рынка, и вы увидите, что большая ее часть принадлежит крупным авиационным компаниям. Доминируют две компании: Boeing и Airbus. В компании Boeing со штаб-квартирой в США работают 161 000 человек, а продажи составили 77 миллиардов долларов. Объем продаж Airbus со штаб-квартирой в Европе составил 78,9 млрд евро, а штат ее сотрудников — 135 000 человек. Это данные за 2019 год, не лучший год для Boeing. Производство популярного Boeing 737 Max было тогда остановлено, что повлияло на годовую выручку в 2019 году и позже.

Неужели после раздела пирога между Boeing и Airbus всем остальным остались лишь крошки? Как мы здесь показали, многие предприниматели думают, что пирог может быть намного больше и они получат свой кусок. Они делают ставку на то, что, хотя полеты короче, а сами самолеты меньше, их потребуется больше.

Для тех, кто делает ставку на успех, облачная платформа 3DEXPERIENCE — естественная среда для поддержки их роста: масштабируемая и безопасная, позволяющая легко добавлять места для членов команды в любой точке мира и использовать самые передовые возможности проектирования в авиакосмической области сразу после их выпуска. Это может оказаться критичным не только для предпринимателей, которые сейчас вступают в игру, но и для будущего самой воздушной мобильности, поскольку стартапы меняют наше представление о путешествиях.

Действительно, много небольших самолетов могут делать намного больше, чем мы привыкли от них ожидать, предоставляя услуги воздушного такси между аэропортами и центрами городов, выполняя эффективное сообщение между городами, находящимися на расстоянии сотен миль друг от друга, а также используя электроэнергию и солнечную энергию для более рационального ведения сельского хозяйства и длительного прогнозирования — это лишь некоторые примеры новой воздушной мобильности, которая обещает сделать воздушные трассы такими же простыми для путешествий, как дороги и водные маршруты в глобальном связанном мире.