Цикложир: что это такое и почему не летает
Обсудить 2
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.
Патент на цикложир вертикального взлета и посадки был получен американским изобретателем Томасом Шарпом 25 марта 1980 года. Как и многие другие конструкции, цикложир Шарпа так и не был построен, но одна из иллюстраций, приведенных Шарпом в патенте, очень наглядно демонстрирует принцип работы лопастей ротора. Лопатки не жестко укреплены на роторе, но изменяют свой угол в процессе вращения за счет дополнительного крепления к несоосному цилиндру, укрепленному на той же оси, что и ротор. Изменяющаяся геометрия позволяет лопаткам «захватывать» воздушный поток, пропускать его через ротор и выбрасывать с другой стороны, толкая цикложир вперед. Шарп прекрасно понимал, насколько сложно создать ротор, который обеспечивал бы как подъемную, так и реактивную силы, поэтому его цикложир имел крылья и хвостовое оперение.
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.
1909. Самолет Сверчкова (Россия). Стал первым в истории летательным аппаратом, построенным по принципу цикложира. До наших дней дошла одна-единственная фотография устройства Сверчкова, но и по ней прекрасно видно, что аппарат вряд ли смог бы подняться в воздух. 10-сильный двигатель конструкции Бюши не смог даже сдвинуть «Самолет» с места во время единственной сессии полевых испытаний.
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.
Рисунок, сделанный самим Колдуэллом для патента, отличался редкой неаккуратностью. Цикложир Джонатана Колдуэлла был скорее проектом по выбиванию денег из спонсоров, нежели реальным летательным аппаратом. Его Gravity Aeroplane Company существовала в основном на бумаге, а сам Колдуэлл каждые несколько лет загадочно исчезал, чтобы вернуться с еще более безумным проектом. Тем не менее Колдуэлл первым придумал схему, ставшую типичной для последующих конструкций, ввел в технический язык понятие «цикложир» и получил первый в истории патент на подобную машину. Из последнего можно было представить внешний вид летательного аппарата, но Колдуэлл не удосужился уделить внимание таким «незначительным» деталям, как углы наклона лопастей по отношению к набегающему потоку.
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.
Филадельфийский инженер Хэвиленд Платт запатентовал свою машину в 1933 году, основываясь на журнальных публикациях сумрачного немецкого гения Адольфа Рорбаха. Лопасти цикложира Платта меняли угол атаки с положительного на отрицательный на каждом обороте, создавая подъемную силу. Теоретически подобная система могла создать любую комбинацию подъемной и реактивной сил. Платт даже нашел деньги на постройку цикложира, но до окончания работ дело не дошло. Впоследствии Платт отказался от идеи цикложира и спроектировал один из первых в истории двухвинтовых вертолетов поперечной схемы Platt-LePage XR-1, который был построен, успешно прошел испытания и принес Платту заслуженную славу в своей области, хотя и не пошел в серийное производство.
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.
В 1927 году патент был получен, но Колдуэлл к тому времени уже отказался от дальнейшей работы с цикложиром и подал заявку на свое новое безумное изобретение — орнитоптер с машущими крыльями. Изобретатель «всплыл» впоследствии еще раз с новым проектом ротоплана в 1930-х, но это было последнее появление инженера на публике. Тем не менее идея Колдуэлла получила довольно широкую известность, и цикложиры начали появляться как грибы после дождя.
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.
Cyclogyro (США, 1930). Гребной винт, приводивший в движение созданный в Сан-Франциско самолет, получил название «циклоидный пропеллер». Но, несмотря даже на наличие крыльев, Cyclogyro от земли не оторвался…
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.
По сути своей Fanwing — это прямой наследник цикложиров, только нормально летающий. Помимо Пиблса концепцию крыла-вентилятора разрабатывает и еще одна компания, находящаяся в ведении NASA, — Propulsive Wing. Крыло самолета подобного типа довольно «толстое», а там, где у обычного летательного аппарата расположены лонжероны, у Propulsive Wing находится ротор-вентилятор. Он засасывает воздух, обтекающий верхнюю плоскость, и выпускает его через отверстие в задней оконечности крыла, таким образом создавая дополнительную подъемную силу за счет разрежения на верхней плоскости и дополнительную тягу за счет реактивного эффекта. На сегодняшний день компания проводит регулярные испытания действующих моделей Propulsive Wing. Летают небольшие самолеты вполне успешно, дело за малым — осталось лишь построить полноразмерную машину.
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.
