Atlas - вертолет на мускульной тяге

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.

В 2013 г. Atlas с его четырьмя огромными несущими винтами поднялся в воздух. Все происходило в помещении закрытого футбольного стадиона близ Торонто. Райхерт, висящий вместе с велосипедом под лопастями, изо всех сил крутил педали, удерживая летательный аппарат на высоте более 3 м в течение 64 секунд.В 2013 г. Atlas с его четырьмя огромными несущими винтами поднялся в воздух. Все происходило в помещении закрытого футбольного стадиона близ Торонто. Райхерт, висящий вместе с велосипедом под лопастями, изо всех сил крутил педали, удерживая летательный аппарат на высоте более 3 м в течение 64 секунд.

 

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 Англии 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».

Стоящий на земле летательный аппарат похож на букву X, на каждом конце которого находится несущий винт.Стоящий на земле летательный аппарат похож на букву X, на каждом конце которого находится несущий винт.

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 Канады). 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.

 

Интересные факты

■ 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.

 



1 402
  • Нравится
  • 5

Интересно почитать


Винтовка «Ли-Энфилд»
Истории о том, как из винтовок сбивают летательные аппараты, обычно проходят по разряду народных сказаний, но иногда такое случается....
Тормоза поезда
Система железнодорожных тормозов была актуальна всегда. Но до Октябрьской революции этим вопросом в России почти никто не занимался, довольствуясь...
Игровой автомат Однорукий Бандит
Всего несколько лет назад на улицах российских городов располагались заведения, где десятки игровых автоматов предлагали испытать удачу. И прозвище...
История велосипеда
Велосипед рождался в умах изобретателей долго и мучительно, окончательно оформившись лишь к концу XIX века. Впрочем, это нисколько не умаляет его...
Робот-пылесос Dyson 360 Eye
Компания Dyson разработала робот-пылесос с полноценной оптической системой навигации. Dyson 360 Eye оснащен интерфейсом Wi-Fi, подключается н...
Робот умеющий ходить и летать
Робототехника, с безграничными возможностями передвижения, еще вчера присутствующая в романах писателей фантастов, в нашу эпоху перешла из фантастики...


Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Все Чудеса Мира
Категории Чудес
Просто Интересно
Любопытные сведения

Одна из особенностей, которая досталась удоду от тропических предков, питавшихся сочными фруктами и цветочным нектаром, - короткий язык, поэтому, чтобы проглотить пищу, птица подбрасывает ее и ловит открытым клювом.


Самые популярные статьи
Что больше читают