Неплох педальный

Канадская группа инженеров и ученых AeroVelo получила приз Американского вертолетного общества за достижение, которое некоторые эксперты считали принципиально невозможным. Они построили вертолет, приводимый в действие одним лишь вращением педалей.

Приз имени Игоря Сикорского учредили в 1980 году Американским вертолетным обществом. Эта награда названа именем русского авиаконструктора, который эмигрировал в США и создал там компанию Sikorsky Aircraft, ставшую первым производителем вертолетов. Чтобы ее получить, надо было выполнить три условия. Аппарат должен был оставаться в квадрате десять на десять метров (если он сам больше, то речь идет об его центре). Аппарат должен был подняться выше трех метров и продержаться в воздухе хотя бы минуту. Разумеется, нельзя было использовать какие-либо устройства накопления энергии: скажем, раскрученный маховик или тем более электрические аккумуляторы с подзарядкой от генератора с педальным приводом.

Сумма приза оказалась слишком мала для того, чтобы оправдать хотя бы сколько-нибудь значимую часть работ по созданию уникального аппарата, потому число претендентов было невелико. Всего семь групп до 2009 года пытались построить мускульный вертолет, и только две команды в итоге представили вертолеты, которые оказались способны оторваться от земли. В 2009 году стоимость приза выросла до 250 тысяч, что подтолкнуло работы сразу трех групп. Одной из которой удалось выполнить все требования и преодолеть ограничения, казавшиеся некоторым непреодолимыми.


Проблемы мускульных вертолетов

Для того, чтобы удержаться в воздухе, любому аппарату требуется создавать подъемную силу, равную его собственному весу. Самым простым способом является использование крыльев: воздушный поток, обтекающий крыло, создает подъемную силу за счет сразу двух механизмов. Крыло отбрасывает вниз часть воздуха и за счет этого получает направленный вверх импульс; обтекающий сверху воздух движется с большей скоростью и потому втягивает крыло сильнее, чем обходящий снизу поток. Чем больше скорость, тем больше подъемная сила, так что при благоприятных условиях можно обойтись минимальной мощностью для поддержания полета на заданной высоте.

Все рассуждения об аэродинамике крыла переносятся на движущиеся в воздушном потоке лопасти несущих винтов. Но так как площадь их намного меньше, то подъемная сила тоже падает: компенсировать это можно увеличением скорости вращения с неизбежным возрастанием мощности. Расчеты, проведенные для винта диаметром около десяти, показывают необходимость двигателя хотя бы в несколько киловатт.

Развить мощность в несколько киловатт физически невозможно даже для самых тренированных спортсменов. Винт большего диаметра, порядка нескольких десятков метров, требовал меньшей мощности, но увеличение диаметра винта неизбежно увеличивало массу вертолета. Который должен все-таки не разваливаться под собственной тяжестью и удерживать пилота.

Кроме того, пилоту нужно еще каким-то образом сохранять нужное положение в воздухе. Здесь конструкторы мускулолетов столкнулись с задачей, которую пришлось решить изобретателям первых традиционных вертолетов. А именно - как-то компенсировать вращающий момент. Если у аппарата всего один винт, то его вращение в одну сторону приводит к тому, что двигатель вместе с корпусом вертолета начинает вращать в другую. Для решения этой проблемы ставится либо компенсирующий боковой винт на хвостовой балке, либо ставится несколько винтов: используются как варианты с вертикальным расположением, так и комбинации нескольких винтов в горизонтальной плоскости.

Каждая из схем компенсации вращающего момента, использованная «большими» вертолетами, имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому конструкторам мускулолета пришлось не просто дорабатывать какую-то заведомо известную конфигурацию путем выкидывания всех лишних килограмм. На момент учреждения приза не было даже понятно то, реально ли его получение: многие открыто сомневались в способности человека удержаться в воздухе своими силами.


Тяжелый вертолет Ми-10, называемый также «летающим краном», использует для компенсации вращающего момента хвостовой винт. Недостаток такого подхода заключается в том, что тяга хвостового винта никак не помогает поднимать аппарат в воздух. Для вертолета с мощным двигателем это компенсируется простотой конструкции, но для мускулолета тратить драгоценные ватты на такой винт непозволительно.



Военный транспортный вертолет Boeing CH-47 Chinook. Вращающие моменты двух винтов компенсируют друг друга, так как эти винты вращаются в разные стороны. Недостаток: надо одновременно вращать два разнесенных винта.



Гражданский вертолет Ка-32 в модификации по заказу компании Heliswiss. Два винта друг над другом вращаются в противоположных направлениях. Винты, разумеется, разные: чтобы вращение в разные стороны давало поток в правильном направлении.



Некоторые (довольно редкие) модели вертолетов используют схему с двумя перекрещивающимися винтами. Диски, образованные вращающимися винтами, пересекаются, но за счет правильно подобранного режима работы лопасти никогда не сталкиваются между собой. Но если лопасти очень гибкие, как у мускулолета, добиться их согласованного вращения не так просто.



Схемы с большим количеством винтов обычно используются в небольших радиоуправляемых моделях. Недостаток тот же, что и у двухвинтовой схемы.

Решения

Стоит заметить, что на столь небольших высотах аэродинамика уже не только мешает, но и помогает разработчикам мускульных вертолетов. Поток воздуха, направляемый вниз винтами, отталкивается от пола и создает экранный эффект: позволяющий значительно повысить эффективность вертолета. Правила требовали, чтобы вертолет хотя бы один раз поднялся выше трех метров, но не обязывали оставаться на таком уровне все время, так что не использовать экранный эффект было бы странно.


Первую попытку взять приз предприняла команда из Калифорнийского политехнического государственного университета. В 1989 году эта группа построила вертолет Da Vinci III, который впервые смог оторваться от земли. Он подпрыгнул на двадцать сантиметров, провисел в воздухе восемь секунд и на этом полет закончился. На разработку аппарата выделила деньги авиастроительная компания McDonnel Douglas (сто тысяч долларов), а для расчетов участникам разрешили использовать суперкомпьютер исследовательского центра NASA: но даже с такой серьезной поддержкой задачу разрешить не удалось.


Вид на полностью собранный квадрокоптер Atlas. Фермы, удерживающие винты, практически не видны и теряются на фоне покрытия стадиона, где проводили испытания.


Вид на квадрокоптер вблизи. Перенести вертолет может всего два человека, правда в безветренном помещении. Обратите внимание на обтянутый тонкой пленкой воздушный винт.

Спустя пять лет японские исследователи из Nihon Aero Student Group построили аппараты Yuri I и Yuri II. Они перешли на схему квадрокоптера и поставили новый рекорд: но до приза Сикорского им оставалось еще очень далеко. Результат лучшего полета — всего 19,46 секунды, высота полета 20 сантиметров, снос в сторону больше девяти метров.

Даже этот полет над полом спортзала не смогли повторить затем в университете Нихона (Япония), Высшей технологической школе Монреаля, университете Британской Колумбии, Сайтамском технологическом институте (Япония) и университете Пердью. Сам факт отрыва от поверхности уже можно было рассматривать как выдающееся достижение, повторить которое удавалось далеко не всем даже при наличии грамотных специалистов и финансирования.


Так выглядел первый вертолет, который мог оторваться от поверхности исключительно за счет мускульной силы пилота. 1989 год, Калифорния, США.

Когда в 2009 году резко увеличился размер приза, интерес к подзабытой теме мускульных вертолетов воскрес и работы в этом направлении начали в университете Мэриленда (проект Gamera) и Калифорнийском политехническом государственном университете (проект Upturn).

Учет прошлого опыта позволил обеим командам оторваться от земли, и о возможности получения приза заговорили уже всерьез. Upturn набрал в высоту 60 сантиметров против нужных трех метров, но Gamera II в ноябре 2012 года взлетела на 2,4 метра, продержалась в воздухе 64 секунды и при этом ушла в сторону меньше, чем на десять метров. А за два месяца до этого в гонку включился AeroVelo, средства на постройку которого собирали через сервис KickStarter.


Японский квадрокоптер 1994 года. Внешне имеет много общего с успешной моделью 2013 года, однако время полета и высота с тех пор возросли на порядок.

Команда AeroVelo числит университет Торонто своим «золотым» (передающим больше всего пожертвований) спонсором, а в числе «серебряных» есть немало авиастроительных компаний. Набрав 170 тысяч долларов, канадские инженеры построили свой вариант квадрокоптера, получивший название Atlas. Оптимизации конструкции проходила постепенно в несколько этапов - одна лишь доработка передачи от педалей к винту позволила получить прибавку в мощности около двадцати процентов. Кроме этого трение в системе управления было снижено по сравнению с первоначальным вариантом в несколько раз.

Вращать винты больше минуты конструкция Atlas не позволяла: они связаны с педалями не замкнутыми ремнями или осями, а канатами, намотанными на катушки на осях винтов. Такое решение позволяет пилоту начать взлет с раскручивания катушек большего диаметра, с меньшим передаточным отношением и за счет этого выиграть в силе.




13 июня 2013 года велогонщик, пилот и инженер Тодд Рейчерт раскрутил педали и поднял Atlas в воздух. Вертолет преодолел отметку в три метра и провисел в воздухе больше минуты, оставшись в рамках оговоренного Американским вертолетным обществом квадрата. Спустя месяц о вручении приза объявили официально, причем Atlas при этом не оказался абсолютным рекордсменом по всем характеристикам: Gamera II продержалась в воздухе дольше, целых 74 секунды.

По словам пилота рекордной модели, посадить ее мягко, без повреждений, было даже сложнее, чем взлететь на нем. Но требовать от мускулолета летных характеристик — все равно, что задаваться вопросом о том, может ли болид «Формулы-1» вывезти диван с дачи или обойтись пятью литрами бензина на сто километров. Свое детище AeroVelo строили не для полетов, а для рекорда.

Затраты всех команд в сумме на разработку мускулолетов оказались заметно больше приза, хотя собранная для постройки Atlas сумма была меньше награды. В любом случае, деньги тут не столь важны, как доказательство принципиальной возможности вертикального взлета за счет мускульной силы пилота: пусть даже для этого требуется быть первоклассным велогонщиком.

Во время полета Рейчерт развивал мощность около одной лошадиной силы: это примерно соответствует нагрузке, которую испытал бы человек, поднимающийся по лестнице со скоростью один метр в секунду по вертикали. Или за минуту вбегающий на двадцатый этаж: по этой причине полет можно считать не только инженерным, но и спортивным достижением. Причем с точки зрения раскрытия возможностей человека это более серьезное достижение чем, к примеру, увеличение высоты прыжков или скорости бега: ранее считалось, что люди не могут обеспечить достаточную мощность для вертикального взлета.

После приза

У тех, кто строит и пилотирует мускулолеты, есть еще возможность получить денежный приз: речь идет о премии Кремера в нескольких номинациях. Для ее получения можно пролететь марафонскую дистанцию (42 километра) меньше, чем за час (это принесет команде-победителю 50 тысяч фунтов стерлингов), а можно построить самолет, который сможет пролететь по трассе в виде равностороннего треугольника с длиной стороны 500 метров за семь минут в обе стороны. Последний приз составит уже сто тысяч фунтов, однако для участия в конкурсе придется приехать в Великобританию или на британскую территорию.