Интернет журныл о промышленности в Украине

мускулолета | Журнал Популярна Механіка

  1. спроба Рейхерт
  2. праці Стерака
  3. На зліт!

Хочете заробити $ 250 000? Побудуйте легкий вертоліт на м'язовому приводі і протримається в повітрі 60 секунд. Вам здається це легко? Ніхто не зміг зробити це за минулі 32 роки. Але дві команди дуже, дуже близькі до перемоги.

Перед нами - вертоліт-мускулолет Atlas. Коли на нього видряпується Тодд Рейхерт, керівник проекту, під його вагою подвійна ажурна арка починає прогинатися і розгойдуватися подібно гамака. Рейхерт кричить: «Увага! Поїхали! »Четверо студентів випускають з рук лопати гвинтів і кидаються до центру апарату, в той час як Рейхерт починає крутити педалі, а пропелери - повільно описувати здоровенні кола. Запасу міцності вертольота Atlas масою всього 50 кг ледь вистачить, щоб витримати 75-кілограмового пілота і ні кілограмом більше. При цьому в машині тисяча різних стиків і вузлів, і варто поламатися хоч одному, як весь апарат розвалиться на шматки. Рейхерт продовжує крутити педалі, піймавши постійний ритм. Один з пропелерів тремтить і відривається від землі, слідом за ним - другий. Апарат злегка нахиляється, готуючись злетіти. Але тут хтось помічає, що третій пропелер майже шкребе по землі.

спроба Рейхерт

Atlas - це машина, побудована Тоддом Рейхерт для здобуття премії Сікорського - між іншим, $ 250 000, не жарт! Гроші дістануться тому, хто першим підніметься в повітря на вертольоті з м'язової тягою. Премія була заснована в 1980 році, але протягом тривалого часу ніхто не наважувався заявити на неї свої права. Зате в 2012-му премія раптово отримала новий виток популярності. Мабуть, зараз, коли літаки часто літають без допомоги людини, знову розпалюються пристрасті навколо древніх фантазій - навчитися літати, не використовуючи для цього нічого, крім мускульної сили.

Ажурна конструкція займає половину футбольного стадіону неподалік від Торонто Ажурна конструкція займає половину футбольного стадіону неподалік від Торонто. Її хрестоподібний каркас з вуглепластикових трубчастих ферм виглядає майже безтілесним - відразу й не зрозумієш, що це є завершений механізм. На кінці кожної з чотирьох ферм - дволопатевий гвинт з пінопласту, бальси і майлара. А з самого центру цієї хиткої конструкції майже 40 метрів в діаметрі звисає плутанина з тонких строп, на якій бовтається велосипедна рама ...

Вимоги, поставлені перед претендентами на премію Сікорського, виглядають скромно. Для перемоги гвинтокрила машина на мускульною тязі повинна, відірвавшись від землі, протриматися в повітрі 60 секунд, піднявшись на висоту 3 м. При цьому центр апарату не повинен виходити за межі майданчика 10 х 10 м. З 1980 року в повітря зуміли піднятися лише п'ять вертольотів на мускульною тязі, і жоден з них не виконав необхідних вимог. У 1989 році найперший з них зміг протриматися в повітрі 8,6 с. Другий в 1994 році провисів над землею вже 20 с. У 2011 році студенти з Університету штату Меріленд затіяли проект під назвою Team Gamera і до 2012 року регулярно здійснювали «підльоти» тривалістю 50 с. Ці успіхи вдихнули надії в зачинателів проекту Upturn, який зараз розгортається в Політехнічному університеті штату Каліфорнія, так само як і в канадську команду під керівництвом Рейхерт.

Ковзаняр світового класу, Рейхерт міцної статури і тому сам може пілотувати свій апарат. Перші ескізи вертольота Atlas він зробив в кінці 2011 року, потім всю зиму провів за кресленнями, опрацьовуючи деталі. Минулої весни за допомогою системи Kickstarter він роздобув $ 35 000 на реалізацію свого проекту. А влітку за підтримки студентів-добровольців зібрав апарат в старому коморі.

А влітку за підтримки студентів-добровольців зібрав апарат в старому коморі

Atlas радикально відрізняється від аналогів механізмом управління польотом. Пілот може змінювати кут атаки у поворотних крилець, розміщених над кінцями несучих лопатей, і таким чином задавати напрямок польоту. До слова, щоб якомога довше зберігати свою конструкцію в таємниці, канадці намагалися не світитися в інтернеті. Як говорить Рейхерт, «ще ніхто до нас не конструював систему управління для вертольота, що літає на мускульною силою».

30 серпня 2012 року Рейхерт зміг лише частково відірвати свій апарат від землі - це не так і погано, але часу залишається все менше і менше. Головною перешкодою на шляху до перемоги слід вважати не закони фізики, а конкурентів - команду з університету штату Меріленд, оскільки вони теж майже дотяглися до заповітного призу. У їх розпорядженні більше грошей, більше добровільних помічників, та й доведенням свого апарату вони займаються набагато довше. Якщо удача виявиться на їхньому боці - а сьогодні це видається цілком ймовірним, - вся робота Рейхерт піде нанівець.

праці Стерака

У 600 км на південь, на околиці Вашингтона (округ Колумбія) Вільям Стерак, глава студентської команди при Університеті штату Меріленд, працює над своїм літальним апаратом. Справа відбувається в критому фізкультурному залі, і тут зібралася дюжина студентів - подивитися, чи буде зареєстрований офіційний рекорд. Остання модифікація літального апарату Стерака, Gamera II XR, в загальних рисах схожа на Atlas. Чотири углепластіковиє ферми розходяться від підвішеного по центру пілотського сидіння до розміщених по периметру дволопатеве гвинтів. Єдине відступ від жорстких вимог функціональності - талісман у вигляді плюшевої черепашки перед сидінням пілота. Gamera трохи менше, ніж Atlas, трохи легше і облітає значно краще. З 2008 року студенти Мерілендського університету відпрацьовували одну модифікацію цього апарату за одною. У них вже зафіксовані польоти тривалістю більше 70 секунд і висотою більше 2,5 м. Не вистачає зовсім трохи.

Щоб вертоліт зміг злетіти на одній тільки м'язової тязі, лопаті пропелерів повинні бути дуже великими Щоб вертоліт зміг злетіти на одній тільки м'язової тязі, лопаті пропелерів повинні бути дуже великими. На знімку - критий стадіон і вертоліт Atlas, який команда Рейхерт готує до чергової спроби зльоту.

На відміну від Рейхарта, 24-річний Стерак - інженер, а не спортсмен. Він з діловим виглядом походжає по спортмайданчику, щось з кимось обговорює, перевіряє якісь вузли. Він прагне не до особистої слави і не до багатства - всю призову суму передадуть в ректорат. «Ми боремося не за особистий успіх, а за честь нашого університету», - каже Стерак.

Велика частина технічних проблем виникає з того факту, що вертоліт принципово далекий від хоч якийсь енергоефективності. «У вертольота тяга повинна бути спрямована вертикально вгору, тобто пілот повинен тягнути в вертикальному напрямку всю свою вагу і вагу апарату, - каже Стерак. - З цього випливає, що на політ вертольота з м'язовим приводом необхідно затратити в три-чотири рази більше енергії, ніж на політ аналогічного літака ».

Ідея, покладена в основу обох проектів, нехитра. Якщо нам потрібна тяга, ми можемо вибрати два варіанти: або відкидаємо невеликі порції повітря, але з великою швидкістю (це відбувається в реактивному двигуні), або ж впливаємо на великі повітряні маси, надаючи їм лише незначний імпульс (так працюють тонкі й довгі крила планера ). Другий варіант обіцяє більший ККД - це і зумовило величезні розміри апаратів Atlas і Gamera. Якщо ми хочемо злетіти, маючи в своєму розпорядженні вельми скромною потужністю, ми повинні впливати на великі обсяги повітря, плавно направляючи їх вертикально вниз.

Інше завдання полягає в тому, щоб громіздкий апарат зробити якомога легшим, адже його потрібно підняти в повітря, використовуючи для цього досить малопотужний джерело енергії - людські м'язи, тобто чи 0,5 к.с. Саме через цю проблему премія Сікорського дуже довго не знаходила здобувачів.

У 2000-х з'явилися нові конструкційні матеріали, що дозволяють будувати легкі апарати небачених раніше розмірів і достатньої міцності. Повсюдно стали доступні потужні комп'ютери - з їх допомогою з'явилася можливість моделювати складні аеродинамічні потоки і аналізувати інформацію, отриману з закріплених на вертольоті датчиків.

Ще три роки тому, коли Стерак разом зі своєю командою приступив до створення першого прототипу Gamera, він майже відразу вийшов за межі областей, досить опрацьованих сучасної аеродинамікою. Коли вертоліт тільки відривається від землі, йому допомагає екранний ефект: крила, ковзаючі над самою землею, знаходять додаткову підйомну силу за рахунок підвищеного тиску під нижньою площиною. Ефект допомагає апарату відірватися від землі, однак погано піддається математичному моделюванню. Об'єктивно результат можна оцінити тільки експериментальним шляхом.

У конструкціях Atlas і Gamera відчувається творчий почерк їх творців. Пропелери вертольота Gamera наводяться в рух і руками, і ногами пілота. В результаті зусилля, прикладені людиною, більш плавно розподілені, згладжені імпульси, природно виникають, коли пілот по черзі тисне на педалі ногами. В апараті Atlas привід реалізований тільки від одних педалей, але зате руки пілота вільні, і він може управляти поворотними закрилками.

На зліт!

Повернемося в Торонто. Команда Atlas вже впоралася з переналагодження літального апарату, і Рейхерт приступає до останньої передпольотної перевірки - протягом хвилини він крутить пропелери, переконуючись, що механіка досить збалансована. Машина готова, та й час підтискає: Рейхерт орендував стадіон лише до п'ятої години вечора.

Пілот Пілот. Для вертольота Gamera пілоти підбираються строго за вагою і силовим характеристикам. В команду беруть велосипедистів масою не більше 60 кг. При цьому від них вимагається, щоб протягом хвилини вони могли, працюючи руками і ногами, видавати потужність не менше 8 ват в перерахунку на кілограм ваги. Педалі. Щоб потужність подавалася рівномірно, а не тільки в момент, коли нога натискає на педаль, пілот паралельно працює і руками, і ногами. Негативна сторона такого рішення полягає в тому, що у пілота зайняті руки, і йому нічим управляти вертольотом. Ферми. Щоб отримати максимальну міцність при мінімальній вазі, хрестові ферменние балки зроблені з мініатюрних ажурних фермочек. Їх матеріал - вуглепластик, укріплений полімерною смолою. Технологія виготовлення таких ферм запатентована університетом Меріленда. Маточини. Трансмісія мускулоліт працює тільки в одну сторону. Пілот крутить педалі руками і ногами, і тягнеться від них струна довжиною приблизно 50 метрів розмотується з шківів, розташованих над кожною маточиною. Перемотуючи зі шківа на шків, струна закінчується після 90 секунд роботи. Лопаті пропелерів. Кожну лопать виготовляли вручну. Для цього використовувалася плівка-майлар, якій обтягували нервюри з спіненого полістиролу, укріплені реберцями з бальси. Широка в підставі лопать дає велику підйомну силу і забезпечує достатню жорсткість.

О 16:30 він забирається в скелет свого апарату. Одночасно всі вісім лопатей починають описувати кола. Пропелери на секунду відриваються від штучної трави, але «спливають» нові неполадки, і через кілька секунд вертоліт сідає на місце. Нехай перемога поки не завойована, зате ще раз вдалося уникнути несподіваної аварії.

Тим часом на півдні, в Меріленді, справи теж йдуть своєю чергою. До вечора спортзал охоплений гарячковою діяльністю - Gamera, нарешті, готова до польоту. Четвірка, що утримувала пропелери, випускає лопаті і відбігає до стін спортзалу. Пропелери розкручуються, і за лічені секунди Gamera злітає на висоту людського зросту.

Можливість при кожному польоті садити в сідло нового вже не змученого пілота дозволяє вести запуск за запуском, і студенти наполегливо, крок за кроком, наближаються до заповітної мети. Тут же присутній і спостерігач від NAA (Національної асоціації повітроплавання), який має повноваження зареєструвати рекорд, якщо він буде поставлений. При кожній спробі представник вимірює досягнуту висоту, порівнюючи її з міткою на стіні залу. Крім того, він зіставляє відеокадри, зняті під різними кутами, і перевіряє дані від ультразвукових висотомірів, встановлених на кожній посадочної опорі.

Один з пілотів університетської команди, Колін Гор, крутить педалі руками і ногами Один з пілотів університетської команди, Колін Гор, крутить педалі руками і ногами. Gamera, вертоліт, побудований в Університеті штату Меріленд, поступово набирає висоту. Другий член команди, Елізабет Вайнер, стоїть поруч і дає вказівки. На її джинсах наклеєні мітки з кроком в 30 см - по ним можна оцінювати висоту польоту.

Але кожен раз, коли пілот поступово зменшує оберти і починає знижувати апарат, вертоліт неухильно ковзає в сторону. Приступаючи до розробки рекордного апарату, студенти вважали, що вимога засновників призу щодо майданчика 10 х10 м, з якої апарат не повинен вилітати, буде самої тривіальної частиною загальної задачі. Тому вони не забезпечили свій вертоліт ніякими керуючими пристроями. Тепер же ця проблема вилізла назовні і загрожує крахом усій їх підприємству.

О сьомій вечора Gamera піднялася до рекордної для себе висоти - 265 см - і зуміла приземлитися, що не виїхавши за межі запропонованого квадрата. Приз Сікорського, здається, вже в руках у студентів. Але о 9 годині прийшла біда: через жорсткий приземлення хруснула одна з ферм, і тепер вертоліт надовго прив'язаний до землі.

Але о 9 годині прийшла біда: через жорсткий приземлення хруснула одна з ферм, і тепер вертоліт надовго прив'язаний до землі

Весь наступний день команда спішно лагодить апарат, а ще через день один зі студентів піднімає гелікоптер на висоту 2 м 82 см. До показника, оголошеного засновниками призу, залишилося трохи. Правда, проблема з керуванням нікуди не зникла. В процесі спуску машина знову ковзає в сторону, причому швидше, ніж це було раніше, і в момент приземлення ламається ще одна ферма. Постраждалих немає, але роботи над проектом гальмуються до тих пір, поки студенти не розберуться з проблемою некерованості.

А на півночі, в Торонто, до кінця вікенду Рейхерт вдається зробити повноцінний зліт і протриматися в повітрі 15 секунд. Після цього він теж припиняє подальші випробування. Йому потрібно готуватися до майбутніх перегонів безмоторних апаратів, які повинні відбутися в штаті Невада, а після цього їх чекає робота над орнітоптер.

І ті й інші учасники цього змагання не дуже-то засмучені тим фактом, що після 32-річного очікування премія Сікорського поки ще нікому не дісталася. Несподівана відстрочка з фіналом драми тільки додала енергії всім її дійовим особам. Кожен з них усвідомлює, що в будь-який момент конкуренти можуть перехопити цей приз і покласти край 32-річній гонці. Для переможця вона завершиться світовою славою, а для інших учасників - всього лише купою нікому не потрібного мотлоху. Хто смів, той і з'їв - так вже влаштований цей світ.

Стаття «Дуель на пропелер» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2013 ).

Хочете заробити $ 250 000?
Вам здається це легко?