Нановертолет с одной лопастью

Крохотный летательный аппарат вращается в полете как семечко клена, да и размерами ненамного его превышает… И что это может быть? О-о-о, это вполне может быть очередной микродрон — беспилотный аппарат типа монокоптера или "монокрыла", то есть вертолет всего лишь с одной лопастью! Хотя данная идея, как и следовало ожидать, совсем не нова…

Фото:

Кленовые семена, наверное, видели все. И все знают, что вместо того, чтобы камнем падать на землю такое семечко в воздухе планирует, да ещё при этом и вращается вокруг своей оси точно вертолетный винт, вот только лопасть у него всего одна. Почему так? Да потому, что мать-природа в отличие от человека очень экономна, и явно не посчитала что там, где можно обойтись одной лопастью, нужно ставить две! Конечно, глядя на крылатку, человек не мог не подумать: а как бы и ему применить этот принцип для своих летательных аппаратов! Вот только уже не раз бывало так, что хорошее для природы, далеко не всегда было столь же хорошо для человека.

Как бы там ни было, а случилось так, что 14 января 1910 года французские инженеры Альфонс Папен и Дидье Руилли представили перед Французской академией наук проект летательного аппарата, своей формой и принципом действия напоминавшего крылатку белого клена. На заре авиастроения интерес к оригинальным проектам был очень велик, поскольку трудно было сказать заранее, что будет лучше две лопасти или одна. Проект Папена и Руилли взялась финансировать армия, и дело закипело.

Природная задача крылатки очень проста: во-первых, замедлить падение семечка, а во-вторых, улететь подальше от материнского дерева, чем это, к примеру, требуется семенам той же вишни, желудю или каштану. Ну, а летательному аппарату сделанному по этому принципу гарантирована большая, чем у традиционного вертолета, простота. Правда, при этом труднее стабилизировать траекторию полета самого монокоптера, и обеспечить неподвижность кабины пилота. Зато при отказе двигателя такой "винтокрыл" никогда не разобьется, а спланирует на землю в режиме авторотации.

Свое творение Папен и Руилли назвали Chrysalide ("Куколка"), с намеком на то, что из неё в будущем может "вылупиться" серьезный аппарат. При этом сами такие аппараты, выделили даже в отдельный класс, защищенный сразу двумя европейскими и одним американским патентами, - класс гироптеров. Почему так тоже понятно, достаточно лишь посмотреть на этот аппарат. Странный вертолет имел одну огромную полую лопасть длиной целых 17 метров и практически был один в один скопирован с кленовой крылатки.

При этом лопасть располагалась с одной стороны от кабины пилота, а с другой её уравновешивал силовой агрегат — девятицилиндровый ротативный двигатель "Рон" мощностью 80 лошадиных сил. Тот "выдавал" 1200 об/мин и вращал вентилятор, нагнетавший в пустотелую лопасть воздух. Из конца лопасти его струя выходила со скоростью порядка 100 м/с, и таким образом приводила её в движение.

Пилот "Куколки" располагался в центре масс между крылом и вентилятором, что позволяло стабилизировать его положение. Направление полета также задавалось воздушной струей: часть нагнетаемого воздуха отводилась в поворотный воздухопровод, соединенный с рулем и толкала аппарат в заданном направлении.

В 1913 году "Куколку" все же построили, но тут началась Первая мировая война, и полевые испытания задержались из-за этого до 31 марта 1915 года. Провели их на небольшом озере в департаменте Кот д'Ор — кстати говоря, хорошо, что проводили их на озере. Оказалось, что мощности мотора катастрофически не хватает — частота оборотов лопасти монокоптера оказалась недостаточной для взлета.

Закончилось испытание печально: кабину пилота стало крутить и трясти так, что он лишь каким-то чудом сумел выпрыгнуть из неё в воду, после чего мотор у "Куколки" заглох, а сама она перевернулась и затонула, хотя в основании у неё и был специальный полый поплавок.

Потом аппарат все-таки подняли со дна озера, а в 1917 году его создатели представили улучшенный проект. Вот только денег на его реализацию им уже не дали, и они вынуждены были искать их самостоятельно чуть ли не двадцать лет, да все равно так и не нашли!

Впрочем, периодически интерес к однолопастным вертолетам то и дело вспыхивал вновь. Например, в сентябрьском номере американского журнала "Популярная наука" за 1922годпомимобольшойстатьиосамой"Куколке"иеёсоздателях, обсуждался и вопросо том, а насколько такие аппараты могут быть практичными вообще и "сулят ли нам "кленовые семена" революцию среди летательных аппаратов тяжелее воздуха"? Было решено, что их минусы все-таки перевешивают плюсы, и о таких аппаратах журнал больше не писал.

Зато в СССР в 70-ые годы спортивные модели вертолетов однолопастной схемы стали настолько популярны, что их включили даже во Всесоюзные соревнования по авиамоделизму. Достаточно было открыть в то время журнал "Моделист-конструктор", чтобы найти там чертежи таких аппаратов, пока… их не посчитали не моделями вообще! Было решено, что модели вертолетов должны быть похожими на вполне реальные машины. А ведь "однолопастники" не копировали ничего вообще и представляли собой, по сути дела, всего лишь некую игру ума и умелых рук!

Казалось бы, что именно сейчас возвращаться к схеме крылатки нет никакого смысла. Слишком уж громоздкая и сложная конструкция у этого аппарата с человеком внутри. А вот если человека из него убрать?!

Действительно: если полноразмерный монокоптер, управляемый пилотом, пока что кажется конструкторам слишком неудобным и ненадежным, то для миниатюрного дрона-наблюдателя подобная схема может оказаться едва ли не оптимальной. И вот в итоге в 2006 году, то есть спустя почти век после первого опыта, люди вновь задумались о создании принципиально новых аппаратов на базе кленового семечка. Конечно, без американского агентства ДАРПА здесь не обошлось!

Это именно оно выдало солидный грант фирме "Локхид Мартин" на разработку монокоптера в рамках программы "Нано летательное устройство" (NAV). При этом, в соответствии с заданием новый дрон должен был весить не более 20 граммов и иметь не более 15 сантиметров по максимальному размаху крыла; кроме того, минимальная скорость наноразведчика должна была быть не меньше 36 км/ч. Прототип, рассчитанный на компьютере, действительно имел размеры кленовой крылатки — пятисантиметровая лопасть и крошечный реактивный двигатель, вращающий это устройство с частотой порядка 15 000 об/мин. Все оборудование, как то: сенсоры, камеры, коммуникационное устройство, каким-то должно было уместиться на борту аппарата весом всего лишь 10 граммов.

В итоге аппарат у компании пока что не получился, и по-прежнему находится в разработке. На сегодняшней стадии длина его лопасти достигла 17 сантиметров; хотя на выставках чаще всего демонстрировался более крупный экземпляр с 40,6-сантиметровым крылом; вот на нем-то и тестируется система управления. При чрезмерной длине этот дрон еще и слишком тяжел и весит 227 граммов, хотя видеокамеру исправно поднимает. Реактивный двигатель на нем заменили электромоторои с воздушным винтом, расположенным на законцовке лопасти.

Тем временем трое независимых инженеров из Мэрилендского университета Ульрих, Пайнс и Хамберт сумели построить свой собственный вариант дрона-монокоптера, хотя и без окончательного названия. Причем даже не один, а целых три дрона, последний из которых имеет всего лишь 7,5-сантиметровую лопасть. Принцип работы у всех аппаратов одинаков — лопасти как у крылатки и толкающий воздушный винт. Правда, практически полностью уложиться в требования заказчика удалось только инженерам из Мериленда .

Ну, а что касается дронов-наблюдателей, сделанных по такой схеме, то они хороши тем, что в них практически нечему ломаться. Кроме крошечного электродвигателя с пропеллером, в них больше нет никаких подвижных деталей. Проблема стабильного управления монокоптерами полностью пока не решена, но кто знает, что с этим может случиться буквально завтра.

Хотя, даже и это ещё не все. Если посмотреть на видеозапись запуска такого однолопастного вертолета, то можно заметить, что он производится с установленного на земле штыря. То есть лопасть на нем сначала раскручивается, после чего он свободно взлетает. Но что если закрепить такой вот "штырь" за плечами… ну скажем у бойца какого-нибудь спецподразделения, чтобы вращалась она на нем совершенно свободно.

Также на спине у него можно будет закрепить и два разнесенных микродвигателя с пропеллерами. Лопасть, раскручиваясь, будет поднимать его в воздух, а вот управлять "аппаратом" по курсу можно будет увеличением оборотов правого или левого винта! И вот вам и "Карлсон", который, хотя и не живет у вас на крыше, но зато вполне может летать.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"