Циклолет вертикального взлета и посадки принцип работы

Обновлено: 05.10.2024

На испытаниях было установлено, что беспилотник способен переправлять до 20 кг. полезного груза. Он почти не издает звука, в сравнении с другими подобными устройствами, имеет очень компактные размеры. За счет особенностей строения циклолет может выполнять полеты при таких условиях, которые не доступны ни одно полноразмерному летательному аппарату.

Краткая история

Циклолет вертикального взлета и посадки пытались разработать с начала 20 века и впервые осуществить задумку, которая бы хотя бы отдаленно могла напоминать циклолет, удалось воплотить в 1909 году отечественным инженером Евгением Сверчковым. Наиболее внятно и обоснованно сумел описать преимущества схемы подобных устройств шведский инженер Страндгрен и запатентовал свой вариант вертикально взлетающего аппарата. Так или иначе построенная в 1934 году первая полномасштабная модель взлететь не смогла, хоть и перемещалась по земле свободно.

Прототипы, которые уже могли самостоятельно подниматься в воздух смогли увидеть свет только в последние несколько десятков лет, хоть и первый циклоидный пропеллер был запатентован уже в 1920 году американским профессором Кирстеном. На сегодняшний день преимущественно первенство по разработке циклолетов удерживают исследовательские центры Австрии, Америки, Кореи и Китая.

Принцип действия циклолета

Конструкция циклолета и является той самой особенностью, которая позволяет аппарату выполнять вертикальный взлет и посадку, а также прочие, недоступные для вертолетов и самолетов действия. Основную задачу выполняют расположенные по бокам роторы с наклоняемыми плоскостями (циклоидный пропеллер). Они выполняют роль крыла, вот только направлены не на улавливание существующего потока воздуха, а на формирование собственного.

В сущности циклоидный пропеллер действует по принципу гребного колеса с возможностью менять профиль лопастей. Шаг профилей устанавливается коллективно или с возможностью постоянной регулировки системой управления. В стандартных условиях при полете образуется тяга, способная двигать аппарат вперед, но схема строения циклолета позволяет менять направление тяги (формирует собственный поток) в практически любом направлении перпендикулярно оси ротора. Примечательно, что имея практически все необходимые вводные проектируемые до этого подобные механизмы так и не смогли полноценно полететь.

Почему лучше вертолетов?

Все новое – хорошо позабытое старое

Стоит сразу отметить, что идея создания летательного аппарата с циклоидным пропеллером, напоминающим гребное колесо на старых пароходах, родилась не сегодня. Первое упоминание похожей машины датируется еще 1909 годом.

Цикложир, как обычно именуют летательные аппараты подобной конструкции, демонстрировался на Выставке новейших изобретений и даже получил медаль, но на испытаниях, к сожалению, даже не сдвинулся с места. В то время уровень развития авиационной промышленности не мог обеспечить полноценные исследования и проектирование столь сложных аэродинамических компоновок.

И вот спустя более чем 100 лет в России снова проходят работы по созданию похожего летательного аппарата.

Первые испытания и преимущества циклолета

Первые летные испытания показали, что циклолет массой 60 кг может переносить полезную нагрузку в 10-20 кг. При этом был отмечен ряд преимуществ таких летательных аппаратов в сравнении с винтокрылыми машинами. Циклолет весьма компактен и работает гораздо тише вертолета или квадрокоптера. Аэродинамика циклического движителя обеспечивает более низкий уровень шума по сравнению с воздушным винтом той же тяги. На расстоянии 1 м висящий в воздухе аппарат звучит не громче заведенного автомобиля.

Другое, еще более важное преимущество летательного аппарата с циклическими движителями – способность менять вектор тяги на 360 градусов. Это позволяет ему маневрировать среди препятствий, причаливать к вертикальным поверхностям, а также осуществлять взлет-посадку с наклонной поверхности. Периферийная защита двигателей, в свою очередь, защищает их от разрушения при столкновении с препятствиями и исключает травмирование роторами находящихся рядом людей.

Циклолет – перспективное средство спасения

Только в Москве насчитывается 137 строений высотой более 100 метров. При этом строения выше 60 метров есть в 54-х субъектах России.

На сегодняшний день с верхних этажей зданий пострадавших спасают при помощи автолестниц и автоподъемников. При этом чем выше лестница – тем больше вес и габариты самой машины. Так, например, телескопический автоподъемник Bronto Skylift F 112 HLA, способный поднять пожарных на 112 метров, весит порядка 77 тонн.

Эвакуировать людей с крыш высотных зданий можно и при помощи вертолета. Строительные нормы Москвы, к примеру, обязывают застройщиков обустраивать вертолетные площадки на крышах жилых зданий выше 65 метров.

Однако с вертикальных поверхностей, как понимаете, при помощи вертолета людей эвакуировать все равно не получится.

В качестве одного из перспективных средств спасения с высотных зданий ученые ВНИИ ГОЧС рассматривают беспилотники вертикального взлета и посадки. Учитывая ряд особенностей, которые выгодно отличают циклолет от других БПЛА и вертолетов, машины с циклическим движителем также заслужили внимание специалистов института.

Впрочем, работоспособность циклолета при воздействии внешних механических и климатических факторов, специальных сред и высоких температур еще только предстоит проверить. Именно такие тяжелые условия обычно сопутствуют чрезвычайным ситуациям.

Интервью с руководителем проектной группы физико-технического направления Фонда перспективных исследований Яном Чибисовым

Как скоро тяжелый монотонный труд сельского работника на ниве станет только фитнесом и будет продолжаться по желанию? Какова бюрократическая ситуация вокруг инициативы заменить рутинную работу на программу для робота? Наконец, кто на всем этом будет летать?

Фото: Дмитрий Азаров, Коммерсантъ / купить фото

— Какие концепции были рассмотрены и отвергнуты?

— В процессе подготовки проекта и его выполнения были рассмотрены различные схемы компоновки летательных аппаратов с циклическими движителями.

За рубежом разрабатываются концепции летательного аппарата с двумя циклическими движителями и дополнительным винтом, компенсирующим

вращательный момент (современные вертолеты, используют подобный принцип компенсации вращательного момента рулевым винтом). Данный тип летательного аппарата хоть и достаточно прост в управлении, однако для получения необходимой тяги требует либо использования роторов больших размеров, либо увеличения скорости вращения роторов, что приводит к снижению энергетической эффективности и увеличению уровня шума. Кроме того, такой вариант обладает меньшей надежностью и безопасностью.

На демонстраторе отработана система автоматического управления полетом, позволяющая аппарату осуществлять повороты по курсу, горизонтальные низкоскоростные полеты, полеты со скольжением, зависание с тангажом до 45°, а также вертикальные взлет-посадку как с горизонтальных, так и с наклонных поверхностей.

— Какие структуры или заказчики демонстрируют надежный спрос на циклолет?

Циклодрон планируется использовать для оказания дрон-сервисов в сельском хозяйстве, аэромониторинге и транспортных перевозках, где аппарат будет успешно конкурировать с беспилотными вертолетными и мультикоптерными комплексами.

Большие преимущества у циклодрона на формируемом рынке срочной доставки в городах благодаря сочетанию стоимости, компактности, вертикальных взлета-посадки и высокой скорости полета, однако пока существуют законодательные ограничения на применение дронов массой более 30 кг.

Циклокар может стать основой отечественного рынка аэромобильности. На мировом рынке аппарат имеет высокие конкурентные преимущества, поскольку обладает уникальным сочетанием технических и экономических качеств по сравнению с вертолетной техникой и разрабатываемыми в настоящее время средствами аэромобильности (CityAirbus, CityHawk и др.): при цене в четыре-шесть раз меньше, чем вертолет той же взлетной массы, циклокар обладает скоростью до 250 км/ч и дальностью полета более 500 км, вмещает до шесть пассажиров или 600 кг груза и при этом занимает всего два парковочных машино-места. Кроме того, этот летательный аппарат будет обладать высокой безопасностью полета, так как он сможет удерживаться в воздухе при повреждении двух из четырех роторов, а также будет оснащен парашютной системой спасения.

— Где планируется наладить производство комплектующих и сборку?

— При изготовлении циклодронов и циклокаров широко применяются полимерные композитные материалы, токарная и фрезерная металлообработка. Возможно применение аддитивных технологий при изготовлении легких конструкций элементов движителя, шасси, фюзеляжа.

В бизнес-плане рассматривается несколько критериев выбора места производства. С одной стороны, важны близость к потребителям услуг, логистика. С другой — интересуют экономические преференции, действующие в ряде регионов России. Производство аппаратов планируется организовать либо в Московской области, либо в одной из зон опережающего экономического развития в регионах страны, в которых уже действуют предприятия заинтересованных в проекте потенциальных инвесторов.

— Кем, где и как планируется обучать циклолетчиков?

— Методики обучения пилотов-диспетчеров беспилотных систем планируется отработать в ходе опытного применения циклодронов в Томском опытном районе применения беспилотных авиационных систем, который организуется в настоящее время на территории Томской области. Для этого готовится к запуску специальный проект ФПИ, цель которого — отработать технические детали и обеспечение полетов новой беспилотной циклолетной системы, а в будущем и опционально пилотируемого циклокара. Вопрос штатного обучения управлению циклолетами будет решаться по итогам данного проекта.

Циклолетчиком сможет стать каждый из нас, поскольку и циклодроны и, главное, циклокары имеют систему автоматического управления с режимом директорного управления. По аналогии с потребительскими и коммерческими дронами вы просто задаете направление и скорость полета, занимая место оператора циклодрона или сидя в комфортабельном кресле циклокара. Управлять циклокаром будет проще, чем автомобилем.

— Как видится организация небесной циклоинспекции (или как это называется) для безопасности движения?

На стадии развитого рынка аэромобильности безопасность движения тысяч циклодронов, циклокаров и циклотраков в небе над мегаполисами Земли должна будет обеспечиваться с использованием технологий искусственного интеллекта. Это будет осуществляться посредством контроля воздушного движения с непосредственным использованием автоматических систем управления его участников. Подобная система контроля движения исключит фактор человеческой ошибки управления. Такой подход предоставит более детерминированные условия для безопасного скоростного передвижения, чем существующая автомобильная инфраструктура.

Проекты оригинальных летательных аппаратов появляются регулярно. В Белоруссии построили самолет с замкнутым контуром крыла, англичанин Патрик Пиблс спроектировал крыло-вентилятор, а в Ульяновске идет работа над дирижаблем типа локомоскайнер. Все эти идеи не новы – их прототипы были созданы еще в начале XX века, на заре самолетостроения.

До 17 декабря 1903 года, когда Уилбур Райт впервые поднял в воздух оснащенный двигателем аппарат тяжелее воздуха, никто не знал, какая схема обретет успех. Крылья, расположенные в горизонтальной плоскости, были одним из многочисленных вариантов. Изобретатели не хотели верить в то, что именно конструкция братьев Райт оптимальна. Самолеты пытались оборудовать несколькими сотнями маленьких крыльев, парусами, крылом с замкнутым контуром. В процессе многочисленных опытов нашелся и второй принцип летательного аппарата, повсеместно распространенный сегодня, — вертолет. Некоторое время конкуренцию вертолетам составляли машины разработки испанца Хуана де ля Сьервы, автожиры, но сегодня они воспринимаются скорее как курьезы, чем как серьезные летательные аппараты.

А в 1909 году российский военный инженер Евгений Павлович Сверчков построил первый в истории цикложир. Сегодня на самолет Сверчкова можно смотреть только со снисходительной улыбкой: летать он не смог бы ни при каких условиях. Но в те далекие времена цикложиры имели ровно столько же шансов на постройку и взлет, сколько и самолеты привычной нам схемы.

Что такое цикложир

Дальнейшие попытки

Расцвет ротопланов

Период расцвета цикложиростроения можно ограничить временными рамками: с 1923 по 1937 год. Полтора десятка конструкций подобного плана было предложено за эти годы изобретателями из разных стран мира, четыре из них были построены в натуральную величину, оснащены двигателями и подвергнуты разнообразным испытаниям. А началось все с талантливого канадского инженера-самоучки Джонатана Эдварда Колдуэлла.

Филадельфийский инженер Хэвиленд Платт запатентовал свою машину в 1933 году, основываясь на журнальных публикациях сумрачного немецкого гения Адольфа Рорбаха. Лопасти цикложира Платта меняли угол атаки с положительного на отрицательный на каждом обороте, создавая подъемную силу. Теоретически подобная система могла создать любую комбинацию подъемной и реактивной сил. Платт даже нашел деньги на постройку цикложира, но до окончания работ дело не дошло. Впоследствии Платт отказался от идеи цикложира и спроектировал один из первых в истории двухвинтовых вертолетов поперечной схемы Platt-LePage XR-1, который был построен, успешно прошел испытания и принес Платту заслуженную славу в своей области, хотя и не пошел в серийное производство.

Также широко известен был проект шведского инженера Стандгрена. Он запатентовал свой цикложир в 1924 году, после чего в течение девяти лет проводил различные испытания с моделями роторов. По расчетам Стандрена минимальная допустимая скорость вращения, при которой машина удерживается в воздухе, составляла 270 об/мин, а максимальная скорость вращения — 420 об/мин. Стандгрен обосновал преимущества цикложира: вертикальный взлет и посадка на любую пересеченную поверхность, отличная крейсерская скорость (до 200 км/ч), высокий потолок. В 1934 году Стандгрен наконец построил свой цикложир в натуральную величину. У него получилась машина весом 600 кг с лопастями длиной 245 см и ротором, вращающимися со скоростью 180 об/мин. 130-сильный двигатель позволял машине ехать по земле, но в воздух ротоплан шведского изобретателя так и не поднялся.

В полный рост

Гитлеровская Германия тоже не стояла в стороне от оригинальной идеи. В 1933 году инженер Адольф Рорбах спроектировал цикложир собственной конструкции с трехлопастными роторами длиной 4,4 м. Самолет с максимальным взлетным весом 950 кг теоретически мог подниматься на высоту 4500 м и летать со скоростью 200 км/ч на расстояния до 400 км. Вертикальный взлет, высокая маневренность — все говорило в пользу разработки Рорбаха. Инженер предложил свой проект активно развивающимся люфтваффе, но получил отказ. В том же году американский инженер Хэвиленд Плат запатентовал в США цикложир, подозрительно напоминающий по внешнему виду машину Рорбаха. Но и его разработка осталась лежать под сукном.

Как ни странно, спустя много лет NASA извлекло из дальнего ящика патент Рорбаха (который к тому времени уже давно скончался, причем в Америке) и провело дополнительные расчеты с помощью современных компьютеров. Рорбах не ошибся ни в одной цифре — все было правильно. В связи с этим NASA серьезно рассматривало проект разработки ротоплана, но в итоге пожалело средств.

Современные веяния

Сухая статистика говорит, что еще с десяток проектов ротопланов появилось на протяжении последующих семи десятилетий. В 1980 году американец Томас Шарп запатентовал самолет вертикального взлета, работающий на цикложирных роторах малого диаметра. В том же году патент на цикложир с двухлопастным ротором получил француз Марсель Шабоне. В 1984 году изобретатель Артур Кримминс получил авторское свидетельство на дирижабль, движимый подобными роторами. Наконец, в 1993 году американец Хайнц Герхардт запатентовал цикложир классической компоновки с шестилопастными роторами. Но все эти проекты остались лишь на бумаге.

Реальные очертания проект цикложира обрел лишь в XXI веке. Сразу несколько исследовательских организаций рьяно взялись за воскрешение старой идеи — Сеульский государственный университет (Южная Корея), Национальный университет Сингапура, группа Bosch Aerospace. Что характерно, и корейцы, и сингапурцы сумели построить действующие модели цикложиров, причем успешно летающие.

Наибольшего успеха добились все-таки южнокорейцы. Университетское подразделение Aerospace Structures Laboratory ведет исследования цикложиров с конца 1990-х годов и еще в 2000 году построило первую опытную четырехлопастную модель. В декабре 2004 года на университетской площадке красовался первый беспилотник Cyclocopter I, а годом спустя — и второе поколение. Правда, в воздух они подняться не смогли. Историческое событие произошло лишь в 2007 году: пятая модель беспилотника весом 16,4 кг под названием Skywalker 3 успешно поднялась в воздух — вертикально вверх. Skywalker 3 оборудован четырьмя роторами по четыре лопасти на каждом. Радиус ротора — 25 см, длина лопасти — 50 см, электродвигателя мощностью 3 л.с. вполне хватает для успешной работы машины.

Сложно сказать, что будет дальше. Например, первый самолет с замкнутым контуром крыла был построен Блерио еще в 1906 году, а поднять подобную машину в воздух удалось лишь в 2004-м. Возможно, корейские инженеры уже сегодня творят революцию в авиационной промышленности. Или просто тратят государственный бюджет, как многие их предшественники. Время рассудит.

Читайте также: