Самый большой самолёт в мире, если его доведут до серии, окажется длиннее футбольного поля: около 108 метров от носа до хвоста. Это на 60 % больше, чем у самого крупного из летающих сегодня воздушных судов, а грузовой отсек вмещает в двенадцать раз больше объёма, чем у Boeing 747. Со стороны машина напоминает нефтяной танкер, у которого выросли крылья.
Авиационная инженерия в абсурдном масштабе: при длине 108 метров WindRunner выглядит как нефтяной танкер с крыльями. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Самолёт называется WindRunner, его выход на линии обещают к 2030 году, и возить он будет ровно один тип груза — гигантские лопасти ветряных турбин. Сегодня в большинстве регионов мира наземные лопасти делают длиной максимум 70 метров, и упирается это ограничение вовсе не в прочность композитов и не в аэродинамику. Упирается оно в логистику: более длинное изделие просто не проходит под путепроводами, не вписывается в тоннели и не проходит крутые повороты автомобильных и железных дорог.
Разработчик машины — компания Radia из Боулдера (штат Колорадо) — построила бизнес-модель на простом тезисе: единственный способ доставить сверхдлинную лопасть на ветропарк — привезти её по воздуху. «Компании отрасли умеют делать турбины размером с Эйфелеву башню и лопасти длиннее футбольного поля, — говорит основатель и генеральный директор Radia Марк Лундстром. — Их расстраивает только то, что развернуть такие машины на суше нельзя».
По заявленным характеристикам WindRunner берёт на борт две лопасти по 95 метров либо одну длиной 105 метров и садится на импровизированные грунтовые полосы рядом с самим ветропарком. Звучит как инженерная бравада ради бравады, но сторонники проекта возражают: это не рекорд ради рекорда, а единственный доступный инструмент для решения конкретной задачи.
Чтобы оценить масштаб, полезно сравнение с привычной техникой: грузовой отсек WindRunner рассчитан на объём, в двенадцать раз превышающий вместимость Boeing 747. При этом самолёт нужен не для тяжёлых грузов, а именно для длинных: центральное ограничение здесь не тоннаж, а габарит.
Логика проста: чем крупнее турбина, тем больше энергии она отдаёт и тем дешевле обходится каждый мегаватт. Вопрос в другом — окупится ли ради этого постройка самолёта, который сам по себе становится рекордсменом.
Почему лопасти ветротурбин так трудно перевозить
Лундстром, авиационный инженер по образованию, основал Radia девять лет назад после того, как наткнулся на обращение производителей ветротурбин. В пресс-релизе те прямо писали: сделать лопасти большего размера они могут хоть сейчас, нужен лишь способ их перевозить.
В США дело упирается в типовую высоту путепроводов на межштатных автомагистралях — 4,9 метра (16 футов). Ровно та же история в Европе, где плотность дорожной инфраструктуры ещё выше. В развивающихся странах тоннелей и эстакад заметно меньше, но там всплывает другая проблема: значительная часть дорог не имеет твёрдого покрытия, а тащить по ним объект массой в полсотни тонн почти нереально.
Исключение — отдельные регионы Китая, где дорожная сеть позволяет обойти эти ограничения, и потому сверхкрупные наземные турбины там уже строят. В прошлом году китайская Sany Renewable Energy сообщила об установке машины мощностью 15 МВт в уезде Тунъюй провинции Цзилинь на северо-востоке страны — с лопастями длиной 131 метр. Изготовили их в промышленном парке во Внутренней Монголии, откуда до площадки монтажа пришлось везти груз 1800 километров.
Для читателя, привыкшего к масштабам постсоветской логистики, это знакомая картина: негабаритный груз превращается в отдельный инженерный проект с согласованиями, временными объездами и демонтажом придорожной инфраструктуры. Именно эту статью расходов авиационная схема и пытается обнулить, заменив сотни километров сопровождения одним перелётом.
Как устроен сверхтяжёлый транспортник
Расчётная посадочная дистанция WindRunner — примерно 1080 метров, то есть около десяти длин самого самолёта. При этом ему не нужны идеально ровные полосы современных аэропортов: машина изначально проектируется под взлёт и посадку с грунта — по сути, с расширенной технологической дороги по периметру ветропарка.
Возможным это делает сочетание относительно небольшой массы, формы крыла и фюзеляжа, а также крупных колёс. Самолёт оптимизирован не под тоннаж, а под объём: лопасти огромны, но при этом не плотные, поэтому WindRunner представляет собой один гигантский грузовой отсек с минимумом всего остального. «Посадка на грунт сводится к тому, сколько килограммов приходится на каждое колесо», — поясняет Лундстром.
Короткому взлёту помогают четыре реактивных двигателя. «Когда самолёт пустой, двигатели настолько мощные, что тяговооружённость машины сопоставима с ранними реактивными истребителями», — говорит Лундстром. Двигатель выбран из числа уже применяемых на современных авиалиниях, но конкретную модель в Radia не раскрывают — что заодно снимает часть рисков с сертификацией и запчастями.
Чтобы машина могла резко задирать нос, не задевая хвостом полосу, задняя часть фюзеляжа уходит вверх под большим углом. Одиночный киль, достаточный для стабилизации такой громадины, вышел бы за аэропортовый лимит высоты в 24 метра, поэтому оперение сделали двухкилевым — в форме буквы H. Для торможения работают широкие и короткие крылья площадью почти 1000 квадратных метров, а после касания подключаются двадцать крупных колёс, заимствующих классическую схему шасси военно-транспортного C-130 Hercules.
Нос самолёта откидывается вверх, открывая доступ в грузовой отсек, — решение, знакомое по Ан-124. Кабина экипажа размером с целый бизнес-джет Gulfstream вынесена наростом на фюзеляже, чтобы не съедать полезный объём, и остаётся единственным обитаемым помещением на борту. В полёте отсек наддувается лишь до давления, соответствующего высоте вершины Эвереста, — так экономят энергию и упрощают конструкцию.
Зачем ветряным турбинам расти в размерах
Альтернативы транспортнику проверялись и отпадали одна за другой. Самые грузоподъёмные вертолёты западного полушария поднимают до 15 тонн, тогда как мегалопасть весит вчетверо-впятеро больше. Дирижабли и аэростатические аппараты нужную массу теоретически вытянут, но приносят с собой длинный список проблем: они слишком медленные, требуют дорогого ангара для защиты от непогоды, зависят от дефицитного гелия и плохо садятся при сильном ветре. «А ветропарки, между прочим, ставят там, где ветрено», — замечает Лундстром.
Существующие тяжёлые грузовые самолёты растянуть до стометровой лопасти невозможно, да и на короткие грунтовые полосы они не сядут. Отсюда и вывод разработчиков: нужна принципиально новая конструкция. Остаётся ключевой вопрос — стоит ли увеличение наземных турбин на 50 % таких усилий.
Экономику ветропарка принято мерить не ценой турбины, а приведённой стоимостью энергии — суммарными затратами на постройку и эксплуатацию, делёнными на всю выработку за срок службы. Именно поэтому более дорогая машина может оказаться выгоднее нескольких дешёвых: считается не ценник на площадке, а стоимость каждого мегаватт-часа за двадцать с лишним лет.
Майкл Хоуленд, специалист по оптимизации ветроэнергетики из MIT, считает, что выигрыш здесь действительно велик. Выработка турбины растёт как куб скорости ветра и как квадрат диаметра ометаемого лопастями круга. Иначе говоря, крупная машина дороже поштучно, но с запасом отбивает разницу генерацией — именно поэтому размеры турбин десятилетиями ползут вверх.
«Их нужно вдвое меньше, — добавляет Лундстром. — И хотя каждая турбина дорожает, стоимость гигаватта резко падает». По его оценке, турбины класса GigaWind снизят себестоимость энергии на 20–35 % и одновременно поднимут выработку на 10–20 %, потенциально удваивая рентабельность ветрогенерации даже с учётом расходов на все эти перелёты.
После посадки на ветропарке лопасти выкатывают из самолёта по рельсовому оборудованию. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Есть и побочные эффекты, которые редко попадают в заголовки. Меньшее число турбин позволяет расставить их дальше друг от друга и не терять выработку из-за взаимного затенения потоков. Сами машины становятся почти вдвое выше и дотягиваются до более высоких и стабильно ветреных слоёв атмосферы. Наконец, крупные роторы не обязаны быстро вращаться, поэтому экономически оправданы уже при средней скорости ветра около 5 м/с вместо примерно 7 м/с, необходимых меньшим установкам. «В итоге площадь территорий, где ветроэнергетика жизнеспособна, увеличивается более чем вдвое», — резюмирует Лундстром.
Чтобы запустить этот рынок и обеспечить первые машины работой, Radia развивает собственное подразделение, которое совместно с производителями турбин строит новые ветропарки — как внутри страны, так и за рубежом. WindRunner будет возить лопасти и на эти площадки, и на объекты сторонних девелоперов, то есть компания одновременно создаёт и транспорт, и спрос на него.
Масштаб замысла впечатляет даже скептиков, включая самого Хоуленда. «Идея удивила меня и одновременно восхитила своим новаторским духом, — говорит он. — Это здорово, когда амбиции направлены на решение больших задач». Но наземный «гигаветер», предупреждает он, полон неизвестных: физика течений и инженерия турбин рекордных размеров изучены слабо. Огромные лопасти способны оставлять настолько мощные аэродинамические следы, что на стоящие позади машины начнут заметно влиять перепады температуры воздуха и даже сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, — а это уже задача для фундаментальной науки.
Отдельный вопрос — углеродный след самой авиации. Чтобы обеспечить лопастями целый ветропарк, самолёту придётся месяцами летать между заводом и площадкой, перевозя за рейс одну-две лопасти, и выбросы могут оказаться выше, чем при перевозке грузовиками. В Radia парируют: дополнительная чистая генерация с продвинутых ветропарков с лихвой перекроет выбросы двигателей. К тому же основной вклад в углеродный след ветропарка дают бетон и сталь, а более длинные лопасти позволяют получить ту же мощность меньшим числом турбин — значит, и фундаментов с башнями потребуется меньше.
Есть и менее очевидное препятствие, о котором в подобных проектах вспоминают в последнюю очередь, — сертификация. Машина такого размера и с такой необычной схемой становится новым типом воздушного судна, а сроки подобных программ определяются не столько сборкой планера, сколько прохождением всех процедур подтверждения лётной годности. К этому добавляется наземная часть: каждая площадка должна получить пригодную для приёма самолёта грунтовую полосу с подъездами и техникой для выгрузки лопастей.
Над проектом висит и политическая туча. Администрация президента США Дональда Трампа неоднократно пыталась притормозить американскую ветроэнергетику, приостанавливая согласования, выдачу разрешений и государственные кредиты. Лундстром, впрочем, не считает, что ветер из Вашингтона подрежет компании крылья: по его словам, на кону слишком большие деньги.
«Я уверен, что ситуация выправится сама. Поставлять самолёты мы начнём уже к концу срока этой администрации», — говорит он. Наращивание масштабов ветрогенерации он называет обязательным условием отказа от ископаемого топлива, а нужного масштаба, по его словам, не достичь без нового самолёта.
