Создан мускульный вертолет, существование которого считалось невозможным

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

Приз имени Игоря Сикорского Американское вертолетное общество учредило в 1980 году. Награду назвали в честь русского авиаконструктора, который эмигрировал в США и создал там компанию  Sikorsky Aircraft , ставшую производителем вертолетов. Чтобы получить престижный приз, необходимо было построить оригинальный вертолет, способный выполнить в том числе эти три условия:

1) аппарат должен оставаться в квадрате десять на десять метров (если его собственная площадь больше, то условие касается его центра);

2) аппарат должен подняться на высоту три метра и выше и продержаться в воздухе хотя бы минуту;

3) аппарат должен приводиться в действие исключительно мускульной силой человека: для обеспечения его работы нельзя использовать какие-либо устройства накопления энергии (скажем, раскрученный маховик или, тем более, электрические аккумуляторы с подзарядкой от генератора с педальным приводом).

(полный перечень условий в конце статьи)

В 2009 году призовая сумма выросла сразу до 250 тысяч долларов, и к работе подключились три новые группы. Одной из них в итоге и удалось выполнить все требования и решить задачу, казавшуюся непреодолимой.

Эта история началась более тридцати лет назад, в далеком 1980 году. Давно уже были просчитаны и сведены в таблицы коэффициенты подъемной силы для различных профилей как крыла, так и винтов. Еще раньше была просчитана мощность, которую может развить человек как в пике, так и на протяжении некоторого времени. И по всем вычислениям получалось, что вес известных и доступных на то время материалов превышал допустимый, при котором могла бы быть изготовлена конструкция, на которой бы можно было бы (с использованием исключительно мускульной силы человека) взлетать с места на высоту большую человеческого роста, зависать в воздухе в течение какого-либо разумного времени (а не в прыжке), и приземляться без особого удаления от места взлета.

Нет, разумеется, при использовании накопителей энергии, даже механических — от пружин, и до маховиков все это было не проблемой — но вот чтобы так, просто вращая какой-либо привод силой рук или ног, иными словами, сделать веловертолет и взлететь — нет, решительно невозможно. Человек — весьма слабое существо, в отличие от той же лошади, выдающей в кратковременном пике десяти-пятнадцати секунд мощность в десяток, а то и пятнадцать лошадиных сил. Максимум, что он может выдать, и то — в течение пары секунд — около киловатта, ну полторы лошадиных силы. В течение 10 секунд — около одной. А если речь идет о большем времени, хотябы сравнимым с минутой — то хорошо, если с пол-лошадиных силы наберется. Сами представьте: десяток обычных письменных столов высотой в один метр, у каждого — лежит по штанге весом 75 кг, т.е. тоже десяток. Задача — за 10 секунд, по секунде на штангу — поднять все штанги с пола, и положить их на столы. Получилось? Поздравляю, вы развили как раз одну лошадиную силу.

Поэтому не удивителен тот факт, что тому, кто первый создаст вертолет на мускульной тяге, отвечающий заданным условиям  — присуждался приз, учрежденный Американским вертолетным обществом, и названным в честь Игоря Сикорского, одного из основателей общества, и одного из первых конструкторов вертолетов. А размер — ни много-ни мало — четверть миллиона долларов. И вот, спустя 33 года после начала конкурса — приз наконец-то выигран.

Da Vinci III

Конструкторы мускулолетов столкнулись с задачей, которую в свое время пришлось решать изобретателям первых традиционных вертолетов. А именно — как-то компенсировать вращающий момент. Если у аппарата будет всего один винт, то его вращение в одну сторону приведет к тому, что двигатель вместе с корпусом начнут вращаться в другую. Чтобы избежать этого, вертолеты оборудуют либо компенсирующим боковым винтом на хвостовой балке, либо несколькими несущими винтами: используются как варианты с вертикальным расположением, так и комбинации нескольких винтов в горизонтальной плоскости.

Правила премии Сикорского требовали, чтобы вертолет хотя бы один раз поднялся выше трех метров, но не обязывали оставаться на таком уровне все время. 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. Деньги на разработку аппарата выделила авиастроительная компания McDonnel Douglas (100 тысяч долларов), а для расчетов участникам разрешили использовать суперкомпьютер исследовательского центра NASA: но даже с такой серьезной поддержкой задачу разрешить не удалось.

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 все же до приза Сикорского не дотянули существенно. Вот результаты их лучшего полета: продолжительность — 19,46 секунды, высота полета — 20 сантиметров, снос в сторону — больше девяти метров.

Но даже этот полет над полом спортзала не смогли затем повторить в университете Нихона (Япония).

Схематическое изображение Da Vinci III Рисунок:  NASA Винт первого оторвавшегося от земли мускульного вертолета приводился в движение двумя винтами меньшего радиуса.

проект Upturn

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

11 мая 2011 года была предпринята попытка завоевать приз Сикорского.

На проектирование и постройку «Гамеры» ушло два года. В качестве материалов использовались традиционные для подобных конструкций лёгкие бальса, углеволокно, майлар и пенопласт.

Летающая машина из Мэриленда оснащена винтами на каждом из четырёх концов её Х-образной рамы. Место пилота находится посередине. Каждая перекладина рамы достигает 18,3 метра в длину. Диаметр каждого ротора — 12,8 м.

Вместе со своим пилотом аппарат весит примерно 95 килограммов (сама машина тянет чуть больше, чем на 45 кило, пилот — около 49). Человек вращает подъёмные винты при помощи ручного и ножного педального привода. Усилие на лопасти передаётся через цепи, шестерни, шкивы и струны.

Хотя введение дополнительного силового привода от рук усложнило вертолёт, команда посчитала, что таким способом можно получить порядка 10% от суммарной мощности, а в сочетании с тренировками пилота — нарастить тягу мускульного аппарата.

Кроме того, ометаемая площадь несущих винтов новой машины на 70% больше, чем у лучших мускульных вертолётов — предшественников.

Наконец, авторы аппарата расположили его лопасти поближе к земле, чтобы использовать экранный эффект.

Пилотом выступила аспирантка университета Мериленда Джуди Векслер (Judy Wexler) — биолог и тренированный велосипедист, откликнувшаяся на предложение студенческой команды помочь в установлении мирового рекорда.

Перед попыткой взлёта Векслер разогревалась на велосипеде (фото Matt McClain/Washington Post).

Первый запуск «живой машины», предпринятый утром 11 мая, закончился поломкой аппарата. Университетская команда на месте починила «Гамеру», и штурм приза Сикорского продолжился.

По информации Washington Post, в ходе лучшей из целой серии попыток взлёта Джуди сумела разогнать роторы своей машины до 16 оборотов в минуту, но от земли аппарат так и не оторвался. По оценке команды, скорость винтов для обеспечения отрыва должна составлять 17-18 оборотов в минуту.

Джуди отметила, что ей трудно было подобрать верный темп набора скорости: мол, если наращивать обороты слишком медленно — тратишь драгоценные силы, а слишком быстро — в «воздушной» конструкции вертолёта можно что-нибудь сломать (фотографии Matt McClain/Washington Post, AP/Jose Luis Magana).

В конце концов даже зрители устали ждать и разошлись. Было решено сделать перерыв и продолжить попытки на следующий день. По московскому времени это будет вечер 12 мая.

«Если мы даже просто оторвёмся от земли, то будем номером три, — заявил один из создателей машины Брендон Буш (Brandon Bush). — Мы просто должны сделать это». Похоже, о трёх метрах высоты полёта речи уже не идёт

Washington Post сообщила, что  «Гамера» наконец-то оторвалась от земли!

Высота полёта была небольшой, продолжительность — около четырёх секунд. Это бесконечно далеко от требований приза, но команда из университета Мэриленда празднует победу. «Гамера» стала третьим в истории вертолётом на мускульной тяге, сумевшим подняться в воздух и первым, пилотируемым женщиной.

Учет накопленного 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.

Yuri I в сборе Фото:  humanpoweredhelicopters.org Японский квадрокоптер 1994 года. Внешне имеет много общего с успешной моделью 2013 года, однако время полета и высота с тех пор возросли на порядок.

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.

Во время полета Рейчерт развивал мощность около одной лошадиной силы: это примерно соответствует нагрузке, которую испытал бы человек, за минуту вбегающий на двадцатый этаж: по этой причине полет можно считать не только инженерным, но и спортивным достижением. Ранее считалось, что люди вообще не могут обеспечить достаточную мощность для вертикального взлета.

У тех, кто строит и пилотирует мускулолеты, есть еще возможность побороться за денежный приз: речь идет о премии Кремера, обещанной сразу 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 сумеет 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 этом конкурсе  придется приехать в Великобританию или хотя бы оказаться на территории британского доминиона.

Да, то что у них получилось — это, конечно, не вертолет на педалях. Если быть совсем точным, то это — квадракоптер на мускульной тяге,  и назвать его «мускульный вертолет» можно с большой натяжкой. Но это никак не умаляет их заслуг, ведь все условия, перечисленные в правилах — были соблюдены. А какие же именно? Попробуем разобраться. Некоторые организационные пункты опустим (как заявки подавать, и т.д.). В скобках — мои комментарии.

Итак, поехали.

Пункт 1.1 — необходимо быть первым , кто удовлетворит всем условиям. Ну а как иначе?

Ну а что касается самого летательного аппарата?

Пункт 4.1.1 — он должен быть тяжелее воздуха, использование газов легче воздуха — (ни в виде воздушных шариков, ни закачиваемых в лопасти) — не допускается ни в каком количестве.

4.1.2 — аппарат должен быть с хотя бы одним вращающимся винтом, обеспечивающим подъемную силу (но число винтов не ограничено — это может быть как вертолет на мускульной тяге, так и квадракоптер). При этом допустимо, чтобы экипаж состоял как из одного, так и из нескольких человек. Однако, хотя бы один человек не должен вращаться вокруг своей оси, иными словами — если пилот один — то он должен сидеть неподвижно, и может лишь перемещаться вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад, но не вокруг своей оси. Если в экипаже несколько человек — то хотя бы один из них должен соответствовать этому условию.

4.1.3 — аппарат должен управляться экипажем и работать на мускульной силе тяги экипажа во время всего полета, включая раскрутку винта для отрыва от земли.

4.1.4 — устройства, запасающие энергию, и выдающие ее как в ходе взлета, так и в ходе полета — полностью запрещены. Вращающиеся аэродинамические компоненты, как то: лопасти несущего винта, лопасти винта управления полетом — исключаются из определения устройств, запасающих энергию (хотя в каком-то смысле таковыми являются).

4.1.4.1 — не допустимо использование маховиков в качестве устройств, участвующих непосредственно в цепи передачи усилия от члена экипажа к вращающимся винтам. Однако они могут быть использованы в качестве устройств, стабилизирующих полет, если будет доказано, что они не используются для передачи энергии к вращающимся винтам, и не используются для запаса энергии, пока винты не вращаются.

4.1.4.2 — в конструкции летательного аппарата не допустимо использование любого типа батарей/аккумуляторов, которые полностью или частично отдают энергию вращающимся винтам. Если батареи используются в конструкции для чего-либо иного — то должно быть доказано, что они не входят в цепь питания двигательной установки.

4.1.5 — ни какая из частей/деталей летательного аппарата не может быть отстыкована и сброшена (на манер отработавшей ступени ракеты) как во время раскрутки винтов, так и во время всего полета.

Теперь касательно экипажа:

4.2.1 — экипаж — это команда (или один человек), которые находятся внутри аппарата во время взлета и полета. Число человек в экипаже не ограничено.

4.2.2 — ни одному члену экипаже не позволяется покидать аппарат, или заходить на него во время взлета и полета.

4.2.3 — ни один из членов экипаже не имеет права принимать допинг, или другие стимулирующие средства перед полетом или во время его. Перед совершаемой попыткой все члены экипажа должны предоставить результаты допинг-тестов, показывающих отсутствие в их организмах стимулирующих средств.

4.2.4 — до четырех стоек, или наземных членов команды могут помогать экипажу стабилизировать летательный аппарат во время взлета и посадки. Однако они не имеют права прикладывать усилия для ускорения вращения винтов,  или наоборот — их замедления.

Все попытки, включая отрыв и полет должны начинаться от уровня земли (а не с табуретки), и проводится при силе ветра не превышающем 1 м/с (а то знаем мы вас, сейчас воздушных змеев понаделаете за двести пятьдесят кусков зелени-то…)

Ну и самое важное — какие же характеристики полета должны были быть достигнуты?

4.4.1 — Полет должен происходить в течение не менее одной минуты. В течение этой минуты, летательный аппарат должен «зависнуть на месте», а конкретнее — не должен покинуть очерченного квадрата с длиной стороны 10 метров. Также во время полета он должен хотя бы на мгновение достичь высоты полета в три метра (отдельно отмечу — что он не постоянно должен болтаться на высоте 3 м в течение всей минуты, как пишут некоторые обозреватели, а всего лишь хотя бы на секунду ее достичь).

4.4.2 — с момента взлета и до момента посадки аппарат должен находится в полете, и не допускается даже касания любой из частей аппарата земли.

4.4.3 — на не вращающейся части аппарата должна быть референская точка, по которой бы легко можно было бы определить, что эта часть не покинула 10-метрового квадрата.

4.4.4 — в случае, если полет будет продолжаться больше минуты, и хотя бы на мгновение достигнет высоты в три метра (но выйдет за пределы квадрата), то это будет записано, как мировой рекорд, но не приведет к присуждению приза Сикорского.

Требования приза (PDF-документ)

источники
http://lenta.ru/articles/2013/07/17/muscleflight — Алексей Тимошенко
http://chewriter.ru/tehnologii/muskul-ny-j-vertolet-priz-sikorskogo-nakonets-to-vruchen.html
http://www.membrana.ru/particle/16126

Ну и раз уж речь зашла о вертолетах, давайте я вам напомню еще что нибудь интересное: Полусамолет или полувертолет  или вот интересный Складной вертолет Ка-56

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия - http://infoglaz.ru/?p=31401