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 первым производителем вертолетов. Чтобы получить престижный приз, необходимо было построить оригинальный вертолет, способный выполнить 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).
Однако сумма приза (сперва — 10 тысяч долларов США, затем — 25 тысяч) оказалась слишком мала для того, чтобы оправдать затраты на создание уникального аппарата, потому число претендентов на награду изначально было невелико. За первые три десятка лет всего семь групп пытались построить мускульный вертолет, и только две команды в итоге представили аппараты, которые оказались способны оторваться от земли. Наконец, в 2009 году призовая сумма выросла сразу до 250 тысяч долларов, и к работе подключились сразу три новые группы. Одной из них в итоге и удалось выполнить все требования и решить задачу, казавшуюся непреодолимой.
Изъяны мускульных вертолетов
Рассуждения об аэродинамике крыла и винта проводятся без учета множества физических эффектов, вклад которых в условиях дозвуковых скоростей и большого удаления от поверхности невелик. Конструкторам самолетов нельзя обойтись подобным сведением всей физики полета к эффекту Бернулли и отклонению вниз воздушной струи. Рассказ про экранный эффект и прочие явления, с которыми сталкиваются летчики и авиаконструкторы, потребует отдельной статьи.
Для того чтобы удержаться в воздухе, любому аппарату требуется создавать подъемную силу, равную его собственному весу. Самым простым способом является использование крыльев: воздушный поток, обтекающий крыло, создает подъемную силу за счет сразу двух механизмов. Крыло отбрасывает вниз часть воздуха и за счет этого получает направленный вверх импульс; обтекающий сверху воздух движется с большей скоростью и потому втягивает крыло сильнее, чем обходящий снизу поток. Чем больше скорость, тем больше подъемная сила, так что при благоприятных условиях можно обойтись минимальной мощностью для поддержания полета на заданной высоте.
Все рассуждения об аэродинамике крыла можно перенести на движущиеся в воздушном потоке лопасти несущих винтов вертолета. Но так как площадь их намного меньше, то подъемная сила тоже падает: компенсировать это можно увеличением скорости вращения лопастей, что неизбежно потребует большей мощности от силовой установки. Расчеты, проведенные для винта диаметром около десяти метров, показывают, что их необходимо подключить к двигателю мощностью хотя бы в несколько киловатт.
Повышение требований к прочности с ростом размеров обусловлено фундаментальной особенностью геометрии трехмерного пространства. При изменении размеров в два раза площадь поверхности меняется вчетверо, а масса становится меньше или больше в восемь раз. Поэтому соотношение килограммов и квадратных метров меняется вдвое. Увеличив все размеры легкой модели вертолета с одного метра до десяти, мы увеличим удельную нагрузку на крыло в десять раз, аналогичным образом возрастет нагрузка на все элементы конструкции. Балки и трубы корпуса нужно делать не просто больше, но и толще. Увеличение поперечного сечения влечет за собой увеличение веса. Если вес остается неизменным, приходится снижать прочность — в итоге все построенные экспериментальные аппараты летали исключительно внутри спортзала, а лопасти заметно провисали под собственной тяжестью.
Развить мощность в несколько киловатт физически невозможно даже для самых тренированных спортсменов. Винт большего диаметра, порядка нескольких десятков метров, потребовал бы меньшей мощности, но увеличение диаметра неизбежно повысит массу вертолета, который, все-таки, не должен разваливаться под собственной тяжестью, а еще должен удерживать пилота.
Кроме того, пилоту необходимо еще каким-то образом сохранять заданное положение в воздухе. Здесь 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.
Каждая из схем компенсации вращающего момента, использованная «большими» вертолетами, имеет свои достоинства и недостатки. Но при переходе к мускулолетам соотношение плюсов и минусов начинало меняться далеко не самым очевидным образом: например, провисающие винты усугубляли проблему перехлеста лопастей, а схема квадрокоптера накладывала намного более жесткие требования к прочности корпуса.
При этом конструкторам мускулолета пришлось не просто дорабатывать какую-то заведомо известную конфигурацию путем исключения лишних килограммов и устранения прочих недостатков. На момент, когда был учрежден приз, не было понятно самое главное: решаема ли поставленная задача в принципе. Многие открыто сомневались в способности человека удержаться в воздухе своими силами.
Ми-10: компенсация вращения хвостовым винтом
Фото: Sergey Krivchikov - Russian AviaPhoto Team
Экранный эффект и чемпионы спортзалов
Стоит заметить, что на совсем небольших высотах аэродинамика уже не только мешает, но и помогает разработчикам мускульных вертолетов. Поток воздуха, направляемый вниз винтами, отталкивается от пола и создает экранный эффект, позволяющий значительно повысить эффективность вертолета. Правила премии Сикорского требовали, чтобы вертолет хотя бы один раз поднялся выше трех метров, но не обязывали оставаться на таком уровне все время, так что не использовать экранный эффект было бы странно.
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.
Atlas в сборе
Фото: AHS International / www.vtol.org
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), Высшей технологической школе Монреаля, университете Британской Колумбии, Сайтамском технологическом институте (Япония) и университете Пердью. Сам факт отрыва аппарата от поверхности уже можно было рассматривать как выдающееся достижение, воспроизвести которое удавалось далеко не всем даже при наличии грамотных специалистов и финансирования.
Схематическое изображение Da Vinci III
Рисунок: NASA
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).
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, средства на постройку которого собирали через сервис KickStarter.
Команда AeroVelo числит университет Торонто своим «золотым» (то есть самым щедрым) спонсором, а в числе «серебряных» есть немало авиастроительных компаний. Набрав 170 тысяч долларов, канадские инженеры построили свой вариант квадрокоптера, получивший название Atlas. Оптимизация конструкции проходила постепенно в несколько этапов — одна лишь доработка передачи от педалей к винту позволила получить прибавку в мощности около двадцати процентов. Кроме того, трение в системе управления было снижено по сравнению с первоначальным вариантом в несколько раз.
Yuri I в сборе
Японский квадрокоптер 1994 года. Внешне имеет много общего с успешной моделью 2013 года, однако время полета и высота с тех пор возросли на порядок.. Фото: humanpoweredhelicopters.org
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, причем Atlas при этом не оказался абсолютным рекордсменом по всем характеристикам: Gamera II продержалась в воздухе дольше, целых 74 секунды.
По словам пилота рекордной модели, посадить ее мягко, без повреждений, было даже сложнее, чем взлететь на нем. Но требовать от мускулолета летных характеристик — все равно, что задаваться вопросом о том, может ли болид «Формулы-1» вывезти диван с дачи или обойтись пятью литрами бензина на сто километров. Свое детище AeroVelo строили не для полетов, а для рекорда.
Общие затраты всех команд на разработку мускулолетов оказались заметно больше суммы приза, хотя собранные для постройки Atlas средства ее не превысили. В любом случае, деньги тут важны не так, как доказательство принципиальной возможности вертикального взлета за счет мускульной силы пилота (пусть даже для этого требуется быть первоклассным велогонщиком).
Во время полета Рейчерт развивал мощность около одной лошадиной силы: это примерно соответствует нагрузке, которую испытал бы человек, поднимающийся по лестнице со скоростью один метр в секунду по вертикали. Или за минуту вбегающий на двадцатый этаж: по этой причине полет можно считать не только инженерным, но и спортивным достижением. Причем с точки зрения раскрытия возможностей человека это более серьезное достижение чем, к примеру, увеличение высоты прыжков или скорости бега: ранее считалось, что люди вообще не могут обеспечить достаточную мощность для вертикального взлета.
Следующий после Сикорского
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 смельчакам придется приехать в Великобританию или хотя бы оказаться на территории британского доминиона.