Как летают вертолеты намускульном приводе
- Тодд Рейхерт и Кэмерон Робертсон перед стартом «веловертолета» Atlas. Удержаться на хрупкой конструкции — это не меньшее мастерство, чем поднять ее в атмосферу.
Ажурная конструкция занимает половину футбольного стадиона рядом от Торонто.
- Ее крестообразный каркас из углепластиковых трубчатых ферм выглядит практически бесплотным — сходу и не осознаешь, что это законченный механизм. На финише каждой из четырех ферм — двухлопастный винт из пенопласта, бальсы и майлара. А из самого центра данной зыбкой конструкции практически 40 метров в диаметре свисает путаница из узких строп, на которой болтается велосипедная рама
Дабы вертолет смог взлететь на одной лишь мускульной тяге, лопасти пропеллеров должны быть большими.
- На снимке — крытый вертолёт и стадион Atlas, что команда Рейхерта готовит к попытке взлета.
Один из пилотов университетской команды, Колин Гор, крутит педали ногами и руками. Gamera, вертолет, выстроенный в Университете штата Мэриленд, неспешно набирает высоту.
- Второй член команды, Элизабет Вайнер, стоит рядом и дает указания. На ее джинсах наклеены метки с шагом в 30 см — по ним возможно оценивать высоту полета.
Перед нами — вертолет-мускулолет Atlas. В то время, когда на него вскарабкивается Тодд Рейхерт, начальник проекта, под его весом двойная ажурная арка начинает прогибаться и раскачиваться подобно гамаку. Рейхерт кричит: «Внимание!
Отправились!» Четверо студентов производят из рук лопасти винтов и кидаются к центру аппарата, тогда как Рейхерт начинает крутить педали, а пропеллеры — медлительно обрисовывать громадные круги.
Запаса прочности вертолета Atlas массой всего 50 кг чуть хватит, дабы выдержать 75-килограммового пилота и ни килограммом больше. Наряду с этим в машине тысяча различных узлов и стыков, и стоит поломаться хоть одному, как целый аппарат развалится на куски. Рейхерт крутит педали, поймав постоянный ритм. Один из пропеллеров дрожит и отрывается от почвы, за ним — второй. Аппарат легко накреняется, готовясь взлететь.
Но тут кто-то подмечает, что третий пропеллер практически скребет по земле.
Попытка Рейхерта
Atlas — это машина, выстроенная Тоддом Рейхертом для соискания премии Сикорского — кстати, $250 000, не шутка! Деньги достанутся тому, кто первым встанет в атмосферу на вертолете с мускульной тягой. Премия была создана в первой половине 80-ых годов двадцатого века, но в течение долгого времени никто не осмеливался заявить на нее собственные права.
Но в 2012-м премия неожиданно приобрела новый виток популярности. По всей видимости, на данный момент, в то время, когда самолеты обычно летают без помощи человека, опять разгораются страсти около древних фантазий — обучиться летать, не применяя для этого ничего, не считая мускульной силы.
Требования, поставленные перед претендентами на премию Сикорского, выглядят робко. Для победы винтокрылая машина на мускульной тяге обязана, оторвавшись от почвы, продержаться в воздухе 60 секунд, поднявшись на высоту 3 м. Наряду с этим центр аппарата не должен выходить за пределы площадки 10 х 10 м. С 1980 года в атмосферу сумели встать лишь пять вертолетов на мускульной тяге, и ни один не выполнил нужных требований.
Во второй половине 80-ых годов XX века самый первый из них смог продержаться в воздухе 8,6 с. Второй в первой половине 90-ых годов двадцатого века провисел над почвой уже 20 с. В 2011 году студенты из Университета штата Мэриленд затеяли проект называющиеся Team Gamera и к 2012 году систематично совершали «подлеты» длительностью 50 с. Эти удачи вдохнули надежды в зачинателей проекта Upturn, что на данный момент развертывается в Политехническом университете штата Калифорния, равно как и в канадскую команду под управлением Рейхерта.
Конькобежец мирового класса, Рейхерт прочно сложен и потому сам может пилотировать собственный аппарат. Первые эскизы вертолета Atlas он сделал в конце 2011 года, после этого всю зиму совершил за чертежами, прорабатывая подробности. Прошедшей весной посредством совокупности Kickstarter он раздобыл $35 000 на реализацию собственного проекта.
А летом при помощи студентов-добровольцев собрал аппарат в ветхом амбаре.
Atlas радикально отличается от аналогов механизмом управления полетом. Пилот может поменять угол атаки у поворотных крылышек, размещенных над финишами несущих лопастей, и так задавать направление полета. К слову, дабы как возможно продолжительнее сохранять собственную конструкцию в тайне, канадцы старались не светиться в сети.
Как говорит Рейхерт, «еще никто до нас не конструировал совокупность управления для вертолета, летающего на мускульной силе».
30 августа 2012 года Рейхерт смог только частично оторвать собственный аппарат от почвы — это не верно и не хорошо, но времени остается меньше и меньше. Главным препятствием на пути к победе нужно считать не законы физики, а соперников — команду из университета штата Мэриленд, потому, что они также практически дотянулись до заветного приза. В их распоряжении больше денег, больше необязательных ассистентов, да и доводкой собственного аппарата они занимаются намного продолжительнее.
В случае если успех окажется на их стороне — а сейчас это представляется в полной мере возможным, — вся работа Рейхерта отправится насмарку.
Труды Стэрака
В 600 км к югу, на окраине Вашингтона (округ Колумбия) Уильям Стэрак, глава студенческой команды при Университете штата Мэриленд, трудится над собственным летательным аппаратом. Дело происходит в крытом физкультурном зале, и тут собралась дюжина студентов — взглянуть, будет ли зарегистрирован официальный рекорд. Последняя модификация летательного аппарата Стэрака, Gamera II XR, в общем похожа на Atlas.
Четыре углепластиковые фермы расходятся от подвешенного по центру пилотского сиденья к размещенным по периметру двухлопастным винтам.
Единственное отступление от твёрдых требований функциональности — талисман в виде плюшевой черепашки перед сиденьем пилота. Gamera чуть меньше, чем Atlas, чуть полегче и облетана существенно лучше. С 2008 года студенты Мэрилендского университета отрабатывали одну модификацию этого аппарата за второй.
У них уже зафиксированы полеты длительностью более 70 секунд и высотой больше 2,5 м. Не достаточно совсем чуть-чуть.
В отличие от Рейхарта, 24-летний Стэрак — инженер, а не спортсмен. Он с деловым видом расхаживает по спортплощадке, что-то с кем-то обсуждает, контролирует какие-то узлы. Он пытается не к личной славе и не к достатку — всю призовую сумму передадут в ректорат. «Мы боремся не за персональный успех, а за честь отечественного университета», — говорит Стэрак.
Большинство технических неприятностей проистекает из того факта, что вертолет принципиально далек от хоть какой-то энергоэффективности. «У вертолета тяга должна быть направлена вертикально вверх, другими словами пилот обязан тащить в вертикальном направлении целый вес аппарата и свой вес, — говорит Стэрак. — Из этого направляться, что на полет вертолета с мускульным приводом нужно затратить в несколько раз больше энергии, чем на полет подобного самолета».
Мысль, положенная в базу обоих проектов, незамысловата. В случае если нам нужна тяга, мы можем выбрать два варианта: или отбрасываем маленькие порции воздуха, но с громадной скоростью (это происходит в реактивном двигателе), или же воздействуем на громадные воздушные веса, придавая им только незначительный импульс (так трудятся узкие и долгие крылья планера). Второй вариант обещает больший КПД — это и предопределило огромные размеры аппаратов Atlas и Gamera.
В случае если мы желаем взлететь, располагая очень скромной мощностью, мы должны влиять на громадные количества воздуха, медлено направляя их вертикально вниз.
Вторая задача пребывает в том, дабы громоздкий аппарат сделать максимально легким, поскольку его необходимо поднять в атмосферу, применяя для этого очень маломощный источник энергии — человеческие мускулы, другими словами чуть ли 0,5 л.с. Как раз из-за данной неприятности премия Сикорского весьма долго не обнаружила соискателей.
В 2000-х показались новые конструкционные материалы, разрешающие строить легкие аппараты невиданных ранее достаточной прочности и размеров. Везде стали дешёвы замечательные компьютеры — с их помощью стало возмможно моделировать сложные аэродинамические потоки и разбирать данные, взятую с закрепленных на вертолете датчиков.
Уже давно, в то время, когда Стэрак совместно со своей командой приступил к созданию первого прототипа Gamera, он практически сходу вышел за пределы областей, достаточно проработанных современной аэродинамикой. В то время, когда вертолет лишь отрывается от почвы, ему оказывает помощь экранный эффект: крылья, скользящие над самой почвой, обретают дополнительную подъемную силу за счет повышенного давления под нижней плоскостью.
Эффект оказывает помощь аппарату оторваться от почвы, но не хорошо поддается математическому моделированию. Объективно итог возможно оценить лишь экспериментальным методом.
В конструкциях Atlas и Gamera чувствуется творческий почерк их создателей. Пропеллеры вертолета Gamera приводятся в перемещение и руками, и ногами пилота. В следствии упрочнения, прилагаемые человеком, более медлено распределены, сглажены импульсы, конечно появляющиеся, в то время, когда пилот поочередно давит на педали ногами.
В аппарате Atlas привод реализован лишь от одних педалей, но руки пилота свободны, и он может руководить поворотными закрылками.
На взлет!
Возвратимся в Торонто. Команда Atlas уже справилась с переналадкой летательного аппарата, и Рейхерт приступает к последней предполетной проверке — в течение 60 секунд он крутит пропеллеры, убеждаясь, что механика достаточно сбалансирована. Машина готова, да и время поджимает: Рейхерт снял в аренду стадион только до пяти часов вечера.
В 16:30 он забирается в скелет собственного аппарата. В один момент все восемь лопастей начинают обрисовывать круги. Пропеллеры на секунду отрываются от неестественной травы, но «всплывают» новые неполадки, и через пара секунд вертолет садится на место.
Пускай победа пока не завоевана, но еще раз удалось избежать неожиданной аварии.
Тем временем на юге, в Мэриленде, дела также идут своим чередом. К вечеру спортзал охвачен лихорадочной деятельностью — Gamera, наконец, готова к полету. Четверка, удерживавшая пропеллеры, производит лопасти и отбегает к стенкам спортзала.
Пропеллеры раскручиваются, и за считанные секунды Gamera взлетает на высоту людской роста.
Возможность при каждом полете сажать в седло нового, не измученного пилота разрешает вести запуск за запуском, и студенты настойчиво, ход за шагом, приближаются к заветной цели. Тут же присутствует и наблюдатель от NAA (Национальной ассоциации воздухоплавания), имеющий полномочия зарегистрировать рекорд, если он будет поставлен. При каждой попытке представитель измеряет достигнутую высоту, сравнивая ее с меткой на стене зала.
Помимо этого, он сопоставляет видеокадры, снятые под различными углами, и контролирует эти от ультразвуковых высотомеров, установленных на каждой посадочной опоре.
Но любой раз, в то время, когда пилот неспешно сокращает обороты и начинает снижать аппарат, вертолет неуклонно скользит в сторону. Приступая к разработке рекордного аппарата, студенты полагали, что требование соучредителей приза по поводу площадки 10 х10 м, из которой аппарат не должен вылетать, будет самой тривиальной частью неспециализированной задачи. Исходя из этого они не снабдили собственный вертолет никакими управляющими устройствами.
Сейчас же эта неприятность вылезла наружу и угрожает провалом всему их предприятию.
В семь вечера Gamera увеличилась до рекордной для себя высоты — 265 см — и сумела приземлиться, не выехав за рамки предписанного квадрата. Приз Сикорского, думается, уже в руках у студентов. Но в 9 часов пришла беда: из-за твёрдого приземления хрустнула одна из ферм, и сейчас вертолет на долгое время привязан к почва.
Целый следующий сутки команда спешно чинит аппарат, и вдобавок через сутки один из студентов поднимает геликоптер на высоту 2 м 82 см. До показателя, заявленного соучредителями приза, осталось чуть-чуть. Действительно, неприятность с управлением никуда не провалилась сквозь землю. В ходе спуска машина опять скользит в сторону, причем стремительнее, чем это было раньше, и в момент приземления ломается еще одна ферма.
Пострадавших нет, но работы над проектом тормозятся , пока студенты не разберутся с проблемой неуправляемости.
А на севере, в Торонто, к концу уикенда Рейхерту удается совершить полноценный взлет и продержаться в воздухе 15 секунд. Затем он также прекращает предстоящие опробования. Ему необходимо подготавливаться к будущим гонкам безмоторных аппаратов, каковые должны пройти в штате Невада, а затем их ожидает работа над орнитоптером.
И те и другие участники этого состязания не слишком-то огорчены тем фактом, что по окончании 32-летнего ожидания премия Сикорского до тех пор пока еще никому не досталась. Неожиданная отсрочка с финалом драмы лишь прибавила энергии всем ее действующим лицам. Любой из них сознает, что в любую секунду соперники смогут перехватить данный приз и положить финиш 32-летней гонке.
Для победителя она завершится всемирный славой, а для остальных участников — всего лишь грудой никому не нужного хлама. Кто смел, тот и съел — так уж устроен данный мир.
Парение на мускульной тяге
- Технические ответы, положенные в базу вертолета Gamera
1. Пилот Для вертолета Gamera пилоты подбираются строго по силовым характеристикам и весу. В команду берут велосипедистов массой не более 60 кг. Наряду с этим от них требуется, дабы в течение 60 секунд они имели возможность, трудясь ногами и руками, выдавать мощность не меньше 8 Вт в пересчете на килограмм веса.
2. Педали
Дабы мощность подавалась равномерно, а не только в момент, в то время, когда нога нажимает на педаль, пилот параллельно трудится и руками, и ногами. Отрицательная сторона для того чтобы решения пребывает в том, что у пилота заняты руки и ему нечем руководить вертолетом.
3. Фермы
Чтобы получить большую прочность при минимальном весе, крестовые ферменные балки сделаны из миниатюрных ажурных фермочек. Их материал — углепластик, укрепленный полимерной смолой. Разработка изготовления таких ферм запатентована Университетом Мэриленда.
4. Ступицы
Трансмиссия мускулолета трудится лишь в одну сторону. Пилот крутит педали ногами и руками, и тянущаяся от них струна длиной приблизительно 50 м разматывается со шкивов, расположенных над каждой ступицей. Перематываясь со шкива на шкив, струна заканчивается по окончании 90 секунд работы.
5. Лопасти пропеллеров
Каждую лопасть изготавливали вручную. Для этого употреблялась пленка-майлар, которой обтягивали нервюры из вспененного полистирола, укрепленные ребрышками из бальсы. Широкая в основании лопасть дает громадную подъемную силу и снабжает достаточную жесткость.
Статья «Дуэль на пропеллерах» размещена в издании «Популярная механика» (№127, май 2013).
<
h4>