Монокоптер: вертолет содной лопастью
Многие из нас в юные годы запускали кленовые крылатки с балкона. Вместо того дабы падать вертикально вниз, таковой плод планирует, скоро вращаясь, совершенно верно вертолетный винт. Данный эффект основан на удлиненном сухом околоплоднике, аэродинамические особенности которого сходны со особенностями лопасти пропеллера.
Само собой разумеется, глядя на крылатку, человек не имел возможности не поразмыслить: нужно применить данный принцип в механике!
Действительно, практика продемонстрировала — что прекрасно для природы, то совсем не обязательно прекрасно для рукотворной техники. Так или иначе, 14 января 1910 года французские инженеры Альфонс Папен и Дидье Руилли представили перед Французской академией наук проект летательного аппарата, принципом и формой действия напоминавшего крылатку белого клена.
На заре авиастроения интерес к уникальным проектам был очень велик, потому, что угадать, какой из бессчётных воздухоплавательных правил «сработает», было достаточно тяжело. В итоге уже годом позднее Папен и Руилли взяли финансирование от армейских, потому, что армия неизменно первой подхватывала перспективные проекты, — и принялись за дело.
Траектория куколки
- Chrysalide («Куколка») Единственный когда-либо выстроенный в натуральную величину хороший монокоптер, теоретически талантливый поднять человека. Если бы его создатели, Папен и Руилли, нашли средства на более замечательный двигатель, «Куколка» имела возможность бы встать в атмосферу — в аэродинамическом замысле она была вычислена правильно.
Для взлета требовалась частота вращения 60 об/мин
Природная задача крылатки достаточно несложна. сложность траектории и Замедление падения разрешают семени-вертолету улетать существенно дальше от материнского дерева, нежели, к примеру, желудю либо каштану. Для чего это необходимо в технике? Так как стабилизировать траекторию полета монокоптера поразительно тяжело, потому, что лопастью в нем помогает целый корпус.
Плюс ко всему, в случае если монокоптер несет на себе человека, нужно каким-то образом обеспечить неподвижность кабины и достаточную стабильность аппарата при нахождении в воздухе. В общем, задача думается нетривиальной, значительно более сложной, нежели при с вертолетом простой схемы.
Однако неоспоримые плюсы у монокоптеров имеется. Во-первых, они, подобно автожирам, не упадут на землю при отказе двигателя, а спланируют на авторотации. Во-вторых, монокоптер складывается из небольшого количества элементов, причем подвижных среди них — раз, два и обчелся, и потому его надежность высока; кроме того столкновение с другим летательным аппаратом и легкие повреждения, нанесенные корпусу-крылу, разрешат монокоптеру пролететь еще некое расстояние, к примеру, до базы.
На последнее преимущество и купились французские армейские.
- Chrysalide («Куколка»)
Творение Папена и Руилли стало называться Chrysalide («Куколка»), а сам класс аппаратов, защищенный двумя европейскими и одним американским патентами, — Gyroptere (гироптер). Необычный вертолет имел одну огромную полую лопасть длиной 17 м и по конфигурации был фактически один в один скопирован с кленовой крылатки. Лопасть размешалась с одной стороны от кабины пилота, с другой она уравновешивалась силовым агрегатом, 9-цилиндровым ротативным двигателем Rhone мощностью 80 л.с. — для того времени весьма много.
Фактически, не считая звездообразного ротативного двигателя, другого варианта не было: в таком агрегате цилиндры вместе с картером вращаются около неподвижного коленчатого вала. Rhone «выдавал» 1200 об/мин и вращал вентилятор, нагнетавший вовнутрь лопасти воздушное пространство. Из выгнутого финиша лопасти струя выходила со скоростью порядка 100 м/с, приводя целый аппарат во вращение.
Пилот «Куколки» размешался в центре весов между вентилятором и крылом — это разрешало стабилизировать его положение. Направление полета задавалось воздушной струей: часть нагнетаемого воздуха отводилась в поворотный воздухопровод, соединенный с рулем.
Так или иначе, к 1913 году «Куколку» выстроили, не смотря на то, что неприятностей выяснилось множество: в частности, технологии того времени не разрешали обеспечить достаточную прочность конструкции, да и положение пилота выяснилось не столь стабильным, как следовало из расчетов. Плюс ко всему началась Первая мировая, и полевые опробования сумели совершить только 31 марта 1915 года на маленьком озере в департаменте Кот д Ор.
Вдобавок ко всему другому оказалось, что мощности мотора катастрофически не достаточно — монокоптер вращался с частотой всего 47 об/мин, не смотря на то, что согласно расчетам для взлета требовалось как минимум 60 об/мин. Закончилось опробование безрадосно: пилота начало закручивать и трясти, он сумел каким-то образом спрыгнуть в воду, по окончании чего «Куколка» заглохла, перевернулась — и затонула, не обращая внимания на то что ее основанием был полый поплавок.
- Chrysalide («Куколка»)
К несчастью, при опробованиях находилась военная рабочая группа, другими словами представители «спонсора». Средства были отозваны, а разработку советовали прекратить. В военное время стране было не до экзотики, Папен и Руилли трудились на благо отечества в совсем вторых областях.
Но, «Куколку» инженеры из озера подняли, а в 1917 представили новый проект облегченного гироптера — действительно, денег на его создание правительство уже не выделило. Поиски финансирования незадачливые изобретатели продолжали аж до 1936 года.
Кому нужен монокоптер?
Но кроме того если бы на «Куколку» был установлен более замечательный двигатель (как и планировалось изначально), кроме того если бы она взлетела — вряд ли монокоптеры нашли бы собственную нишу в мировом авиастроении. Летный бум 1910-х годов разрешил прогрессу идти семимильными шагами: уже к концу Первой Мировой армии всех воюющих стран были оснащены самолетами, достаточно идеальными и скоростными, дабы творение Папена и Руилли осталось только историческим курьезом.
Казалось, возвращаться к схеме крылатки нет никакого смысла. Через чур громоздкая и сложная конструкция с низкой грузоподъемностью может служить разве что для наблюдения, но сейчас эту функцию везде делают дроны Стоп! Дроны?
А это мысль!
Вправду, в случае если полноразмерный монокоптер, обязанный выдерживать человека, выясняется чрезмерно неудобным и ненадежным, то для маленького дрона-наблюдателя подобная схема думается чуть ли не оптимальной. В случае если сравнять размеры робота с размерами прототипа — кленового плода, то окажется, что у беспилотных монокоптеров весьма хорошее будущее. В 2006 году, спустя практически век по окончании французов, об этом задумались эксперты компании Lockheed Martin.
Мелкие машинки
Само собой разумеется, во всем замешано агентство DARPA — кто же еще! 10 июля 2006 года было заявлено, что Lockheed Martin взяли хорошей грант на разработку монокоптера в рамках программы nano air vehicle (NAV). Итоговая конструкция по техзаданию обязана весить не более 20? г и иметь не более 15? см по большому размеру; помимо этого, клиенты из DARPA указали и минимальную скорость наноразведчика — 36 км/ч, что думается открыто фантастическим.
Изначальный прототип, рассчитанный на компьютере, вправду имел размеры кленовой крылатки — 5-сантиметровая лопасть и маленький реактивный двигатель, вращающий устройство с частотой порядка 15?000 об/мин. Плюс, само собой разумеется, оборудование: сенсоры, камеры, коммуникационное устройство, и все это каким-то прекрасным образом вмещается в совокупность, суммарная масса которой образовывает всего 10 г.
Но время шло, а сделать расчетную конструкцию в пластике не получалось. В итоге монокоптер Lockheed Martin проиграл сопернику — устройству называющиеся Nano Hummingbird (другими словами «колибрилету»), созданному в рамках того же заказа компанией AeroVironment. 19-граммовая законченная модель махолета, «срисованного» с колибри, была представлена зимний период 2011 года, тогда как монокоптер до сих пор находится в разработке.
На сегодняшней стадии протяженность его лопасти достигла 17 см; действительно, на выставках значительно чаще демонстрировался более большой экземпляр с 40,6-сантиметровым крылом; на нем тестируется и совокупность управления.
- Samarai
В первый раз дрон от Lockheed Martin, взявший в итоге наименование Samarai, был продемонстрирован в августе 2011 года на выставке AUVSI (Интернациональной ассоциации конструкторов беспилотников). Запросы DARPA до тех пор пока что остались невыполненными: в придачу к чрезмерной длине дрон еще и весит 227 г, не смотря на то, что камеру держит в полной мере исправно. Реактивный двигатель в итоге заменили электрическим — с пропеллером, расположенным на законцовке лопасти.
Но пока Lockheed Martin бьется над сложной задачей, троица свободных инженеров из Мэрилендского университета выстроила собственный дрон-монокоптер The Ulrich Flyer (или иначе — Robotic Samara, окончательного заглавия еще нет). Правильнее, целых три дрона, последний из которых имеет всего лишь 7,5-сантиметровое крыло, — думается, у ребят из также значительные неприятности в плане борьбы. Нужно сообщить, компания и Ульрих трудились над монокоптером также довольно давно, с 2007 года.
Принцип работы The Ulrich Flyer такой же, как и у Lockheed Martin Samarai, другими словами имеется крыло в форме крылатки и импеллер на его законцовке. Вот лишь у мэрилендцев оказалось (практически — по крайней мере по размерам) вложиться в технические требования клиента.
Дроны-наблюдатели, сделанные по схеме монокоптера, хороши тем, что в них фактически нечему ломаться. Не считая маленького электродвигателя с пропеллером, в них нет ничего подвижного. Действительно, до сих пор стоит неприятность стабильного управления монокоптерами — но в случае если DARPA в дальнейшем будет выделять миллионы долларов на подобные разработки, нет сомнений, что ученые преодолеют все преграды.
- Беспилотный монокоптер-шпион The UlrIch Flyer (первая версия), созданный студентами Мэрилендского университета, в сравнении с крылаткой. На дальней от нас оконечности — двигатель с пропеллером, на ближней — противовес
Беспилотникам — ?дорогу!
Сейчас нет ничего, что показывает на какие-либо возможности для пилотируемых монокоптеров. Попытка Папена и Руилли была весьма хороша для 1910-х — но, по всей видимости, окончательно отбила у инвесторов желание вкладывать средства в подобные проекты. Тестовый вертолет B? lkow Bo-103 был создан в первой половине 60-ых годов двадцатого века лишь для тестирования стеклопластикового профиля лопасти — никак не для серии.
А вот беспилотники имеют все шансы без шуток обосноваться на современном рынке армейских дронов-наблюдателей.
Дроны-монокоптеры постоянно казались увлекательной концепцией. Известен последовательность разработок Чарльза Маккатчена, строившего подобные модели в 1950-х; потом монокоптеры строили моделисты из СССР, Румынии, США, во второй половине 80-ых годов двадцатого века моделист Кори Клайн первым сконструировал монокоптер с ракетным двигателем. Сейчас имеется множество моделистов, создающих копии направляться Маккатчена (McCutchen Machines) и собственные совокупности, а доктор наук Кентского университета (Огайо) кроме того выпустил по подобным моделям монографию.
При должной компактности к монокоптеру возможно смело прикрепить кроме того весьма дорогое оборудование (камеры, датчики), потому, что он не имеет возможности упасть кроме того при отказе двигателя, да и по большому счету теоретическая надежность монокоптера высока. Создатели Robotic Samara приводят и еще один довод в пользу дронов-наблюдателей однолопастной конфигурации: подобный робот вращается пара сотен раз в 60 секунд, любой раз фиксируя панорамную картину и, так, собирая максимально вероятную данные об окружающей обстановке.
Простому дрону для получения для того чтобы же количества необходимо разворачиваться, заходить на виражи и т.?д. Действительно, остается решить вопрос стабилизации, но при современном уровне разработок все вероятно. И самое увлекательное, что шансы со-здать трудящийся и управляемый дрон-монокоптер у серьёзной-организации и любителя моделиста наподобие Lockheed Martin приблизительно равны.
Особенно в случае если DARPA выделит на это нужные средства.
Опытный образец
- Bolkow Bo-103 в большинстве случаев не относят к монокоптерам из-за обыкновеннои? вертолетнои? компоновки. Однако лопасть у ВО-103 одна-единственная.
И, в отличие от Chrysalide, он способен летать.
Как ни необычно, существовало еще пара проектов полноразмерных монокоптеров либо как минимум родных к ним автомобилей, кроме экзотического Chrysalide. Самыми известными подобными разработками были экспериментальный германский вертолет B? lkow Bo-102 Helitrainer и его развитие — Bo-103, созданный в начале 1960-х. Действительно, Bo-102 ни при каких обстоятельствах не летал, потому, что изначально был спроектирован как тренажер для пилотов, укрепленный на подвижной раме.
На базе тренажера и создали 103-ю модель — уже полноценный вертолет, оснащенный очень необычным винтом.
- Bolkow Bo-103
У него была лишь одна рабочая лопасть длиной 6,57 м, с противоположной стороны уравновешенная противовесом. 400-килограммовая машина удачно поднялась в воздух 14 сентября 1961 года и продемонстрировала очень приличную стабильность: пилот-испытатель а также демонстрировал на ней полет «без рук». В принципе, главной задачей Bo-103 было опробование стеклопластиковой лопасти — легкой и прочной. Для серийного производства монокоптер не предназначался.
Прототип дошел до наших дней и хранится в авиационном музее города Бюкебурга.
Статья «На одном крыле» размещена в издании «Популярная механика» (№128, июнь 2013).
<
h4>