В новом выпуске подкаста StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и аэрокосмический инженер NASA Венди Около обсуждают современные вызовы аэронавтики и будущее авиации. В центре внимания — интеграция искусственного интеллекта в управление полетами, физика перемещения в атмосферах других планет и технологические барьеры на пути к созданию массовых летающих автомобилей.
🚀 Аэронавтика в NASA: больше, чем просто космос 2:15
Многие забывают, что первая буква в аббревиатуре NASA означает «Aeronautics» (аэронавтика). Как отмечает Нил Деграсс Тайсон, значительная часть бюджета агентства выделяется именно на исследования в области авиации . Венди Около, работающая в Исследовательском центре Эймса (NASA Ames Research Center) в Калифорнии, подчеркивает, что их работа сосредоточена в Подразделении интеллектуальных систем (Intelligence Systems Division) .
Ключевые направления работы подразделения:
- Оптимизация компонентов и систем для повышения эффективности полетов.
- Разработка «систем систем» (system of systems) — концепции, при которой рассматривается не отдельный самолет, а вся совокупность взаимодействующих объектов в воздушном пространстве .
- Интеграция беспилотных систем и дронов в общую транспортную сеть.
По словам Венди Около, «система систем» — это иерархический подход, позволяющий избежать конфликтов между множеством объектов . В качестве примера она приводит дорожное движение: проектировщики фривеев учитывают не одну машину, а взаимодействие потоков автомобилей, светофоров и пешеходов .
🧪 Физика полета: от Земли до Марса 9:14
Движение в воздухе — это постоянная борьба с атмосферой. Венди Около объясняет, что любое тело, движущееся в воздушной среде, возмущает давление, что создает силы, действующие на поверхность объекта .
Инженеры выделяют четыре основные силы, действующие на самолет:
- Подъемная сила (Lift) — направлена вертикально вверх.
- Вес (Weight) — сила тяжести, направленная вниз.
- Тяга (Thrust) — сила, толкающая аппарат вперед.
- Лововое сопротивление (Drag) — сила, препятствующая движению .
Особый интерес представляет полет на Марсе. Хотя гравитация там ниже, что облегчает вес аппарата, плотность атмосферы Марса крайне мала . Подъемная сила напрямую зависит от плотности воздуха и скорости. По формуле, которую приводит Около ($L = C_L \cdot q \cdot S$), при снижении плотности необходимо либо увеличивать площадь крыла ($S$), либо повышать коэффициент подъемной силы ($C_L$), либо лететь значительно быстрее .
🌍 Глобальное потепление и авиация 13:37
По мнению Венди Около, изменение климата влияет на все аспекты аэронавтики, начиная от доступности топлива и заканчивая изменением состава атмосферы (например, уровня кислорода, необходимого для работы двигателей) .
Нил Деграсс Тайсон добавляет, что потепление приводит к следующим последствиям для полетов:
- Воздух удерживает больше влаги, что провоцирует более частые и суровые штормы .
- Пилотам приходится тратить больше времени и топлива на обход опасных погодных систем .
- Изменяются воздушные течения, такие как струйные потоки, что напрямую влияет на время полета (разница в длительности рейсов «туда» и «обратно» из-за встречного или попутного ветра) .
✈️ Инновационные конструкции: крылья и компьютеры 17:33
Современная инженерия позволяет создавать самолеты с радикально различающейся архитектурой в зависимости от их задач. Около и Тайсон разобрали несколько примеров:
- U2 и SR-71: Разведчик U2 обладает огромным размахом крыльев для полета в разреженном воздухе на малых скоростях. Напротив, SR-71 имеет небольшие крылья, но генерирует подъемную силу за счет колоссальной скорости .
- Схема «смешанное крыло» (Blended Wing): Это конструкция, где фюзеляж плавно переходит в крылья, представляя собой единую несущую поверхность (летающее крыло) .
- Канарды (переднее горизонтальное оперение): Маленькие крылья в носовой части самолета. Они увеличивают подъемную силу, но делают аппарат динамически неустойчивым .
Венди Около отмечает, что использование цифровых компьютеров в системе «fly-by-wire» позволяет летать аппаратам, которые физически нестабильны. Компьютер делает сотни микро-корректировок в секунду, обеспечивая устойчивость там, где человек бы не справился . Однако за это приходится платить расходом вычислительной мощности и топлива .
🚗 Где наши летающие автомобили? 32:25
Отвечая на популярный вопрос о летающих машинах, Венди Около подчеркивает, что проблема не только в технике, но и в инфраструктуре .
Основные препятствия для массового внедрения личного авиатранспорта:
- Регулирование и трафик: На земле в США ежегодно гибнет 35 000 человек в ДТП. Управление движением в небе гораздо сложнее .
- Энергия и вес: Электрическая тяга требует тяжелых батарей. Инженерам нужно найти баланс между весом аккумуляторов и дальностью полета .
- Шум: Традиционные вертолеты слишком шумные для городов. NASA исследует электрические пропульсивные системы, которые могут быть значительно тише и приемлемее для общества .
По прогнозу Венди Около, летающие автомобили появятся, но временные рамки их внедрения будут гораздо более длительными, чем хотелось бы оптимистам .
🧠 Человек против ИИ: кто должен быть за штурвалом? 38:27
Современные пилоты не управляют самолетом вручную в течение всего полета — большая часть процесса автоматизирована (аналог круиз-контроля) . Тем не менее, роль человека остается критической.
Венди Около утверждает, что ИИ (машинное обучение) отлично справляется в расчетных режимах эксплуатации, для которых он был обучен . Однако в ситуациях «неизвестных неизвестных» (unknown unknowns) — когда происходит нечто, не заложенное в алгоритм, — человеческая интуиция и адаптивность пока незаменимы .
Инженеры NASA сейчас работают над тем, как имитировать человеческую способность адаптироваться к нештатным ситуациям в системах машинного обучения, чтобы сделать автономные полеты будущего максимально безопасными .
