На одному крилі | Журнал Популярна Механіка
У 2011 році по ЗМІ промайнула новина про розробку Ульріха, Пайнс і Хамберт з університету Меріленда - робота-вертольоті з однієї лопатою, літаючому за принципом кленового насіння. Цікаво, що розробка ця не унікальна. Монокоптери - це цілий клас літальних апаратів, придуманий більше ста років тому і отримав сьогодні друге дихання.
Багато з нас в дитинстві запускали кленові крилатки з балкона. Замість того щоб падати вертикально вниз, такий плід планує, швидко обертаючись, точно вертолітний гвинт. Цей ефект заснований на подовженому сухому околоплоднике, аеродинамічні властивості якого схожі з властивостями лопаті пропелера. Звичайно, дивлячись на крилатку, людина не міг не подумати: треба застосувати цей принцип в механіці!
Правда, практика показала - що добре для природи, то зовсім не обов'язково добре для рукотворної техніки. Так чи інакше, 14 січня 1910 року французька інженери Альфонс Папен і Дідьє Руіллі представили перед Французькою академією наук проект літального апарату, формою і принципом дії нагадував крилатку білого клена. На зорі авіабудування інтерес до оригінальними проектами, був дуже великий, оскільки передбачити, який з численних повітроплавальних принципів «спрацює», було досить важко. В результаті вже через рік Папен і Руіллі отримали фінансування від військових, оскільки армія завжди першої підхоплювала перспективні проекти, - і взялися за справу.
траєкторія лялечки
Природна завдання крилатки досить проста. Уповільнення падіння і складність траєкторії дозволяють насіння-вертольоту летіти значно далі від материнського дерева, ніж, наприклад, жолуді або каштану. Навіщо це потрібно в техніці? Адже стабілізувати траєкторію польоту монокоптера неймовірно важко, оскільки лопатою в ньому служить весь корпус. Плюс до всього, якщо монокоптер несе на собі людину, необхідно якимось чином забезпечити нерухомість кабіни і достатню стабільність апарату при знаходженні в повітрі. Загалом, завдання здається нетривіальною, значно складнішою, ніж у випадку з вертольотом звичайної схеми.
Chrysalide ( «Лялечка») Єдиний колись побудований в натуральну величину класичний монокоптер, теоретично здатний підняти людину. Якби його творці, Папен і Руіллі, знайшли кошти на більш потужний двигун, «Лялечка» могла б піднятися в повітря - в аеродинамічному плані вона була розрахована вірно. Для зльоту була потрібна частота обертання 60 об / хв.
Проте незаперечні плюси у монокоптеров є. По-перше, вони, подібно автожир, не впадуть на землю при відмові двигуна, а спланують на авторотації. По-друге, монокоптер складається з дуже невеликої кількості елементів, причому рухомих серед них - раз, два та й усе, і тому його надійність дуже висока; навіть зіткнення з іншим літальним апаратом і легкі пошкодження, завдані корпусу-крилу, дозволять монокоптеру пролетіти ще деяку відстань, наприклад, до бази. На остання перевага і купилися французькі військові.
Творіння Папена і Руіллі отримало назву Chrysalide ( «Лялечка»), а сам клас апаратів, захищений двома європейськими і одним американським патентами, - Gyroptere (гіроптер). Дивний вертоліт мав одну величезну порожню лопату довжиною 17 м і по конфігурації був практично один в один скопійований з кленової крилатки. Лопать розташовувалася з одного боку від кабіни пілота, з іншого вона врівноважувалася силовим агрегатом, 9-циліндровим ротативних двигуном Rhone потужністю 80 л.с. - для того часу дуже чимало.
Chrysalide ( «Лялечка»)
Власне, крім звездообразного ротативних двигуна, іншого варіанту не було: в такому агрегаті циліндри разом з картером обертаються навколо нерухомого колінчастого валу. Rhone «видавав» 1200 об / хв і обертав вентилятор, нагнітає всередину лопаті повітря. З вигнутого кінця лопаті струмінь виходила зі швидкістю близько 100 м / с, приводячи весь апарат в обертання. Пілот «Лялечки» розташовувався в центрі мас між крилом і вентилятором - це дозволяло стабілізувати його стан. Напрямок польоту задавалося повітряним струменем: частина повітря, що нагнітається відводилася в поворотний повітропровід, з'єднаний з кермом.
Так чи інакше, до 1913 року «Лялечка» побудували, хоча проблем виявилося безліч: зокрема, технології того часу не дозволяли забезпечити достатню міцність конструкції, та й положення пілота виявилося не настільки стабільним, як випливало з розрахунків. Плюс до всього почалася Перша світова війна, і польові випробування зуміли провести лише 31 березня 1915 року в невеликому озері в департаменті Кот д'Ор.
До того ж до всього іншого виявилося, що потужності мотора катастрофічно не вистачає - монокоптер обертався з частотою всього 47 об / хв, хоча за розрахунками для зльоту було потрібно як мінімум 60 об / хв. Закінчилося випробування сумно: пілота початок закручувати і трясти, він зумів якимось чином зістрибнути в воду, після чого «Лялечка» заглохла, перекинулася - і затонула, незважаючи на те що її підставою був порожній поплавок.
Chrysalide ( «Лялечка»)
На жаль, при випробуваннях була присутня військова комісія, тобто представники «спонсора». Кошти були відкликані, а розробку рекомендували припинити. У воєнний час країні було не до екзотики, Папен і Руіллі працювали на благо вітчизни в абсолютно інших областях. Втім, «Лялечка» інженери з озера підняли, а в 1917 році представили новий проект полегшеного гіроптера - правда, грошей на його створення уряд вже не виділила. Пошуки фінансування невдачливі винахідники продовжували аж до 1936 року.
Кому потрібен монокоптер?
Але навіть якщо б на «Лялечка» був встановлений більш потужний двигун (як і планувалося спочатку), навіть якщо б вона злетіла - навряд чи монокоптери знайшли б свою нішу в світовому авіабудуванні. Авіаційний бум 1910-х років дозволив прогресу йти семимильними кроками: вже до кінця Першої світової війни армії всіх воюючих держав були оснащені літаками, досить досконалими і швидкісними, щоб творіння Папена і Руіллі залишилося лише історичним курйозом.
Дослідний зразок Як не дивно, існувало ще кілька проектів повнорозмірних монокоптеров або щонайменше близьких до них машин, крім екзотичного Chrysalide. Найвідомішими подібними розробками були експериментальний німецький вертоліт Bolkow Bo-102 Helitrainer і його розвиток - Bo-103, створений на початку 1960-х. Правда, Bo-102 ніколи не літав, оскільки спочатку був спроектований як тренажер для пілотів, укріплений на рухомій рамі. На базі тренажера і створили 103-у модель - вже повноцінний вертоліт, оснащений вельми дивним гвинтом. У нього була тільки одна робоча лопать довжиною 6,57 м, з протилежного боку врівноважена противагою. 400-кілограмова машина успішно піднялася в повітря 14 вересня 1961 року і показала досить пристойну стабільність: пілот-випробувач в тому числі демонстрував на ній політ «без рук». В принципі, основним завданням Bo-103 було випробування стеклопластиковой лопаті - легкої та міцної. Для серійного виробництва монокоптер не був призначений. Прототип дійшов до наших днів і зберігається в авіаційному музеї міста Бюкебурга.
Здавалося, повертатися до схеми крилатки немає ніякого сенсу. Занадто громіздка і складна конструкція з невисокою вантажопідйомністю може служити хіба що для спостереження, але сьогодні цю функцію повсюдно виконують дрони ... Стоп! Дронь? А це ідея!
Дійсно, якщо повнорозмірний монокоптер, зобов'язаний витримувати людини, виявляється надмірно незручним і ненадійним, то для крихітного дрона-спостерігача подібна схема здається мало не оптимальною. Якщо зрівняти розміри робота з розмірами прототипу - кленового плода, то виявиться, що у безпілотних монокоптеров дуже непогане майбутнє. У 2006 році, через майже століття після французів, про це задумалися фахівці компанії Lockheed Martin.
Bolkow Bo-103 зазвичай не відносять до монокоптерам через звичайної вертолітної компонування. Проте лопать у ВО-103 одна-єдина. І, на відміну від Chrysalide, він здатний літати.
маленькі машинки
Звичайно, у всьому замішано агентство DARPA - хто ж ще! 10 липня 2006 було оголошено, що Lockheed Martin отримали непоганий грант на розробку монокоптера в рамках програми nano air vehicle (NAV). Підсумкова конструкція по техзаданию повинна важити не більше 20 г і мати не більше 15 см за максимальним розміром; крім того, замовники з DARPA вказали і мінімальну швидкість наноразведчіка - 36 км / год, що здається відверто фантастичним. Початковий прототип, розрахований на комп'ютері, дійсно мав розміри кленової крилатки - 5-сантиметрова лопать і крихітний реактивний двигун, що обертає пристрій з частотою близько 15 000 об / хв. Плюс, звичайно, обладнання: сенсори, камери, комунікаційний пристрій, і все це якимось дивним чином вміщається в систему, сумарна маса якої становить всього 10 г.
Але час минав, а зробити розрахункову конструкцію в пластиці не виходило. В результаті монокоптер Lockheed Martin програв конкуренту - пристрою під назвою Nano Hummingbird (тобто «колібрілету»), створеному в рамках того ж замовлення компанією AeroVironment. 19-грамова закінчена модель махолета, «змальованого» з колібрі, була представлена взимку 2011 року, в той час як монокоптер досі знаходиться в розробці. На сьогоднішній стадії довжина його лопаті досягла 17 см; правда, на виставках найчастіше демонструвався більший екземпляр з 40,6-сантиметровим крилом; на ньому тестується і система управління.
Вперше дрон від Lockheed Martin, що отримав в результаті назва Samarai, був показаний в серпні 2011 року на виставці AUVSI (Міжнародної асоціації конструкторів безпілотників). Запити DARPA поки що залишилися невиконаними: на додачу до надмірної довжині дрон ще і важить 227 г, хоча камеру тримає цілком справно. Реактивний двигун в результаті замінили електричним - з пропелером, розташованим на закінцівки лопаті.
Але поки Lockheed Martin б'ється над непростим завданням, трійця незалежних інженерів з Мерілендського університету побудувала свій дрон-монокоптер The Ulrich Flyer (або інакше - Robotic Samara, остаточної назви ще немає). Точніше, цілих три дрона, останній з яких має всього лише 7,5-сантиметрова крило, - здається, у хлопців з Lockheed Martin серйозні проблеми в плані конкуренції. Треба сказати, Ульріх і компанія працювали над монокоптером теж досить давно, з 2007 року. Принцип роботи The Ulrich Flyer такої ж, як і у Lockheed Martin Samarai, тобто є крило в формі крилатки і импеллер на його закінцівки. Ось тільки у мерілендцев вийшло (майже - принаймні за розмірами) вкластися в технічні вимоги замовника.
Безпілотний монокоптер-шпигун The UlrIch Flyer (перша версія), створений студентами Мерілендського університету, в порівнянні з крилатки. На далекій від нас краю - двигун з пропелером, на ближній - противагу.
Дрони-спостерігачі, зроблені за схемою монокоптера, хороші тим, що в них практично нічому ламатися. Крім крихітного електродвигуна з пропелером, в них немає нічого рухомого. Правда, до цих пір стоїть проблема стабільного управління монокоптерамі - але якщо DARPA і надалі виділятиме мільйони доларів на подібні розробки, немає сумнівів, що вчені подолають всі бар'єри.
Безпілотникам - дорогу!
Сьогодні ніщо не вказує на будь-які перспективи для пілотованих монокоптеров. Спроба Папена і Руіллі була дуже непогана для 1910-х - але, мабуть, назавжди відбила у інвесторів бажання вкладати кошти в подібні проекти. Тестовий вертоліт Bolkow Bo-103 був створений в 1960 році тільки для тестування стеклопластикового профілю лопаті - ніяк не для серії. А ось безпілотники можуть серйозно влаштуватися на сучасному ринку військових дронів-спостерігачів.
Крилатка Концепція монокоптера безпосередньо відштовхується від плоду-крилатки. Плоский крилоподібний виріст обертається навколо жорсткого навколоплідника зі значною швидкістю, що дозволяє крилатці долати значні відстані. У різних дерев крилатки мають різну форму. Наприклад, насіння може розташовуватися не тільки на одному краю крилатки (як у клена або ясена), а посередині, як у в'яза, берези або ясен. У таких випадках плід називається двукрилатка.
Дрони-монокоптери завжди здавалися цікавою концепцією. Відомий ряд розробок Чарльза Маккатчена, який будував подібні моделі в 1950-х; згодом монокоптери будували моделісти з СРСР, Румунії, США, в 1988 році моделіст Корі Клайн першим сконструював монокоптер з ракетним двигуном. Сьогодні є цілий ряд моделістів, що створюють копії монокоптеров Маккатчена (McCutchen Machines) і свої власні системи, а професор Кентського університету (Огайо) навіть випустив по подібним моделям монографію.
При належній компактності до монокоптеру можна сміливо прикріпити навіть дуже дороге обладнання (камери, датчики), оскільки він не може впасти навіть при відмові двигуна, та й взагалі теоретична надійність монокоптера вельми висока. Творці Robotic Samara призводять і ще один аргумент на користь дронів-спостерігачів однолопастний конфігурації: подібний робот обертається кілька сотень разів на хвилину, кожен раз фіксуючи панорамну картинку і, таким чином, збираючи максимально можливу інформацію про навколишнє оточення. Звичайному дрону для отримання такого ж обсягу потрібно розвертатися, заходити на віражі і т. Д. Правда, залишається вирішити питання стабілізації, але при сучасному рівні технологій все можливо. І найцікавіше, що шанси со-здати працює і керований дрон-монокоптер у любителя-моделіста і серйозної організації на кшталт Lockheed Martin приблизно рівні. Особливо якщо DARPA виділить на це необхідні кошти.
Стаття «На одному крилі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2013 ).
Навіщо це потрібно в техніці?Кому потрібен монокоптер?
Дронь?