Вертолёт на мускульной тяге установил новый мировой рекорд. Atlas - вертолет на мускульной тяге

Люди всегда стремились к небу. О полетах мечтали еще во времена античности. Достаточно вспомнить миф о Дедале и Икаре. Свои варианты разнообразных летательных аппаратов предлагал известный изобретатель Леонардо да Винчи, оставивший нам чертежи. Со временем человек построил самолеты, вертолеты, космические корабли. За чудесами прогресса легенда об Икаре потускнела, так и не дав людям настоящего ощущения полета, который зависел бы от человека.

Совершать полеты, опираясь исключительно на силы своего организма сложно, но можно. Для этого люди придумали необычный летательный аппарат - мускулолет. Внешне это устройство больше всего напоминает гибрид из обычного велосипеда и планера. Получается своего рода самолет с педальным движителем. Однако любой человек, используемый в качестве двигателя, довольно слаб. Даже самые тренированные спортсмены-велосипедисты способны лишь на протяжении нескольких минут развивать мощность порядка 1 л.с. Даже у самых примитивных допотопных паровых машин, не говоря уже о современных двигателях внутреннего сгорания, вырабатываемая мощность в десятки раз выше.

Именно по этой причине создание мускулолетов долгие годы оставалось очень сложной задачей, которую удалось успешно решить лишь сравнительно недавно, когда широкое распространение получили легкие сплавы и композитные материалы, которые позволили создавать конструкции обладающие малым весом и высоким запасом прочности. Из-за особенностей физического строения человеческого организма мускулолеты остаются по большей части спортивными снарядами и хобби для любителей воздухоплаванья. Придумать им практическое применение очень сложно. Не случайно еще один из основателей и отцов русской авиации Н. Е. Жуковский говорил, что человек будет летать, опираясь не на силу своей мускулатуры, а на силу своего разума.

Однако полет на реактивном лайнере и мускулолете, как говорят в Одессе, это две большие разницы, в первую очередь по самим ощущениям. Именно поэтому данное направление очень популярно у энтузиастов. К тому же мускулолет развеивает представление о том, что личный летательный аппарат доступен только богачам из числа VIP-персон. Гибрид самолета и велосипеда гораздо демократичнее и дешевле любого личного самолета. При этом столь необычное транспортное средство уже имеет в своей коллекции некоторые рекорды. К примеру, американец Брайен Аллен в 1979 году перелетел на мускулолете Ла-Манш. А грек К. Канелопулос в 1988 году совершил полет по стопам легендарного Дедала, перелетев с острова Крит на материк. Он преодолел по воздуху 115 километров, потратив на перелет по прямой около 4 часов.

Для современных мускулолетов по-прежнему важна хорошая физическая форма, но выдающаяся мускулатура и сила икр и квадрицепсов немного отходит в тень. На современных моделях оторваться от земли (а это самое сложное) и лететь в состоянии любой человек, отличающийся средней мышечной развитостью. Для того чтобы свести трудозатраты пилота к минимуму, мускулолеты собирают только из наиболее легких материалов, таких как карбон, кевлар, углеволоконные трубки.

По этой же причине все мускулолеты - это довольно хрупкие «создания», обычно они весят около 30 кг. При этом данный летательный аппарат обладает большим размахом крыльев - до 35 метров и большим винтом - до 2 метров в диаметре. Такая конструкция довольно сильно подвержена поломкам, большая часть которых случается при разгоне и приземлении аппарата. Зато в небе такой агрегат может парить подобно птице. При отсутствии встречного ветра опытные пилоты в состоянии развить скорость до 45 км/ч, а если ветер дует пилоту в спину, скорость устройства вполне может кратковременно достичь рекордных для него 90 км/ч. Несомненным плюсом таких летательных аппаратов является полное отсутствие топлива, хорошо питаться придется лишь самому пилоту.

мускулолетов

Первые попытки человека взлететь описаны в мифе о Дедале и Икаре. По сути, именно они и создали первый махолет, создав крылья из воска и птичьих перьев. Взлететь на чем-то подобном, согласно преданиям, пробовал и некий холоп Никита, пытавшийся совершить полет с колокольни Александровской слободы в 16 веке. За эту свою попытку он поплатился жизнью. Решить проблему полета в эпоху Возрождения пытались и в Европе. При этом титаны итальянского Возрождения опирались не на вульгаризированную бионику, а на передовые научные достижения тех лет. Некоторые полезные соображения на этот счет содержались в трудах Леонардо да Винчи. Он развивал данную идею, начиная с 1475 года и до самой своей смерти, посвятив этой теме большое количество чертежей и рисунков.

По этим чертежам Леонардо можно заметить, что он много наблюдал за полетами птиц, он оставил после себя много вариантов разнообразных конструкций летательных аппаратов и орнитоптеров, чем-то похожих на современные вертолеты, только с архимедовым винтом вместо пропеллера как с ножным, так и с ручным приводом, а также с вертикальным положением пилота в аппарате, и геликоптеров, машущих крыльями. Однако реализовать свои задумки в реальных образцах известному итальянскому изобретателю было не суждено.

Только спустя три сотни лет «карманную» модель геликоптера создали французы Лонуа (Launoy) и Бьенвеню (Bienvenu), которые, естественно, ничего не знали о наследии инженера да Винчи. Детище французских изобретателей, которое оснащалось четырехлопастным винтом, легко поднималось в небо за счет раскручивания пружины, изготовленной из китового уса. В будущем прообраз современных вертолетов стали приводить в движение паровыми двигателями и электромоторами, в связи с чем говорить о желании человека парить в небе, полагаясь на мускулатуру своих рук и ног, не приходится.

Мускулолет Gossamer Albatross

К идее разработки настоящего мускулолета вернулись только в начале XX века. Интерес к такому необычному летательному аппарату подогрел Робер Пежо, который специализировался на производстве велосипедов в известной автомобильной компании своего дяди. В 1912 году Пежо назначил приз в размере 10 тысяч франков для того, кто сможет пролететь на велосипеде с прикрепленными к нему крыльями всего 10 метров, и 1000 франков тому, кто сможет преодолеть по воздуху хотя бы 1 метр. С его стороны эта акция была неплохим рекламным ходом. В назначенный им час в «Парке принцев» при огромном стечении публики 30 энтузиастов-удальцов с развитой мускулатурой приступили к попыткам совершить полет. Данное состязание продолжалось несколько часов, но добиться успеха не удалось никому, а Пежо не потратил на это ни одного су.

Однако сама идея подняться в воздух только за счет подъемной силы крыльев и скорости разгона без использования толкающего винта снова ожила, и работы в этом направлении продолжились несмотря на кажущуюся бесперспективность. Чудо свершилось в 1921 году, когда конструктор Габриэль Пулен все-таки смог поднять аппарат в воздух, прикрепив к велосипеду, который весил 17 кг, два больших крыла. Он смог разогнать свое устройство до 40 км/ч, после чего мускулолет поднялся в воздух и сумел преодолеть расстояние в 12,3 метра.

А уже в 1935 году в Германии специалистами известной компании Юнкерс (Junkers) был спроектирован прообраз всех современных мускулолетов самолетного типа, который получил обозначение Mufli. Он оснащался тянущим винтом, на который крутящий момент передавался от велосипедных педалей. Однако поскольку в момент разгона аппарата мышечные усилия пилота передавались не колесам, а винту, поднять в воздух такой аппарат не удавалось. В итоге Mufli в воздух «выстреливали», используя для этого катапульту из резиновых канатов. Всего этот мускулолет поднимался в небо боле 100 раз. В 1935 году ему удалось преодолеть по воздуху 235 метров, а в 1937 году его рекорд был доведен до 712 метров.

Мускулолет Daedalus-88

И хотя немецкая разработка еще не могла совершить автономно классический цикл (взлет, полет и посадка) стало ясно, что со временем будет решена и проблема взлета для такого аппарата. Долгое время фактором, который тормозил развитие мускулолетов, было само время - отсутствие в тот момент легких и достаточно прочных материалов. После окончания Второй мировой войны с появлением современных прочных и легких синтетических полимеров это препятствие было устранено.

Так появилась и машина, которой удалось покорить Ла-Манш - мускулолет Gossamer Albatross Пола Маккриди. Вес этого летательного аппарата составлял всего 30 кг. Все прочие модели, количество которых к тому моменту перевалило уже за 200 единиц, весили как минимум на 5 кг больше. Данный аппарат отличался и уникальным аэродинамическим решением - его «хвостовое» оперение располагалось спереди. В то время как конструкторы большинства предыдущих моделей ориентировались на классическую самолетную схему. Спустя два года спустя после постройки, 12 июня 1979 года, Gossamer Albatross совершил перелет через Ла-Манш, преодолев дистанцию в 37 км.

В целом же все основные модели, производившиеся в ряде стран по всему миру, мало чем отличаются друг от друга, они будто сошли с одного конвейера. Технические параметры устройств лежат в достаточно узком коридоре. Размах их крыльев - 28-34 метра, площадь крыла - 38-44 квадратных метра. Крылья производятся из тончайших материалов, они очень хрупкие, поэтому в момент взлета и посадки помощники пилота придерживают крылья, для того чтобы они не касались земли. Вес таких устройств никогда не превышает 45 кг.

Тянущий (то есть установленный спереди) винт обладает диаметром от 1,5 до 2 метров. Пилот в полете вращает педали с частотой примерно 90 оборотов в минуту. Благодаря цепной передаче данное вращательное усилие передается на винт, частота вращения которого составляет уже 160-180 оборотов в минуту. Потери энергии при передаче составляют не более 5%. При этом скорость полета подобных устройств лежит в диапазоне от 20 до 45 км/ч. А пилот теперь располагается внутри полностью закрытой кабины, что позволяет существенно уменьшить сопротивление воздуха.

Вторая половина XX века стала временем настоящего мускулолетного бума: стали появляться одна за другой дорогостоящие модели, которые обновляли рекорды скорости, дальности и продолжительности полета. В настоящее время многие фонды любителей аэронавтики уже опустошены, непобитым остается лишь рекорд, по которому за час необходимо преодолеть дистанцию в 90 км. Приз за это достижение носит имя инженера Пола Маккриди.

Рекорд же дальности полета на мускулолете был установлен в 1988 году на аппарате под названием Daedalus-88. Он был спроектирован выпускниками и студентами Массачусетского технологического института, а сам рекорд принадлежит греку Канеллосу Канеллопулосу. Он совершил перелет протяженностью 115 километров 110 метров, пролетев по маршруту Дедала - с острова Крит на материк. Полет занял у него 3 часа 54 минуты 59 секунд. Годом ранее американец Глен Треммл на аппарате Light Eagle смог совершить полет по замкнутому кругу длиной 58 километров 660 метров.

В настоящее время мускулолеты большей частью бьются уже не за рекорды, а просто соревнуются между собой. Каждый год на всех материках, за исключением лишь Антарктиды, проходят разнообразные открытые национальные чемпионаты, в которых участвуют десятки летательных аппаратов. Мероприятия эти являются очень зрелищными и обычно привлекают большую аудиторию. Очень популярными они стали в Японии, где каждый год на озере Бива организуются открытые международные соревнования среди таких машин. На сегодняшний день японский рекорд дальности полета составляет 49 км по прямой, а рекорд скорости - 29 км/ч.

Источники информации:
http://vikond65.livejournal.com
http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/technics/347
http://www.permmag.ru/interesting/1403-muskulolet_gibrid_samoleta_i_v

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 (их мы обсудим ниже) — 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 командой AeroVelo . Вернее, сделали они это еще месяц назад , но окончательная проверка и результаты были утверждены только в прошлый четверг .

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.

Относительно внешних условий:

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.

Отличное обсуждение этого полета можно найти на хабре .

Да, отчасти правы те, кто говорит — что при взлете команда хитрила, используя воздушную подушку, образующуюся от набегающего на землю потока воздуха от винтов, и таким образом — требуемая для подъема мощность снижалась на 15-20%. Да, практическое значение этого вертолета на мускульной тяге — пока не годится даже для аттракциона, поскольку поднять его в воздух под силу лишь профессиональному спортсмену. Но вспомните — ,

Сверхлёгкий квадрокоптер на мускульной тяге Gamera II установил новый мировой рекорд длительности полёта, вдвое превзойдя достижение 1994 года, сообщает «Компьютерра–Онлайн» . Пока это достижение еще не прошло официальный процесс одобрения Национальной ассоциацией аэронавтики (National Aeronautic Association).

Полёт летательного аппарата на мускульной силе возможен. Еще в 1979 году Gossamer Albatross пролетел 35 километров, но это был аппарат самолетного типа. Для веловертолетов же это достижение оставалось недоступным. Приз Сикорского, учрежденный в 1980 году, должен был достаться тому, кто первым совершит полёт на вертолёте, приводимом в движение мускульной силой.

Требования премии, на первый взгляд, выглядят скромно: вертолет-победитель должен продержаться в воздухе минуту на высоте трех метров. До сегодняшнего дня ближе всего к этому подошли японцы с квадрокоптером Yuri I, продержавшиеся 19,46 секунды на высоте в 20 сантиметров.

Квадрокоптер Gamera, разрабатываемый студентами и аспирантами Мэрилендского университета (США), в 2011 году лишь на 11,4 секунды. Его новая версия, Gamera II, стала легче предшественника на 30 процентов. Вес пустого летательного аппарата составляет всего 32 килограмма. При этом габаритная длина квадрокоптера достигает 32 метров. Таких показателей конструкторам удалось достичь за счет использования углепластика и более рационального применения материала в конструкции, но главным их достижением стало не это. Студенты добились существенного усиления экранного эффекта, расположив четыре винта квадрокоптера максимально близко к поверхности.

В итоге энергия, необходимая для полёта, составила 460 Вт - в полтора с лишним раза больше, чем у самолётного Gossamer Albatross. И все же усилие, требуемое от пилота, упало по сравнению с первой Gamera на целых 44 процента - с 770 до 460 Вт.

20 июня энтузиасты записали видео, на котором запечатлен первый в истории полёт летательного аппарата без крыльев на мускульной тяге, продлившийся целых 40 секунд - вдвое дольше рекорда 1994 года. Тем не менее, до Приза Сикорского еще далеко: экранный эффект будет резко снижаться при наборе высоты, а значит, до трёх метров подняться будет очень непросто.

Хотя на первый взгляд работа студентов не имеет никакого смысла, на самом деле у нее может быть практическое применение. Конструкцию, добившуюся столь экстремально низкого энергопотребления, можно использовать как для пилотируемого полёта с применением солнечных батарей, так и в микро- и наноБПЛА на литиевых батареях с радикально меньшим энергопотреблением в сравнении с существующими.

В начале 1980-х годов на основе Gossamer Albatross был сделан гелиоплан, впервые в истории перелетевший через Ла-Манш. Использование вертолета в практическом смысле перспективнее. Пилот весом в 63 килограмма вместе с самой Gamera II даёт 95 килограммов общей массы. Если БПЛА весом в 950 граммов удастся тратить для полёта одну сотую энергозатрат Gamera II, литиевой батареи ему будет хватать на очень длительный промежуток времени.

По мнению специалистов, вертолет, приводимый в движение мускульной силой человека, летать не может. Однако двое молодых конструкторов доказали обратное — и в результате получили четверть миллиона долларов.

Когда в 2011 году Тодд Райхерт (Todd Reichert ) и Кэмерон Робертсон (Cameron Robertson ) решили построить вертолет на мускульной тяге, который мог бы подняться на высоту не менее 3 метров и зависнуть на 60 секунд, никто не верил, что им это удастся.

Невыполнимая задача

Специалисты пришли к такому выводу после 30 лет аварий и крушений. Все началось в 1980 г., когда Американское вертолетное общество (ныне AHS International ) объявило конкурс на создание педального летательного аппарата, управляемого человеком, с призовым фондом, размер которого со временем достиг $250 тыс. Согласно всем имеющимся данным, один пилот просто не способен выработать столько энергии, чтобы аппарат мог подняться на данную высоту и оставаться в воздухе указанное время. Авиационный инженер Антонио Филиппоне (Antonio Filippone ) из Манчестерского университета в просмотрел номера «Журнала Американского вертолетного общества» за 2007 г. и официально заявил, что сама идея бесперспективна и любой аппарат, созданный на ее основе, просто не взлетит. По его словам, «требования <...> Американского вертолетного общества <...> практически невыполнимы».

Райхерт и Робертсон. 32 и 27 лет соответственно, узнали о статье Филиппоне, когда уже получили денежную премию и приз Сикорского. учрежденные Американским вертолетным обществом: в июне 2013 г. они совершили полет на своем гигантском летательном аппарате под названием «Атлант» (Atlas ), оснащенном четырьмя винтами, которые приводились в движение с помощью велосипедных педалей.

Конструкторское решение и программа для NASA

Похожий на гигантскую игрушку, собранную из деталей детского конструктора, сделанного для Пола Баньяна, Atlas имеет четыре длинные скелетообразные консоли, изготовленные из трубок из углеродного волокна и тросов из высокотехнологичных нитей. Все это собрано в громадную Х-образную арочную конструкцию, размер которой по диагонали составляет 26,4 м. На концах консолей установлены четыре несущих винта диаметром 20 м каждый с нервюрами из легкой древесины бальсового дерева, обтянутыми прозрачной лавсановой пленкой. К центру конструкции, находящемуся на высоте 3,6 м над землей, на тросах подвешен специальным образом модифицированный гоночный велосипед. Сидя в седле, Райхерт выполняет роль двигателя аппарата: с помощью педалей и сложной системы катушек и тросов он вращает лопасти винтов. Вырабатываемой им энергии достаточно, чтобы поднять в воздух летательный аппарат весом 55 кг.

64-секундный полет летательного аппарата Atlas, совершенный после многочисленных неудач прежних претендентов, продемонстрировал, что в эру, где правят бал большие коллективы конструкторов, работающих для таких гигантов авиастроения, как корпорации Lockheed Martin и Northrop Grumman, небольшая группа изобретательных энтузиастов тоже способна решать самые сложные задачи. Бенджамин Хейн (Benjamin Hein ), главный конструктор компании Sikorsky Aircraft и председатель комитета конкурса на приз Сикорского 2013 г., отмечает, что молодым конструкторам удалось найти оптимальные размер и вес летательного аппарата с крайне ограниченным источником энергии, разработать наилучший вариант конструкции несущего винта и эффективную систему управления полетом. По его мнению, из этой работы можно извлечь несколько важных для авиастроения уроков, главный из которых— возможность быстрого изменения основной конструкции в случае неудачи. «Это именно то. чего не могут сделать крупные компании», — утверждает Хейн.

Еще одной демонстрацией потенциала небольшой компьютерной программы, которую Райхерт и Робертсон разработали для оптимизации своей конструкции, служит то, что она теперь стала частью программного обеспечения и инструментария NASA. используемого для создания летательных аппаратов, которые предназначены для гораздо более продолжительных полетов, чем Atlas. В следующем году эти двое инженеров собираются с помощью своей программы сконструировать самолет, приводимый в движение силой мышц человека, чтобы участвовать в соревнованиях на приз Кремера за создание первого летательного аппарата этого типа (мускулолета ), который преодолеет расстояние в 40 км между контрольными точками менее чем за один час. (Действующий рекорд скорости подобного аппарата составляет 44 км/ч, и установлен он во время полета продолжительностью чуть более двух минут.)

Говоря о Райхерте и Робертсоне, нельзя не вспомнить о двух талантливых авиаторах-самоучках — братьях Орвилле и Уилбуре Райтах. Как и их знаменитые предшественники. наши молодые люди страстно увлечены пилотируемыми полетами на аппаратах тяжелее воздуха. Они начали свою деятельность, будучи еще студентами Университета Торонто, а теперь создали команду единомышленников AeroVelo — как они ее называют, «конструкторскую и рационализаторскую лабораторию». По словам Райхерта, они хотят «показать людям, сколь многого можно достичь, если во главу угла поставить эффективность». Именно поэтому они в основном используют материалы, которые известны уже десятки лет, например древесину бальсового дерева, пенопласт и майлар, и по этой же причине остановились на использовании силы мышц человека. Это значит, что они не могут просто пойти и купить более мощный двигатель. «Вы должны решать стоящие перед вами задачи, не прибегая к другим источникам энергии. Вы не можете просто так взять и увеличить ее », — говорит Робертсон. И, конечно, владельцы велосипедной мастерской Уилбур и Орвилл высоко оценили бы ведущую роль велосипеда в изобретениях Райхерта и Робертсона. Помимо «Атланта» последние создали летательный аппарат с машущими крыльями, названный орнитоптером. Его двигателями тоже служат мышцы человека, вращающие педали велосипеда.

Но больше всего Райхерта и Робертсона роднит с братьями Райт их подход к делу. «Братья Райт были блестящими механиками, — говорит Райхерт. — Они знали, как изготовить детали и как собрать их в единую конструкцию. но кроме того они придерживались строго научного подхода, а это лучшее сочетание, необходимое для достижения успеха».

Канадские конструкторы — неспециалисты вертолетостроения, а потому попросту не вникали в научные статьи, которые предрекали им полный провал. Зато им было хорошо известно, что на сложные расчеты, которые предстояло проделать, уйдут часы дорогостоящего времени работы суперкомпьютеров, а это им не по карману. Еще чутье подсказывало, что разработанные программы необходимо усовершенствовать, чтобы их можно было использовать в аэронавтике, где элементы конструкции и аэродинамические компоненты создают отдельные коллективы и многократно их дорабатывают. Этот процесс, по словам Робертсона, приводит к «результатам, несовершенным как с аэродинамической, так и с конструкторской точек зрения».

Подводя итог, можно сказать: все, что им было нужно — это программа, которая одновременно объединяла бы параметры конструкторских и аэродинамических элементов, специфичных для мускололетов вертолетного типа. Конечно же, она должна была быть недорогой, но быстродействующей.

В результате напряженного пятимесячного марафона Райхерт и Робертсон с помощью своих ноутбуков создали такую программу, частично использовав более ранние разработки Райхерта по созданию орнитоптера, за которые он получил докторскую степень. Чтобы вместо сверхмощного компьютера можно было обойтись ноутбуком, они решили отказаться от высокоточного моделирования и довольствоваться средней точностью для подгонки таких параметров, как скорость набегающего на винт воздушного потока. Высокоточная программа позволяет воспроизводить мельчайшие детали очень сложного аэродинамического процесса, например того, что происходит на концах лопастей несущего винта. Такие высокие стандарты необходимы при проектировании коммерческих летательных аппаратов, однако для разработки недорогого, тихоходного, легко видоизменяемого «Атланта» они вовсе не обязательны. «Средней точности вполне достаточно, чтобы погрешность не превышала, скажем, 2% , — говорит Робертсон. — И это как раз то, что нам было нужно ».

Созданная программа позволяла проводить виртуальные испытания вертолета практический любой конструкции с помощью ноутбука. Для этого нужно было ввести несколько дюжин переменных, описывающих создаваемую конструкцию, например геометрические данные несущего винта, его вес, размеры и пределы прочности конструкционных элементов, таких как трубки из углеродного волокна. Программа обрабатывала все эти данные и всего через несколько минут выдавала оптимальный вариант летательного аппарата, а также минимальное количество энергии, необходимое для его отрыва от земли. NASA по достоинству оценило точность и быстродействие работы программы, и теперь она занесена в библиотеку программного обеспечения агентства.

Первое конструкторское решение Райхерта и Робертсона поражало воображение. Длинные консоли и огромные лопасти несущих винтов максимизировали подъемную силу. На видеоролике с триумфальным полетом «Атланта», где его винты совершали всего десять оборотов в минуту, могло показаться, что он слишком медлительный, чтобы быть эффективным. Но подъемная сила, необходимая для отрыва от земли, создавалась не за счет скорости вращения, а благодаря огромным размерам лопастей. В предшествующих неудачных конструкциях, по мнению обоих, заранее ограничивались размеры вертолетов и несущих винтов, чтобы они могли поместиться в гимнастическом зале: конструкторы опасались, что порывы ветра на открытом пространстве будут слишком сильными для управления таким хрупким летательным аппаратом. Было решено, что проводить полеты в закрытом помещении вполне разумно, но для этого гимнастический зал слишком мал. Так огромный старый ангар па севере Торонто, а затем закрытый футбольный стадион в пригороде стали Китти-Хоком (место, где братья Райт совершали свои первые полеты. — Примеч. пер. ) для мускололетов вертолетного типа.

Физическая подготовка «двигателя»

Еще одними ограничением для «Атланта» были вес и мощность его двигателя, т.е. Райхерта, рост которого превышал 175 см. а вес составлял 82 кг. Максимальный вес пилота для этой конструкции летательного аппарата ограничивался 75 кг, а это значило, что Райхерту предстояло сбросить 7 кг. Кроме того, он должен был вырабатывать достаточное количество энергии, чтобы поднять в воздух самого себя и 55-килограммовый летательный аппарат (в сумме 130 кг) на высоту более 3 метров и пробыть в воздухе не менее 60 секунд. По оценкам, для отрыва необходимо было развить мощность около 1 тысячи Ватт (она зависит от общего веса аппарата и размера четырех несущих винтов); в полете эта величина снижается примерно до 600 Ватт. По сути, это нечто вроде забега на пределе возможного на короткую дистанцию в 100 м, а затем — менее напряженный бег на 400 м.

Будучи незаурядным спортсменом (он участвовал в соревнованиях за звание лучшего гонщика ). Райхерт оказался самым физически подготовленным авиационным инженером во всей Северной Америке. Как часть летательного аппарата он стал для самого себя и Робертсона объектом измерений. «Если вы можете что-то измерить. — говорит Райхерт, — значит у вас есть возможность это усовершенствовать ». В течение многомесячных тренировок он и Робертсон использовали для измерения мощности две эргометрические системы. Райхерт облегчил задачу, похудев до 72,5 кг (это на 2,5 кг ниже максимальной отметки), что позволило уменьшить количество энергии, необходимое для отрыва вертолета от земли, без ощутимых потерь в мощности его «двигателя».

Для достижения оптимальных результатов атлеты мирового значения обычно выстраивают свой тренировочный процесс таким образом, чтобы достичь пика физической формы накануне соревнований. Однако из-за многократных задержек по техническим причинам Райхерту пришлось поддерживать наилучшие физические кондиции на протяжении более девяти месяцев. Невероятно, ново время победного полета он фактически превысил необходимые показатели, развив в течение первых 12 с мощность 1,1 тыс. Вт (примерно 1,5 л.с.), а затем снизив ее до 690 Вт. В итоге Atlas пробыл в воздухе целых 64 секунды.

Как строился Atlas

Райхерт и Робертсон со своей командой из восьми студентов Университета Торонто построили Atlas летом 2012 г. Они создавали этот фантастический аппарат, чтобы добиться «недостижимой» цели, но не тратили время и деньги на экзотические трюки и новейшие материалы. Всякие раз, когда это было возможно, они шли проторенным путем, используя стандартные детали, чтобы снизить затраты и сосредоточиться на решении более трудных задач. Так, вместо того чтобы создавать специальный суперлегкий велосипед, они модифицировали имеющийся в наличии Cervelo R5ca , один из самых легких шоссейных велосипедов. Большой любитель общения со школьниками, Робертсон часто говорит им, что большинство материалов, из которых сделан Atlas, можно приобрести в магазинах «Ремесло и хобби». Самым новым материалом, который они использовали, был вектран — жидкокристаллическое полиэфирное волокно, сходное по свойствам с кевларом. Он обладает необычайно высокой прочностью и практически нулевым растяжением — однажды нагруженный, вектран уже больше не растягивается.

В ангаре на севере Торонто, говорит Райхерт, господствовали сложная математика и сухие алгоритмы, но они открывали простор для интуиции и для проб и ошибок. Одной из первых жертв этого процесса стала система управления «Атланта», замысловатая компоновка рычагов и тросов, соединенная с небольшими L-образными крыльями (canard wing ), расположенными на концах лопастей. Была надежда, что это позволит предотвратить смещение вертолета за пределы десятиметрового квадрата (что было оговорено в качестве особого условия в правилах приза Сикорского}. изменяя угол наклона аппарата относительно поперечной оси.

Однако но причине большого временного интервала между действиями пилота и выполнением его команд хитроумная система управления вертолета просто не работала. «С механической точки зрения она была превосходной , — говорит Робертсон, — но сноса не предотвращала ». Поэтому ее пришлось заменить на более простую, соединив нижнюю часть велосипеда с осями четырех несущих винтов несколькими тросами. Теперь пилот мог управлять сносом, наклоняясь вперед, чтобы аппарат тоже сместился вперед, наклоняясь влево, чтобы он пошел влево, и т.д. «Я до сих пор не могу поверить, что это работает », — говорит Райхерт: на видеоролике видно, как сильно он наклоняется вправо на протяжении почти всего победного полета. Эти изменения не только сделали управление «Атлантом» проще, но и снизили его суммарный вес на 10%. Помимо этого на целых 20% уменьшилось количество необходимой для полета энергии.

Аэродинамический феномен

Во время испытаний детали хрупкого летательного аппарата постоянно ломались; две особо впечатляющие аварии произошли буквально за несколько недель до успешного полета. Причиной обеих послужил аэродинамический феномен — режим вихревого кольца, когда вращающиеся винты погружаются в струю воздуха, которую сами они и создали, что сопровождается резкой потерей подъемной силы. Конструкторы внимательно рассмотрели лопасти винтов и обнаружили, что их передние кромки недостаточно гладкие: на майларовой пленке, натянутой в спешке из-за стремления поскорее закончить работу, имелись неровные участки, что приводило к повышению сопротивления воздуха. Пленку тщательно разгладили, а кроме того укоротили углеволоконные стойки (распорки) и усилили тросовую систему раскосов на консолях с несущими винтами.

Эти меры возымели действие. Через восемь недель после второй аварии команда завоевала приз Сикорского. Видеоролик полета, на котором Райхерт управляет замысловатой конструкцией с длинными балками и огромными винтами, собрал на YouTube более 3.1 млн просмотров. Цель соревнования состояла в том. чтобы воодушевить новое поколение конструкторов на взятие «преодолимых» барьеров и с помощью YouTube привлечь внимание общественности к успешному полету «Атланта».

После победного полета Райхерта каждый участник команды получил возможность сесть «за штурвал» «Атланта» и подняться над землей хотя бы на несколько сантиметров. «До этого дня. — говорит Робертсон, — больше людей прогулялись по поверхности Луны, чем совершили полет на мускулолете вертолетного типа. Мы это число удвоили ».

Новые цели

Говоря о причинах успеха. Райхерт выходит за рамки техники. Он рассуждает о решимости — своей и Робертсона — совершить невозможное или хотя бы о готовности попытаться сделать это. «Нужно ставить перед собой недостижимые на первый взгляд цели, — говорит он. — Именно это мотивирует людей ».

«Есть множество таких задач, решением которых стоило бы заняться, но недостает мотивации ».— сетует Робертсон. Одна из главных — разработка топливосберегающих технологий. Он упоминает о замечательной идее правительства увеличить экономичность всего автомобильного парка страны, снизив к 2025 году расход топлива до одного галлона на 87.2 км, что на 88% превосходит существующие технические нормы, но утверждает, что проект недостаточно амбициозен. «Нужно говорить о тысячепроцентном увеличении экономичности , — призывает Робертсон. — Тогда взгляд на проблему коренным образом изменится, и это послужит скорейшему наступлению эры сверхэкономичного транспорта ».

«Браться за невыполнимое совсем не просто , — говорит Райхерт. — Но это приносит больше удовлетворения, сильнее мотивирует и в конце концов дает прекрасные плоды ».

Недостаточная мотивация послужила причиной неудач наших героев, пытавшихся побить мировой рекорд скорости 133 км в час в велосипедных гонках в Батл-Маунтин, Невада; им не хватило 7.2 км в час. На следующий год они вернутся в воздух, чтобы участвовать уже в других состязаниях летательных аппаратов на мускульной тяге. Речь идет о соревнованиях на приз Кремера, учрежденных в 1959 г. Сумму в 50 тыс. фунтов ($95 тыс.) получит тот, кому удастся пролететь на мускулолете 40 км между контрольными точками менее чем за один час. Райхерт и Робертсон уже обговаривают условия полета — что допускается, а что нет, и выражают уверенность. что им удастся одержать еще одну невероятную победу и сорвать очередной куш.

Единственный летательный аппарат на мускульной тяге, который достиг этой скорости, вынужден был приземлиться примерно через две минуты, не говоря уже о преодолении марафонской дистанции. Может показаться, что выполнить условия состязания нереально. Но. возможно, именно это хотят услышать Райхерт и Робертсон.

■ Более 30 лет авиаконструкторы безуспешно пытались создать вертолет, приводимый в движение мускульной силой человека, который мог бы оторваться от земли и зависнуть в воздухе на одну минуту. Чтобы воодушевить авиаконструкторов, Американское вертолетное общество учредило приз Сикорского, но он никак не мог найти своего обладателя.

■ Два конструктора из Торонто, Тодд Райхерт и Кэмерон Робертсон, смогли поднять летательный аппарат в воздух, располагая ограниченным количеством энергии, с помощью огромных несущих винтов. Вопреки всем предсказаниям в прошлом году они выиграли заветный приз.

■ Летательный аппарат, построенный немногочисленной командой с использованием легкодоступных материалов, стал доказательством того, что революционные разработки — не прерогатива только крупных высокотехнологичных компаний.

Вертолет приводимый в движение мускульной силой - видео.

Сверхлёгкий квадрокоптер Gamera II установил новый мировой рекорд (пока, впрочем, неофициальный) длительности полёта вертолёта на мускульной тяге, вдвое превзойдя достижение 1994 года. Получат ли создатели машины когда-нибудь Приз Сикорского?

Хотя полёт летательного аппарата на мускульной силе и возможен — такой аппарат ещё в 1979 году пролетел 35 км, едва ли не марафонскую дистанцию (настоящую, а не нынешнюю), — до сих пор по-настоящему это удавалось только аппаратам с самолётным крылом. Gossamer Albatross, ЛА самолётного типа, имел велосипедный привод и мощность всего в 300 Вт, однако при ветре эта цифра лавинообразно росла. Слишком большие крылья при очень маленькой массе осложняли полёт даже при нежнейшем дуновении ветерка. Наконец, всё это было возможно в основном за счёт экранного эффекта, существенного для средней высоты полёта Gossamer Albatross, составившей всего 1,5 м.

Именно после этого достижения в 1980 году был учреждён Приз Сикорского: премия за полёт на вертолёте, приводимом в движение мускульной силой. Дело это значительно более трудное, ведь вертолёту нужна бóльшая энерговооружённость. Требования, казалось бы, скромные: чтобы взять приз, надо продержаться в воздухе минуту на высоте до 3 м. До сегодняшнего дня ближе всего к этому подошли японцы с квадрокоптером Yuri I , продержавшиеся 19,46 с на высоте в 20 см. Впрочем, по сравнению с требованиями Приза Сикорского это было, как сказал бы Иа, «жалкое зрелище»: высота в 15 раз меньше, время полёта втрое короче.

Gamera, квадрокоптер разработки студенческо-аспирантского коллектива из Мэрилендского университета (США), в 2011 году не достиг и того, приземлившись через 11,4 с. Правда, педали этого ЛА вращала увлекающаяся велосипедом аспиранточка, и не из ГДР, а из США, что делает её достижение значительным на фоне предыдущего японского вертолётчика, представителя сильного пола.

Новый вариант аппарата, Gamera II, оказался легче предшественника на весомые 30%. Вес пустого ЛА — всего 32 кг (!), и это при том, что в плане размеры квадрокоптера составляют 32 м (!!). Разумеется, благодарить за это надо углепластик, который использовался самым активным образом. Но это не новинка — Gossamer Albatross 1979 года тоже был углепластиковый, как и Gamera I. Новость в улучшенном, более рациональном применении материала в конструкции, а также в «педалировании» экранного эффекта, для чего четыре винта квадрокоптера пришлось максимально приблизить к поверхности, разместив предельно низко.

И всё равно энергия, необходимая для полёта, составила 460 Вт, в полтора с лишним раза больше, чем у самолётного Gossamer Albatross. Это ожидаемый результат, ведь вертолёту в нормальных условиях вообще нужно больше энергии, чем самолёту. Самое главное, что усилие, требуемое от пилота/мотора, упало по сравнению с первой Gamera аж на 44% — с 770 Вт до 460. Это — настоящий скачок: чтобы выдать 770 Вт, человеку нужно «переплюнуть» одну лошадиную силу, что, если вы работаете длительное время, мягко говоря, проблематично. И тем не менее!

Результат не заставил себя ждать: на видео, записанном вчера, 20 июня, вы можете наблюдать первый в истории человечества полёт летательного аппарата без крыльев (приводимого в движение мускулами), продлившийся целых 40 секунд — вдвое дольше рекорда 1994 года:

Конечно, до Приза Сикорского пока далеко: экранный эффект будет резко снижаться при наборе высоты, то есть до трёх метров подняться будет очень непросто. И всё же прогресс налицо, как минимум по времени непрерывного полёта.

Предупредим неизбежный вопрос: зачем всё это нужно? А вот зачем. Конструкцию, добившуюся столь экстремально низкого энергопотребления, можно использовать двояко: пилотируемый полёт с применением солнечных батарей и масштабирование до микро- и наноБПЛА на литиевых батареях с радикально меньшим энергопотреблением в сравнении с существующими.

Первый подход был продемонстрирован ещё в начале 1980-х: на основе Gossamer Albatross был сделан гелиоплан, впервые в истории перелетевший через Ла-Манш. Второй подход в практическом смысле перспективнее. Пилот весом в 63 кг (именно столько весит рекордсмен, которого вы можете видеть выше) вместе с самой Gamera II даёт 95 кг общей массы. БПЛА весом в 950 г не редкость, и если ему удастся тратить для полёта одну сотую энергозатрат Gamera II, то литиевой батареи такой конструкции хватит на куда большее время.

Словом, битва за весовую экономию и эффективность винтов ведётся ребятами из Мэрилендского университета не напрасно. И — они настоящие молодцы.