По ветру быстрее ветра

Буквально через неделю дискуссия, как лесной пожар, разгорелась на десятках виртуальных гектаров Паутины. Скептики, которых было подавляющее большинство, утверждали, что ничто подобное, как и вечный двигатель, невозможно в принципе. Причем в их рядах, помимо дилетантов-всезнаек, было немало профессионалов в области аэродинамики и опытных яхтсменов, знающих капризную натуру ветра. Их аргументы выглядели бронебойно — когда гипотетический аппарат, идущий строго по ветру, достигнет скорости самого ветра, он будет неизбежно остановлен относительным встречным ветром. Кроме того, если учесть, что КПД любой механической системы всегда меньше сотни (а на практике редко переваливает за полтинник), то идея выглядит и вовсе несерьезной.

Через некоторое время кому-то из спорщиков удалось раскопать потрясающие факты. Оказывается, проблема движения ПВБВ («По ветру быстрее ветра») была успешно разрешена еще в 1960-х неким Эндрю Бауэром, инженером по аэродинамике летательных аппаратов в корпорации Douglas Aircraft. В 1969 году Бауэр поспорил со своим боссом, что построит машину, которая разгонится быстрее попутного ветра. Машина Бауэра, судя по единственному сохранившемуся снимку, была далека от совершенства, но ему удалось выиграть пари, показав пусть символический, но все-таки принципиальный результат — 1,2 скорости ветра. Впрочем, одеревеневшая логика скептиков сопротивлялась до последнего — бедного Бауэра, давно почившего в бозе, окрестили мистификатором, а его аппарат — неуклюжим муляжом, сделанным на живую нитку.

В 2006 году, когда дискуссия стала переходить на уровень «сам дурак», на сцене появился некий Джек Гудман, бывший инженер и заядлый яхтсмен из Флориды. Быстро устав от бесполезной болтовни, Гудман взял да и построил радиоуправляемую модельку аппарата с тремя колесами и воздушным винтом. Прямо на улице, проходящей мимо дома Гудмана, она, толкаемая вперед попутным ветерком и тягой винта, наглядно продемонстрировала правоту Кавалларо и Бортона. Испытания были сняты на камеру, а клип выложен на YouTube.

Казалось бы, противникам идеи осталось лишь капитулировать, но произошло обратное. Помои полились на Гудмана зловонным потоком. Одни неверующие комментаторы обвиняли его в том, что к аппарату была привязана тончайшая леска, другие — в том, что дорога шла под уклон, а контрольные приборы были специально подкручены, третьи кричали, что внутри конструкции был установлен маленький моторчик с батарейками. Для того чтобы урезонить толпу, жаждущую распять беднягу Гудмана и саму концепцию ПВБВ на воздушном винте, Кавалларо и Джей Би решили взять быка за рога и создать пилотируемую машину, способную обогнать ветер.

Наиболее внятный анализ концепции движения ПВБВ был представлен профессором Массачусетского технологического института Марком Дрелой в начале прошлого года. Дрела скрупулезно рассчитал аэромеханику процесса и доказал, что в нем нет никаких противоречий с законами физики и тем более не наблюдается фантома вечного движения. Залог успеха — это эффективный пропеллер, простая трансмиссия с допустимым уровнем потерь и хороший трек с поверхностью типа крупной наждачки. Никаких аккумуляторов, никаких стартовых устройств — только аппарат и ветер, единственный источник энергии в системе.

Работает аппарат так: попутный ветер сдвигает машину с места, как предмет с необтекаемой формой, и колеса начинают свое вращение, раскручивая пропеллер. Тот, в свою очередь, создает тягу и толкает машину вперед. Из-за этого колеса начинают крутиться быстрее — следовательно, растут обороты пропеллера. Пока ветер дует — аппарат разгоняется. Заметьте, пропеллер никогда не крутит колеса и не вращается за счет энергии ветра напрямую.

В таком виде объяснение представляет собой не что иное, как модель вечного двигателя, который, как известно, не может существовать в природе. Для преодоления силы трения и сопротивления воздуха аппарату нужна энергия. У ветра ее предостаточно: недаром могучие воздушные течения с легкостью увлекают за собой и легкие яхты, и гигантские парусники. Нужна лишь «труба», которая позволит выкачать энергию из ветра.

Эта «труба» скрывается в разнице между воздушной скоростью аппарата и скоростью движения относительно земли. Представьте себе, что при скорости попутного ветра 10 км/ч машина едет по земле со скоростью 20 км/ч. Через незамысловатую трансмиссию колеса стремятся передать всю свою энергию пропеллеру. Последний же движется относительно воздуха со скоростью всего 10 км/ч, поэтому имеет потенциал для разгона. Пока ветер будет дуть, колеса всегда будут «обгонять» пропеллер на лишние 10 км/ч, а пропеллер — «мчаться за ними вдогонку». Ширина нашей «трубы» ограничена эффективностью пропеллера и потерями в трансмиссии. На определенной скорости трение и аэродинамическое сопротивление возьмут верх, и разгон прекратится.

Колеса и пропеллер похожи на две лодки, которые движутся по разным каналам: в одном вода стоит, а в другом есть течение. Первая лодка отдает второй всю свою энергию, а вторая подтягивает первую за собой. Кстати сказать, для надводных судов с пропеллером и турбиной, выполняющей роль колеса, превышение скорости попутного ветра — сложнейшая техническая задача. Причина кроется в очень сильном сопротивлении среды. А вот сухопутные парусники такого типа можно делать буквально на коленке, что и доказали Кавалларо с приятелем.

Рик и Джон не использовали никаких высоких технологий и чудо-материалов, если, конечно, не считать хайтеком ленту из карбона, пенопласт и стекловолокно. Фрезерный станочек с ЧПУ, сверлилка, набор юного столяра, много-много наждачной бумаги и правильно заточенные руки — вот и все, что нужно, чтобы бросить вызов ветру. Ну и голова, разумеется. Голов, кстати, было две, даже две с половиной: Рик Кавалларо, Джон Бортон, способный заставить летать даже утюги, и некий студент-дипломник из Университета Сан-Хосе. История не сохранила его имени, так как Рик и Джей Би видели его в гараже нечасто.

Главным спонсором выступила компания Joby Energy, а уже на заключительной стадии к ней присоединился Google. Бюджет проекта, судя по всему, был довольно постным — в дело пошли не только покупные детали, но и старый горный велосипед, ролики от соседского скейтборда, бэушные композитные мачты от виндсерфа, сетка от гамака и другие нужные в хозяйстве вещи.

За основу будущего покорителя ветра, названного Blackbird («Дрозд»), взяли конструкцию Эндрю Бауэра- приземистый трицикл с «ведущей» задней осью и управляемым пропеллером на мачте. Трансмиссию поначалу предполагали сделать в виде двух катушек с нитками — прочный и очень тонкий кевларовый шнур длиной в несколько километров должен был наглядно продемонстрировать главный постулат концепции: «колеса крутят пропеллер и никогда — наоборот». На старте полной должна быть ведущая катушка, а на финише — ведомая, находящаяся в обтекателе пропеллера.

Вскоре от этого решения отказались в пользу надежной и бесконечной велосипедной цепи. Ее КПД составляет не менее 90−95%. Спицевые колесные диски с глухими аэродинамическими колпаками пришлось делать вручную, как и механизм управления шагом пропеллера. Передняя вилка от велосипеда перекочевала в носовую часть аппарата, а ведущая звездочка от него же стала базовым компонентом трансмиссии.

Наиболее сложные детали «Дрозда» — пропеллер с редуктором. Форма толкающего винта была тщательно просчитана на компьютере, а затем так же тщательно воспроизведена в металле, пене и стекловолокне. Корпус трицикла из алюминиевого профиля и пенопласта, оклеенного стекловолокном, зализывался уже на финише проекта под конкретного пилота — Рика Кавалларо.

Весной этого года болид был полностью готов к бою и во время восьми пробных заездов на короткой взлетке аэродрома «Новый Иерусалим» при попутном ветре в 21,73 км/ч разогнался до 61,93 км/ч, в 2,85 раза быстрее воздушного потока. Блестящий результат в первых же испытаниях воодушевил команду «Дрозда», и в мае Кавалларо начал переговоры с важными птицами из Североамериканской ассоциации скоростных наземных парусных судов NALSA об организации рекордных заездов в совершенно новом классе аппаратов. В июне согласие NALSA было получено, и в начале июля на высохшем озере Эль Мираж Blackbird, обвешанный многочисленными датчиками, несколько раз промчался со скоростями, превышающими поток в 3,5раза. Самыми неудачными в сете стали попытки с коэффициентом 2,5 при рваном ветре.

Невероятный аппарат Кавалларо и Бортона настолько понравился ребятам из NALSA, что они решили не брать с «дроздов» вступительный взнос. На момент, когда пишутся эти строки, решение NALSA об установлении официального мирового рекорда еще не получено, но то, что он состоялся, — факт. Хотя бы по той причине, что «Дрозд» — пока единственный претендент в своем классе.