Вертолёты… с одной лопастью

Инновации вчера и сегодня. А было так, что в 70-80 годы прошлого века на страницах отечественного журнала «Моделист-конструктор» много писали о моделях… однолопастных вертолетов. Причем они даже участвовали в соревнованиях на высоту и продолжительность полета. Конструкция их была оригинальной, но вот тогда я никак не мог понять, зачем кому-то понадобились такие вот летающие… «снаряды». Не знал я и того, что подобная схема вертолета имеет очень даже «древнюю историю», что о них писал еще американский журнал «Популярная наука» в 1922 году. Зато сегодня я читаю о том, что по такому принципу может быть создан крохотный летательный аппарат, который в полете вращается как семечко клена, да и размерами ненамного его превышает… И что же это может быть? А вот что: очередной микродрон — беспилотный аппарат типа монокоптера или «монокрыла», то есть как раз такой вертолет всего лишь с одной лопастью! Хотя данная идея, как оказалось, совсем не нова…



Скажем так: семена клена видели все. И все, конечно, знают, что вместо того, чтобы падать камнем на землю, эти семена планируют в воздухе и при этом вращаются вокруг своей оси подобно вертолетному винту. Правда, лопасть у него всего лишь одна. Странно, не так ли? Но, оказывается, мать-природа отличается от человека тем, что она очень экономна, и там, где можно было обойтись одной лопастью, решила две не ставить! И, конечно, глядя на полет крылатки, человек просто не мог не задуматься о том: как бы и ему не применить для своих летательных аппаратов и этот природный принцип полета! Хотя бывало и не раз, что хорошее для природы именно для людей оказывалось далеко не столь же хорошим.

А дальше было так, что 14 января 1910 года два французских инженера Альфонс Папен и Дидье Руилли представили Французской академии наук проект необычного летательного аппарата, своей формой и принципом движения напоминающего крылатку от белого клена. Тогда на заре авиастроения еще никто не знал, что лучше, а что хуже для полетов в воздухе, и интерес ко всякого рода оригинальным проектам был исключительно велик, да и трудно было в то время сказать заранее, две лопасти будут лучше для летательного аппарата или одна. В итоге проект Папена и Руилли был одобрен, а финансировать его реализацию взялась французская армия.

Природа поставила перед крылаткой очень простую задачу: во-первых, замедлить падение кленового семечка, а во-вторых, дать ему возможность улететь как можно дальше от материнского дерева. Почему-то о семенах той же вишни, желудя или каштана природа решила не заботиться. Где упало – там и выросло. Но вот людям от летательного аппарата, сделанного по этому принципу, потребовалось много больше. И одной простоты им оказалось мало. Выяснилось, что у монокоптера труднее стабилизировать траекторию полета и обеспечивать неподвижность для кабины пилота. Зато если двигатель такого «винтокрыла» отказывал, разбиться такой аппарат просто не мог. Он просто планировал в режиме авторотации на землю.

Папен и Руилли дали своему аппарату название Chrysalide («Куколка»), явно намекая на то, что из него в будущем сможет «вылупиться» нечто очень даже серьезное. Более того, эти аппараты выделили даже в отдельный класс гироптеров, защитив сразу двумя европейскими и одним американским патентами. Ну а новизна его конструкции с первого взгляда вызывала по меньшей мере недоумение: «Как это вообще сможет летать?». Странный «вертолет» (а может быть, «вертокрыл»?) имел всего лишь одну полую лопасть длиной целых 17 метров и один в один был скопирован именно с кленовой крылатки.

Сама лопасть была с одной стороны от кабины пилота, а с другой её должен был уравновешивать силовой агрегат — девятицилиндровый ротативный двигатель «Рон» мощностью 80 лошадиных сил. Он «выдавал» 1200 об/мин и крутил вентилятор, который нагнетал воздух в пустотелую лопасть. На конце лопасти имелось сопло, из которого его струя выходила со скоростью порядка 100 м/с и… приводила в движение весь аппарат.

Пилот «Куколки» находился у него в центре масс между крылом и вентилятором, что давало возможность стабилизировать положение его кабины. Направление полета задавалось воздушной струей, поскольку часть нагнетаемого двигателем воздуха отбиралась в поворотный воздухопровод, который был соединен с рулем поворота, и одновременно толкала аппарат в нужном направлении.

В 1913 году «Куколку» 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 дОр — 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 1922 год помимо большой статьи о самой «Куколке» и её создателях обсуждался и вопрос о 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.

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. 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 «Нанолетательное 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, который был рассчитан на компьютере, и вправду имел размеры как у кленовой крылатки — лопасть в пять сантиметров длиной и крошечный реактивный двигатель, вращающий его с частотой порядка 15 000 об/мин. Сенсоры, камеры, коммуникационное устройство – то есть все его оборудование каким-то образом следовало уместить на борту аппарата, весившего всего лишь 10 граммов. Продолжаются работы над этим устройством и сегодня...

В итоге создать именно такое летающее устройство у компании не удалось, но оно по-прежнему находится в разработке. Правда, длина его лопасти достигает 17 сантиметров; а на выставках демонстрируется еще более крупный экземпляр с 40,6-сантиметровым крылом. И вот на нем-то и тестируется система его управления. При чрезмерной длине этот дрон еще и слишком тяжел и весит 227 граммов, хотя ту же, скажем, видеокамеру и поднимает исправно. Реактивный двигатель пришлось заменить на микроэлектромотор с воздушным винтом, который разместили 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 Мэриленда.

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 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 готовый «Карлсон», который, хотя и не проживает на крыше, но зато вполне может летать.