Цыклолет что это такое
Оригинальный летательный аппарат – Циклолет
Прогресс не стоит на месте и ежедневно в мире изобретаются новые приборы, устройства и аппараты. Не так давно на международном форуме «Армия-2020» Россия представила уникальный летательный аппарат – циклолет. Проект представлен в виде беспилотника весом 60 кг, однако на его базе через 4 года должны будут создать полноценную летательную машину для Министерства обороны России. беспилотник уже проходит всевозможные испытания, а разработчики прикладывают все усилия для того, чтобы аппарат в дальнейшем смог летать без подзарядки дольше 60 минут.
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?
На прошедшем международном форуме наконец на практике удалось убедиться о преимуществах принципа работы циклолета как летательного аппарата. При демонстрации умений нового беспилотного летательного аппарата были отмечены такие преимущества как вертикальный взлет и посадка, возможность зависания в воздухе и посадка на площадку ограниченных размеров. Многие скажут, что тоже самое умеет делать вертолет, поэтому «изобретать велосипед» не имеет смысла. Все так, однако, в отличие от вертолета, циклолет обладает защитой движителей, что автоматически делает возможным безопасный полет среди большого количества препятствий.
Помимо этого устройство обладает гораздо большей маневренностью, способностью причаливать к вертикальным поверхностям, возможностью осуществлять взлет и посадку на поверхности под наклоном. Летательный аппарат циклолет издает гораздо меньше шума, чем вертолет или даже квадрокоптер, что делает его перспективным проектом для использования в разведке. Безусловно, сегодня существуют и уникальные модели вертолетов, с улучшенными характеристиками, но они в любом случае будут уступать качественно произведенному циклолету. Обращаем внимание интересующихся, что чуть ранее мы публиковали статью «Какие страны производят лучшие вертолеты мира?» где можно подробнее познакомиться с самыми современными моделями.
Программа разработки циклолётов «Циклон». Новая реализация старой идеи
В сфере летательных аппаратов вертикального взлета и посадки безусловное лидерство принадлежит вертолетам. Однако продолжается поиск альтернативных схем, которые могут иметь реальные перспективы. В частности, прямо сейчас российские специалисты изучают концепцию т.н. циклолёта или циклокоптера. В рамках программы «Циклон» уже созданы и испытаны стендовые образцы и опытный летательный аппарат, а в ближайшем будущем ожидается появление полноразмерной машины.
«Свободный взлет»
В 2017 г. российский Фонд перспективных исследований (ФПИ) запустил конкурс «Свободный взлет». Его задачей был поиск альтернативных схем летательного аппарата вертикального / сверхкороткого взлета, способных составить конкуренцию вертолету. Одну из заявок на конкурс подала компания «Флэш-М» (г. Красноярск), объединившая представителей творческой группы «Арей» и Института теплофизики Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН).
«Флэш-М» выступила с предложением о создании т.н. циклолета. Ученые ИТ СО РАН давно прорабатывают эту концепцию и проводят теоретические и экспериментальные исследования. Собран большой объем данных и продемонстрирован стендовый образец перспективного циклического движителя / циклоидного пропеллера. Предложение «Флэш-М» заинтересовало ФПИ, и именно эта организация стала победителем «Свободного взлета».
В 2018 г. ФПИ запустил проект «Циклон», в ходе которого планировалось продолжать работы по теме циклолетов, а также строить и испытывать первые опытные образцы. Также в рамках этого проекта изучаются вопросы дальнейшего производства, внедрения и эксплуатации полноразмерной техники, пригодной к реальному использованию.
В июле 2020 г. «Флэш-М» провела первые летные испытания опытного беспилотника-циклолета. Аппарат массой 50 кг получил четыре оригинальных циклических движителя. Были подтверждены его способности к вертикальному взлету и посадке, горизонтальному полету и маневрам. Кроме того, продемонстрировали некоторые возможности, недоступные вертолетам. Вскоре после этого другой опытный беспилотник под названием «Циклон-2020» показали на форуме «Армия-2020».
Планы на будущее
В апреле этого года было объявлено о старте нового этапа работ. Теперь целью проекта «Циклон» является создание полноразмерного опционально пилотируемого летательного аппарата массой до 2 т с грузоподъемностью 600 кг. Такой «Циклокар» планируют вывести на испытания уже в следующем году. В средней перспективе может начаться массовое производство и внедрение такой техники в разных сферах.
Разработчики «Циклона» планируют создать целую линейку техники, основанную на общих принципах и технологиях. Грузы массой до 20 кг возьмет на себя 60-кг БПЛА «Циклодрон». Более крупные грузы, в т.ч. пассажиров, должен будет перевозить 2-тонный «Циклокар». В отдаленном будущем может появиться тяжелый «Циклотрак», который при взлетной массу 10 т сможет перевозить до 4 т груза.
Предполагается, что циклолеты новых типов найдут применение в сфере грузо- и пассажироперевозок. Также ими могут заинтересоваться военные, спасатели и т.д. В некоторых областях, предъявляющих особые требования, такая техника сможет заменить вертолеты. Ее преимуществами считают меньшие габариты и массу, а также более высокую маневренность и устойчивость.
Для выполнения заказов на технику планируется создать новый авиастроительный завод. У организации-разработчика уже имеется бизнес-план, а также сообщается о наличии инвесторов, готовых обеспечить его выполнение.
Технические особенности
В рамках программы «Циклон» изучается и отрабатывается универсальная схема летательного аппарата-циклолета, которую затем будут использовать во всех запланированных проектах. Эта схема поддается масштабированию, вследствие чего компактный «Циклодрон» и тяжелый «Циклотрак» будут похожи друг на друга.
Предлагаемая схема предусматривает строительство летательного аппарата с четырьмя циклическими движителями, попарно размещенными по бокам обтекаемого фюзеляжа. В конструкции предлагается максимально широко использовать пластики и композитные материалы, что позволит повысить весовое совершенство.
Циклолеты будут получать гибридную или полностью электрическую энергоустановку. В обоих случаях вращение движителей обеспечивается электромоторами. Разрабатывается электродистанционная система управления с максимальной автоматизацией. Она должна будет работать полностью самостоятельно или выполнять команды пилота, разгружая его.
Главное новшество проекта – т.н. циклический движитель. Это устройство представляет собой набор из пяти лопастей ограниченной длины, установленных между боковыми дисками. Лопасти имеют возможность свободно вращаться вокруг продольной оси; специальный механизм – подобие автомата перекоса на вертолете – устанавливает их общий и циклический шаг.
При вращении движителя, лопасти совершают движение по круговой траектории. В ее верхней и нижней части механизм управления выставляет им угол атаки, обеспечивающий создание подъемной силы. Схожий принцип используется и для создания горизонтальной тяги. Одновременное применение четырех таких движителей создает широкие возможности для вертикального и горизонтального полета, различных маневров и т.д.
Конструкция циклического движителя может иметь разные размеры. Так, на стенде уже испытано изделие диаметром и шириной 1,5 м. Движитель такого размера предназначен для «Циклокара» массой 2 т. Это значит, что одно такое устройство создает тягу 500 кг. По расчетам, такой аппарат сможет развивать скорость до 250 км/ч и лететь на 500 км. Длина и ширина изделия будут на уровне 6 м.
Преимущества и перспективы
Главное преимущество циклолета / циклокоптера перед вертолетом заключается в меньших размерах ключевых агрегатов. При тех же показателях тяги, циклоидный пропеллер оказывается значительно меньше воздушного винта. Движитель циклолета постоянно работает в одном положении; отсутствие необходимости наклона позволяет ему создавать горизонтальную тягу без сокращения вертикальной.
Летательный аппарат с несколькими циклоидными пропеллерами способен создавать тягу в разных направлениях и за счет этого выполнять различные маневры, в т.ч. недоступные вертолету. За счет совершенствования систем установки угла лопастей можно расширить допустимые углы тангажа в полете. В частности, благодаря этому циклолет, в отличие от вертолета, способен взлетать с наклонных поверхностей и садиться на них.
Разработчики отмечают безопасность летательного аппарата. Циклоидные пропеллеры несложно оснастить защитой. К примеру, на выставочном «циклодроне» использовалось устройство из пары дисков с перемычками между ними. Внутри этого устройства помещался пропеллер. «Циклокар» на опубликованных изображениях имеет защиту в виде сетки. Кроме того, аппарат не будет шумным: в этом отношении он не должен отличаться от обычного автомобиля.
Впрочем, оригинальная схема имеет определенные недостатки, избавиться от которых достаточно сложно. В первую очередь, это отсутствие большого опыта в деле разработки, строительства и эксплуатации подобной техники. Исследования и отработка новых решений потребуют немало времени, и только после этого циклолеты смогут рассчитывать на какое-либо место в грузоперевозках. Вертолеты, в отличие от них, уже хорошо изучены и освоены, что в известной мере упрощает как разработку, так и эксплуатацию.
Проблема опыта усугубляется тем, что циклолет технически сложнее вертолета. Так, в схеме от «Флэш-М» и ИТ СО РАН используется сразу четыре оригинальных движителя. Каждый из них не отличается простотой, а их совместное использование приводит к необходимости решения новых инженерных задач в области энергоснабжения и приводов, аэродинамики, управления и т.д.
Средний циклолет программы «Циклон» рассматривается в качестве массового образца, в перспективе способного взять на себя роль «воздушного такси». Из этого следует новый вызов: разработчикам и регулирующим органам предстоит определить правила эксплуатации таких летательных аппаратом, проработать вопросы безопасности и т.д. Как утверждается, участники проекта уже сейчас занимаются этими проблемами.
Техника будущего?
Следует напомнить, что проект «Циклон» от ФПИ, «Флэш-М» и ИТ СО РАН не является первым в свое роде. Идея циклолета / циклоптера была предложена еще в начале прошлого века. В 1909 г. российский инженер Е.П. Сверчков построил «колесный ортоптер» – летательный аппарат с двумя «гребными колесами». Изделие так и не взлетело по причине не самой совершенной конструкции и из-за недостатка мощности двигателя.
В дальнейшем новые циклолеты неоднократно разрабатывались и строились в нашей стране и за рубежом. Однако даже самые удачные проекты не продвинулись дальше летных испытаний моделей – сказывались сложность концепции и несовершенство конструкций. Кроме того, необычные летательные аппараты не могли составить конкуренцию уже привычным вертолетам.
В последние десятилетия о циклолетах вспомнили вновь. Современные научные методы, технологии и материалы позволяют изучить и реализовать такую концепцию на новом уровне. В нашей стране такие работы осуществляются в рамках проекта «Циклон», который уже прошел через макетную стадию и приближается к испытаниям полноразмерного пилотируемого / беспилотного аппарата. Смогут ли ученые и инженеры справиться со всеми стоящими задачами – станет ясно в ближайшем будущем. Первый полет «Циклокара» состоится уже в следующем году.
Цикложир: что это такое и почему не летает
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
Цикложир — это самолет с винтами, напоминающими гребные колеса парохода. Вращаясь, лопасти «загребают» воздух и отбрасывают его назад, за счет этого создавая реактивную и подъемную силы, толкающие аппарат. Причем лопасти укреплены на роторе не жестко: они движутся относительно его оси по определенному закону, изменяя угол атаки. Прийти к идее цикложира было легко: как раз на колесные пароходы и ориентировались изобретатели. Но при проектировании нужно было учитывать значительную разницу в плотности воды и воздуха. Если мерно вращающееся гребное колесо легко продвигало корабль по водной глади вперед, то лопасти цикложира должны были не только толкать машину, но и удерживать ее в воздухе, что представлялось гораздо более трудной задачей.
Но вернемся к Сверчкову и его идее. Первой ошибкой инженера был выбор спонсора: цикложир был построен на деньги Главного инженерного управления в Петербурге, то есть на средства армии. Любая неудача печально аукнулась бы изобретателю (собственно, так и вышло). Подъемная сила и тяга «Самолета» (такое банальное название получил аппарат) создавались неким подобием лопастей числом 12 штук. Лопасти были установлены попарно под углом 120°, но установочный угол можно было менять с помощью системы пружин и эксцентриков. Вращаясь, лопасти отбрасывали воздух вниз и назад. Привод осуществлялся от 10-сильного двигателя конструкции швейцарца Альфреда Бюши посредством ременной передачи. Основной упор Сверчков делал на легкость конструкции: масса пустого аппарата — 200 кг, рама из бамбуковых трубочек, отбрасываемое шасси.
В 1909 году машина демонстрировалась в Санкт-Петербурге на выставке новейших технических достижений и получила медаль — хотя еще ни разу не испытывалась! Первый полет был назначен на ночное время. Публика прослышала об этом и в три часа ночи собралась, чтобы посмотреть на диковинную машину в работе. Но полет не состоялся. Как и следовало предположить, плоскости «гребных лопат» не хватило даже для того, чтобы сдвинуть ортоптер (такое название тоже бытовало в народе) с места. Сверчков получил на свою голову серьезные неприятности, связанные с растратой казенных средств, а затем бросил инженерию и ударился в политику. Но начало было положено.
Дальнейшие попытки
1910-е годы дали миру еще несколько проектов цикложиров, причем два из них были разработаны в России. Изобретатели первым делом представили свои проекты отделу изобретений Военно-промышленного комитета и в обоих случаях получили справедливые отказы. Когда небо над Европой уже бороздили юркие «Ньюпоры» и «Фарманы», выбрасывать деньги на экзотические конструкции, да еще и в разгар войны, правительство не собиралось. Поэтому и проект Медведева (1914), и проект Михайлова (1916) были обречены на неудачу.
История свидетельствует, что в 1910-х годах цикложиры строили еще во Франции и Германии, сохранились рисунки и даже кадры черно-белой кинопленки с попытками запустить подобные аппараты. Но более ничего об этом периоде сказать нельзя. Как же так? — спросите вы.- Неужели ничего неизвестно? Ничего, причем по очень простой причине. Ни российские разработки, ни загадочные европейские цикложиры не были запатентованы. В 1920 году американец Брукс построил еще один аппарат, оснащенный легким мотором «Форд», — и тоже не защитил его авторским свидетельством. От ротоплана Брукса остались хотя бы фотографии, по которым можно судить, что этот аппарат вряд ли поднимался в воздух.
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.
Колдуэлл был странной фигурой. Никто ничего не знал о его частной жизни, а в 1930-х он и вовсе загадочно исчез. В феврале 1923 года Колдуэлл появился в офисе патентного бюро американского штата Калифорния с проектом, которому он дал название Cyclogyro — именно он придумал это слово и ввел его в употребление. До того говорили «ротоплан», «ортоптер» или «орнитоптер». Цикложир Колдуэлла представлял собой обычный самолет, вместо крыльев оборудованный двумя роторами. На каждом роторе были установлены четыре небольших «крыла», способных изменять угол атаки. Роторы приводились в движение одним двигателем, установленным внутри фюзеляжа.
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
В 1930 году в городе Сан-Франциско американский инженер немецкого происхождения Шредер построил один из самых известных на сегодняшний день цикложиров — одномоторный самолет S-1 с мотором «Гендерсон». В отличие от своих предшественников, Шредер понял, что обеспечить подъемную силу с помощью небольших роторов непросто, и сохранил своему самолету обычные крылья. «Цикложирная» составляющая представляла собой два «циклоидных пропеллера», напоминающих все те же пароходные колеса. На испытаниях S-1 показал себя лучше прочих: он сумел оторвать переднее шасси от земли, приподняв нос. Большего Шредеру добиться не удалось.
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.