Как летают вертолеты на мускульном приводе

Atlas — это машина, построенная Тоддом Рейхертом для соискания премии Сикорского — между прочим, $250 000, не шутка! Деньги достанутся тому, кто первым поднимется в воздух на вертолете с мускульной тягой. Премия была учреждена в 1980 году, но в течение длительного времени никто не осмеливался заявить на нее свои права. Зато в 2012-м премия внезапно получила новый виток популярности. Видимо, сейчас, когда самолеты зачастую летают без помощи человека, снова разгораются страсти вокруг древних фантазий — научиться летать, не используя для этого ничего, кроме мускульной силы.

Требования, поставленные перед претендентами на премию Сикорского, выглядят скромно. Для победы винтокрылая машина на мускульной тяге должна, оторвавшись от земли, продержаться в воздухе 60 секунд, поднявшись на высоту 3 м. При этом центр аппарата не должен выходить за пределы площадки 10 х 10 м. С 1980 года в воздух сумели подняться только пять вертолетов на мускульной тяге, и ни один не выполнил необходимых требований. В 1989 году самый первый из них смог продержаться в воздухе 8,6 с. Второй в 1994 году провисел над землей уже 20 с. В 2011 году студенты из Университета штата Мэриленд затеяли проект под названием Team Gamera и к 2012 году регулярно совершали «подлеты» длительностью 50 с. Эти успехи вдохнули надежды в зачинателей проекта Upturn, который сейчас развертывается в Политехническом университете штата Калифорния, равно как и в канадскую команду под руководством Рейхерта.

Конькобежец мирового класса, Рейхерт крепко сложен и потому сам может пилотировать свой аппарат. Первые эскизы вертолета Atlas он сделал в конце 2011 года, затем всю зиму провел за чертежами, прорабатывая детали. Прошлой весной с помощью системы Kickstarter он раздобыл $35 000 на реализацию своего проекта. А летом при поддержке студентов-добровольцев собрал аппарат в старом амбаре.

Atlas радикально отличается от аналогов механизмом управления полетом. Пилот может менять угол атаки у поворотных крылышек, размещенных над концами несущих лопастей, и таким образом задавать направление полета. К слову, чтобы как можно дольше сохранять свою конструкцию в тайне, канадцы старались не светиться в интернете. Как говорит Рейхерт, «еще никто до нас не конструировал систему управления для вертолета, летающего на мускульной силе».

30 августа 2012 года Рейхерт смог лишь частично оторвать свой аппарат от земли — это не так и плохо, но времени остается все меньше и меньше. Главным препятствием на пути к победе следует считать не законы физики, а конкурентов — команду из университета штата Мэриленд, поскольку они тоже почти дотянулись до заветного приза. В их распоряжении больше денег, больше добровольных помощников, да и доводкой своего аппарата они занимаются намного дольше. Если удача окажется на их стороне — а сегодня это представляется вполне вероятным, — вся работа Рейхерта пойдет насмарку.

В 600 км к югу, на окраине Вашингтона (округ Колумбия) Уильям Стэрак, глава студенческой команды при Университете штата Мэриленд, работает над своим летательным аппаратом. Дело происходит в крытом физкультурном зале, и здесь собралась дюжина студентов — посмотреть, будет ли зарегистрирован официальный рекорд. Последняя модификация летательного аппарата Стэрака, Gamera II XR, в общих чертах похожа на Atlas. Четыре углепластиковые фермы расходятся от подвешенного по центру пилотского сиденья к размещенным по периметру двухлопастным винтам. Единственное отступление от жестких требований функциональности — талисман в виде плюшевой черепашки перед сиденьем пилота. Gamera чуть меньше, чем Atlas, чуть полегче и облетана значительно лучше. С 2008 года студенты Мэрилендского университета отрабатывали одну модификацию этого аппарата за другой. У них уже зафиксированы полеты длительностью более 70 секунд и высотой больше 2,5 м. Не хватает совсем чуть-чуть.

В отличие от Рейхарта, 24-летний Стэрак — инженер, а не спортсмен. Он с деловым видом расхаживает по спортплощадке, что-то с кем-то обсуждает, проверяет какие-то узлы. Он стремится не к личной славе и не к богатству — всю призовую сумму передадут в ректорат. «Мы боремся не за личный успех, а за честь нашего университета», — говорит Стэрак.

Большая часть технических проблем проистекает из того факта, что вертолет принципиально далек от хоть какой-то энергоэффективности. «У вертолета тяга должна быть направлена вертикально вверх, то есть пилот должен тащить в вертикальном направлении весь свой вес и вес аппарата, — говорит Стэрак. — Из этого следует, что на полет вертолета с мускульным приводом необходимо затратить в три-четыре раза больше энергии, чем на полет аналогичного самолета».

Идея, положенная в основу обоих проектов, незамысловата. Если нам нужна тяга, мы можем выбрать два варианта: либо отбрасываем небольшие порции воздуха, но с большой скоростью (это происходит в реактивном двигателе), либо же воздействуем на большие воздушные массы, придавая им лишь незначительный импульс (так работают тонкие и длинные крылья планера). Второй вариант обещает больший КПД — это и предопределило огромные размеры аппаратов Atlas и Gamera. Если мы хотим взлететь, располагая весьма скромной мощностью, мы должны воздействовать на большие объемы воздуха, плавно направляя их вертикально вниз.

Другая задача состоит в том, чтобы громоздкий аппарат сделать как можно более легким, ведь его нужно поднять в воздух, используя для этого весьма маломощный источник энергии — человеческие мускулы, то есть едва ли 0,5 л.с. Именно из-за этой проблемы премия Сикорского очень долго не находила соискателей.

В 2000-х появились новые конструкционные материалы, позволяющие строить легкие аппараты невиданных ранее размеров и достаточной прочности. Повсеместно стали доступны мощные компьютеры — с их помощью появилась возможность моделировать сложные аэродинамические потоки и анализировать информацию, полученную с закрепленных на вертолете датчиков.

Еще три года назад, когда Стэрак вместе со своей командой приступил к созданию первого прототипа Gamera, он почти сразу вышел за пределы областей, достаточно проработанных современной аэродинамикой. Когда вертолет только отрывается от земли, ему помогает экранный эффект: крылья, скользящие над самой землей, обретают дополнительную подъемную силу за счет повышенного давления под нижней плоскостью. Эффект помогает аппарату оторваться от земли, однако плохо поддается математическому моделированию. Объективно результат можно оценить только экспериментальным путем.

В конструкциях Atlas и Gamera чувствуется творческий почерк их создателей. Пропеллеры вертолета Gamera приводятся в движение и руками, и ногами пилота. В результате усилия, прилагаемые человеком, более плавно распределены, сглажены импульсы, естественно возникающие, когда пилот поочередно давит на педали ногами. В аппарате Atlas привод реализован только от одних педалей, но зато руки пилота свободны, и он может управлять поворотными закрылками.

Вернемся в Торонто. Команда Atlas уже справилась с переналадкой летательного аппарата, и Рейхерт приступает к последней предполетной проверке — в течение минуты он крутит пропеллеры, убеждаясь, что механика достаточно сбалансирована. Машина готова, да и время поджимает: Рейхерт арендовал стадион лишь до пяти часов вечера.

В 16:30 он забирается в скелет своего аппарата. Одновременно все восемь лопастей начинают описывать круги. Пропеллеры на секунду отрываются от искусственной травы, но «всплывают» новые неполадки, и через несколько секунд вертолет садится на место. Пусть победа пока не завоевана, зато еще раз удалось избежать неожиданной аварии.

Тем временем на юге, в Мэриленде, дела тоже идут своим чередом. К вечеру спортзал охвачен лихорадочной деятельностью — Gamera, наконец, готова к полету. Четверка, удерживавшая пропеллеры, выпускает лопасти и отбегает к стенам спортзала. Пропеллеры раскручиваются, и за считанные секунды Gamera взлетает на высоту человеческого роста.

Возможность при каждом полете сажать в седло нового, не измученного пилота позволяет вести запуск за запуском, и студенты упорно, шаг за шагом, приближаются к заветной цели. Тут же присутствует и наблюдатель от NAA (Национальной ассоциации воздухоплавания), имеющий полномочия зарегистрировать рекорд, если он будет поставлен. При каждой попытке представитель измеряет достигнутую высоту, сравнивая ее с меткой на стене зала. Кроме того, он сопоставляет видеокадры, снятые под разными углами, и проверяет данные от ультразвуковых высотомеров, установленных на каждой посадочной опоре.

Но каждый раз, когда пилот постепенно уменьшает обороты и начинает снижать аппарат, вертолет неуклонно скользит в сторону. Приступая к разработке рекордного аппарата, студенты полагали, что требование учредителей приза насчет площадки 10 х10 м, из которой аппарат не должен вылетать, будет самой тривиальной частью общей задачи. Поэтому они не снабдили свой вертолет никакими управляющими устройствами. Теперь же эта проблема вылезла наружу и грозит крахом всему их предприятию.

В семь вечера Gamera поднялась до рекордной для себя высоты — 265 см — и сумела приземлиться, не выехав за рамки предписанного квадрата. Приз Сикорского, кажется, уже в руках у студентов. Но в 9 часов пришла беда: из-за жесткого приземления хрустнула одна из ферм, и теперь вертолет надолго привязан к земле.

Весь следующий день команда спешно чинит аппарат, а еще через день один из студентов поднимает геликоптер на высоту 2 м 82 см. До показателя, объявленного учредителями приза, осталось чуть-чуть. Правда, проблема с управлением никуда не исчезла. В процессе спуска машина снова скользит в сторону, причем быстрее, чем это было раньше, и в момент приземления ломается еще одна ферма. Пострадавших нет, но работы над проектом тормозятся до тех пор, пока студенты не разберутся с проблемой неуправляемости.

А на севере, в Торонто, к концу уикенда Рейхерту удается совершить полноценный взлет и продержаться в воздухе 15 секунд. После этого он тоже прекращает дальнейшие испытания. Ему нужно готовиться к грядущим гонкам безмоторных аппаратов, которые должны состояться в штате Невада, а после этого их ждет работа над орнитоптером.

И те и другие участники этого состязания не слишком-то огорчены тем фактом, что после 32-летнего ожидания премия Сикорского пока еще никому не досталась. Неожиданная отсрочка с финалом драмы только прибавила энергии всем ее действующим лицам. Каждый из них сознает, что в любой момент конкуренты могут перехватить этот приз и положить конец 32-летней гонке. Для победителя она завершится мировой славой, а для остальных участников — всего лишь грудой никому не нужного хлама. Кто смел, тот и съел — так уж устроен этот мир.