Аэромобили на циклороторах: почему Россия и Австрия выбрали для «транспорта будущего» технологию вековой давности
Циклокоптеры вместо обычных винтов используют роторы особой конструкции, похожие на гребные колёса старых пароходов.
Циклоротор, он же пропеллер Фойта-Шнайдера Фото CycloTech
Австрийская компания CycloTech показала первый испытательный полёт своей платформы для будущих электрических аэротакси с вертикальным взлётом и посадкой. Конструкция массой 83 килограмма оторвалась от земли и провела в воздухе несколько минут благодаря тяге четырёх цилиндрических циклороторов, расположенных по бокам.
Весной 2021 года похожую платформу с четырьмя циклороторами успешно испытал российский Фонд перспективных исследований. На базе этой платформы Фонд планирует создать к 2022 году летающее такси «Циклокар» грузоподъёмностью 600 килограммов. Такси сможет перевозить шесть человек на расстояние до 500 километров со скоростью 250 километров в час.
В мире есть и другие проекты летающих такси, но все они используют традиционные пропеллеры. Сотрудники CycloTech и разработчики «Циклокара» посчитали, что для воздушного транспорта будущего лучше подходит концепция вековой давности.
Как устроен и работает циклоротор
Циклоидный ротор или пропеллер Фойта-Шнайдера — это «воздухоплавательная версия» гребного колеса старых пароходов с расположенными по кругу лопастями. Но если у гребного колеса лопасти жёстко зафиксированы, то лопасти циклоротора немного поворачиваются вокруг своей оси, причём на каждом обороте ротора.
Положение лопастей циклоротора при вертикальном взлёте Изображение Wikimedia
Для вертикального взлёта циклоротор задирает передний край каждой лопасти, когда она проходит верхнюю точку оборота, и опускает этот край в нижней точке. Таким образом, лопасть циклоротора дважды за оборот разрезает воздух под углом и отталкивается от него — так же, как режет воздух лопасть обычного вертолётного винта. Обе точки расположены на вертикальной линии, так что циклоротор отталкивается от воздуха в вертикальном направлении, создавая подъёмную силу.
После взлёта циклоротор начинает задирать и опускать край каждой лопасти с некоторым запозданием, смещая точки с вертикальной линии на диагональную. Это меняет направление тяги — теперь циклоротор отталкивается от воздуха не вертикально вверх, а по диагонали. Если пароход медленно гребёт своими колёсами по воде горизонтально вперёд, то циклокоптер гребёт роторами по воздуху вперёд и вверх, причём очень быстро, поскольку плотность воздуха в 770 раз меньше, чем плотность воды.
Вращение циклоротора при полёте вперёд, синей стрелкой показано направление тяги Изображение Wikimedia
Концепция простая, но реализовать её оказалось крайне сложно. Прототипы летательных аппаратов на некотором подобии циклороторов начали безуспешно испытывать ещё в начале прошлого века. В 1924 году шведский инженер Страндгрен запатентовал первый полноценный циклокоптер с вертикальным взлётом и посадкой. После девяти лет подробных расчётов и экспериментов инженер построил финальный прототип, который ездил по земле, но не взлетал.
В последующие десятилетия изобретатели в США и Европе патентовали и строили разные варианты циклокоптеров, ни один из которых не поднялся в воздух. Только в 2007 году инженеры Сеульского национального университета убедились, что концепция всё же работает — их циклокоптер с четырьмя роторами вертикально взлетал, устойчиво держался в воздухе и благополучно садился.
В 2011 году достижение корейских инженеров повторили сотрудники Мэрилендского университета. Появились и другие рабочие прототипы, но все они были небольших размеров. Российский «Циклокар» считается первым в истории большим летающим циклокоптером, пригодным для создания полноценного воздушного транспорта.
Чем циклороторы хороши для аэромобилей
Главное преимущество циклокоптеров — их схожесть с вертолётами. Они взлетают и садятся вертикально, а для горизонтального полёта им не нужны крылья. Более того, «Циклокар» на испытаниях успешно садился на площадки с наклоном до 30° и причаливал к вертикальным поверхностям. Всё это важно для воздушных такси и прочих аэромобилей, которые будут курсировать в плотно застроенных городах. Обычные летающие автомобили с крыльями и горизонтальным взлётом слабо годятся для такого сценария.
Смена направления тяги циклоротора при изменении наклона лопастей Изображение Wikimedia
Циклоротор переходит от вертикального взлёта к горизонтальному полёту регулировкой наклона лопастей — но таким же образом он может направить тягу в любую сторону, причём независимо от соседних циклороторов. Это обеспечивает циклокоптеру сверхманёвременность, которая недостижима для вертолётов — он способен буквально крутиться на месте в любом направлении.
Регулировка наклона лопастей циклоротора меняет не только направление тяги, но и её силу — если наклонить лопасть на больший угол, то она будет сильнее отталкиваться от воздуха. Все эти изменения тяги у циклокоптеров происходят почти мгновенно и не требуют повышать или понижать обороты двигателя, в отличие от других винтовых летательных аппаратов.
Прототип «Циклокара» в 2020 году Фото Фонда перспективных исследований
Отсутствие задержек и надобности менять обороты дают возможность использовать на циклокоптерах традиционные двигатели на ископаемом топливе, которые не нуждаются в массивных аккумуляторах. Например, бензиновый роторно-поршневой двигатель планируют ставить на «Циклокар», чтобы он мог пролететь до 500 километров — у платформы CycloTech на электромоторах дальность полёта составляет всего 85 километров.
Наконец, циклороторы относительно компактны и малошумны. Диаметр роторов у платформы CycloTech составляет 1,2 метра, у «Циклокара» — полтора метра, при вместимости от четырёх до шести человек. Самый маленький в мире вертолёт — японский GEN H-4 использует соосные винты диаметром четыре метра и может поднять только одного человека. Циклоротор же за один оборот отталкивается от воздуха в двух точках, что делает его энергоэффективным решением.
Проблемы и недостатки циклороторов
Главная проблема циклоротора — его сложность. Он должен менять наклон каждой своей лопасти при каждом обороте с помощью неких приводов. Вся эта конструкция совершает 1600-3100 оборотов в минуту — то есть, циклоротор вращается в 5-10 раз быстрее вертолётного винта. Здесь не обойтись без очень прочных и лёгких материалов, также желательно использовать минимум деталей и соединений. Хотя «Циклокар» и платформа CycloTech смогли взлететь и удержаться в воздухе, но неизвестно, выдержат ли они полную нагрузку и как долго смогут проработать в режиме эксплуатации.
Циклокоптеры имеют больше проблем с безопасностью: если у вертолётов и традиционных аэротакси винты находятся высоко над головой человека, то циклороторы расположены по бокам и легко доступны. Разработчики «Циклокара» планируют оградить их сеткой, однако вряд ли она защитит от падения мелких предметов в работающий ротор. Также расположенные по бокам циклороторы могут затруднить посадку и высадку людей.
Рендер финального облика «Циклокара» с защитными сетками Изображение Фонда перспективных исследований
Недостатком может обернуться и одно из преимуществ циклороторов — они позволяют использовать экологически грязные двигатели на ископаемом топливе вместо электромоторов. Бензиновые циклокоптеры наверняка будут летать в несколько раз дальше электрических, что может затормозить переход транспорта на силовые установки с нулевыми выбросами.
В России вернулись к идее циклолёта
В последние годы аппарат неоднократно демонстрировался на выставках. Впервые в новейшей истории модель циклолёта показали в рамках работы форума «Армия-2020». Тогда же сообщалась о том, что полноразмерный летающий образец должен быть готов в 2024 году.
Тогда Григорий Макеич руководитель проекта «Циклон» от ФПИ рассказывал журналистам ТАСС, что беспилотный летательный аппарат массой 60 кг уже проходит летные испытания. На аппарат планировалось установить гибридную силовую установку, которая позволила бы ему совершать полеты продолжительностью более часа.
Что такое циклолёт?
Циклолёт или циклокоптер – это конструкция летательного аппарата, в котором для создания необходимой подъемной силы применяются вращающиеся роторы. Подобные аппараты напоминают на вид гибрид современных квадрокоптеров и колесных пароходов из произведений Марка Твена. Подобная конструкция имеет всё те же плюсы и минусы, что и классические вертолёты, в первую очередь возможность совершать вертикальные взлет и посадку, а также зависать в воздухе.
Несмотря на то, что схема циклолёта впервые была представлена и изучалась ещё в начале XX века, до постройки летающих образцов дело дошло только в XXI веке. При этом сама схема циклолётов была достаточно проста и появилась на свет именно по аналогии с работой гребных колёс первых морских и речных пароходов.
Главным элементом конструкции любого циклокоптера является циклоидный пропеллер, который внешне напоминает гребное колесо. Шаг профилей лопастей (угол атаки) может устанавливаться как коллективно, так и индивидуально. В последнем варианте лопасти индивидуально корректируются и регулируются с помощью системы управления, установленной на летательном аппарате.
В нормальном режиме полета у циклолёта образуется подъемная сила и направленная вперед тяга. При этом схема летательного аппарата позволяет изменять тягу в любом направлении в плоскости, перпендикулярной оси ротора. Для поворота аппарата вокруг своей оси может использоваться дифференцирование тяги между двумя роторами (по одному с каждой стороны фюзеляжа летательного аппарата).
Попытки создания циклолёта предпринимались в России ещё в самом начале XX века, но дальше опытных образцов дело не сдвинулось. С определенными натяжками к подобным разработкам можно было отнести самолет военного инженера Сверчкова («Самолет Сверчкова»). Разработку Евгения Павловича Сверчкова называли также «колесный ортоптер».
Хотя по схеме аппарат мог называться циклокоптером или цикложиром весьма условно, некоторые сходства в проекте присутствовали. Для создания подъемной силы и тяги на своем самолете Сверчков планировал использовать «гребные колеса», состоящие из 12 лопастей и установленные в трёх группах. В движение колёса приводились двигателем мощностью 10 л. с. К интересным особенностям аппарата можно было отнести трехколесное шасси, которые было выполнено сбрасываемым, оно использовалось только для взлета.
Каркас летательного аппарат был изготовлен из тонкостенных стальных труб и бамбука, а обтяжка – из легкой хлопчатобумажной ткани, что обеспечивало пустому аппарату с двигателем вес порядка 200 кг. Аппарат, построенный на деньги Главного инженерного управления Петербурга, так никогда и не взлетел. Несмотря на то, что разработка демонстрировалась на выставке новейших достижений в 1909 году ещё до проведения испытаний и даже получила медаль, провал испытаний стал причиной появления обвинений в растрате казенных средств. На этом фоне Сверчков окончательно забросил свой проект.
Позднее в Российской империи ещё несколько раз возвращались к этой идее. Но проект 1914 года от Александра Николаевича Лодыгина сразу получил отказ от правительства. Ещё одному изобретателю А. К. Медведеву в том же году отказал уже Военно-промышленный комитет. В 1916 году перспективным для дальнейших научных изысканий был признан проект А. Г. Михайлова, но воплотить его в жизнь не удалось из-за войны.
Что известно о разработке ФПИ?
Ещё в 2017 году Фонд перспективных исследований провёл открытый конкурс под названием «Свободный взлёт». Целью конкурса был поиск лучших предложений по транспортному летательному аппарату вертикального взлета или сверхкороткого взлета и посадки. Преследовалась цель поиска нового по отношению к уже существующим авиационным средствам решения для обеспечения аэромобильности. Интерес к подобным проектам проявляют и гражданская, и военная сферы.
В объявленном ФПИ конкурсе приняли участие сибирские инженеры и ученые. Так, компания ООО «Флэш-М» и ученые из Института теплофизики Сибирского отделения РАН представили на конкурс концепцию циклолёта. В дальнейшем эта заявка вылилась в создание демонстратора технологий, который впервые был показан в рамках работы форума «Армия-2020».
По информации официального сайта ФПИ, сегодня над проектом создания циклолёта в качестве головного исполнителя работает Институт теплофизики Сибирского отделения РАН в кооперации с компаниями «Флэш-М», «АВАКС-Геосервис» (обе фирмы – Красноярск) и Сибирским научно-исследовательским институтом авиации имени С. А. Чаплыгина.
В конце января 2022 года Дмитрий Маркович, занимающий пост директора Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, рассказал журналистам, что работа по созданию демонстратора летательного аппарата на альтернативных принципах завершена. В интервью «Интерфаксу» Маркович отметил, что ученые из Новосибирска приступили к работе по созданию пилотируемого прототипа циклолёта, способного совершать вертикальный взлет и посадку, в том числе и на наклонные поверхности.
По словам Дмитрия Марковича, ученые и инженеры в настоящее время находятся на пути к созданию более крупного летательного аппарата весом примерно 2,5 тонны, который обладал бы полезной нагрузкой на уровне 600 кг. Данный аппарат можно было бы использовать для самых разных целей. Ранее в качестве самой отдаленной перспективы в СМИ упоминалась возможность создания транспортной версии аппарата массой порядка 10 тонн и грузоподъемностью 4 тонны.
По словам Марковича, получился бы полноценный летающий автомобиль для решения специальных задач, который заинтересовал бы МЧС, а в отдаленной перспективе, например, городские такси. При этом Маркович отметил, что для внедрения подобной техники необходимо будет менять российское законодательство, так как современное – никак не регламентирует и не предусматривает появление в российских городах летающих машин.
Отвечая на вопрос о сроках разработки, специалист назвал четыре года, отметив, что полноразмерный летающий образец может быть готов уже в 2025 году. В числе преимуществ разрабатываемого летательного аппарата с циклическими движителями, беспилотные образцы которого начали летать в конце 2020 – начале 2021 года, директор Института теплофизики Сибирского отделения РАН назвал низкий уровень шума. В плотной городской застройке низкий уровень шума может стать весьма приятным бонусом и преимуществом.
По словам Марковича, в области создания циклолётов сегодня в мире работают примерно пять-шесть государств, при этом наша страна на уровне создания подобных демонстраторов технологий занимает лидирующие позиции. Ранее уже сообщалось, что в России был испытан летающий образец циклолёта весом до 60 кг. Данная модель продемонстрировала хорошие показатели продолжительности полета, а также маневренности.
Какие преимущества есть у циклолёта?
У циклолёта, как и у любого летательного аппарата, есть свои преимущества.
К основным плюсам подобных летательных аппаратов относят компактные размеры, низкий уровень шума по сравнению с квадрокоптерами и вертолётами. Помимо этого, циклические движители позволяют летательному аппарату менять направление вектора тяги на 360 градусов. Такая особенность существенно повышает маневренность циклолёта.
По словам представителя ФПИ, циклолёт можно будет эффективно использовать в труднодоступной местности, в том числе в горной, а также в плотной городской застройке. Аппарат в состоянии совершать полеты среди препятствий, а также причаливать к вертикальным поверхностям и осуществлять взлет и посадку с наклонных поверхностей, что не могут делать вертолёт и квадрокоптер. Также к преимуществам разрабатываемого в России устройства относят периферийную защиту движителей при столкновении с препятствиями.
На форуме «Армия-2020» руководитель проекта «Циклон» от Фонда перспективных исследований Григорий Макеич рассказывал, что к новой разработке российских ученых проявляют интерес и военные. В частности, упоминалась возможность создания циклолётов наземного и палубного базирования, которые можно было бы использовать для проведения десантных операций. В военных версиях беспилотник можно будет использовать как в ударных, так и в разведывательных вариантах. При этом низкий уровень шума и здесь станет очень важным преимуществом летательного аппарата.
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.
Что за летательный аппарат циклолёт разработан в России?
Как сообщил изданию «Наука в Сибири» директор Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН академик Дмитрий Маркович, завершена работа по созданию демонстратора летательного аппарата на альтернативных принципах: циклолёта. Она проводилась совместно с Фондом перспективных исследований (ФПИ).
Идея летательного аппарата с пропеллером, напоминающим гребное колесо на пароходе, родилась ещё в начале ХХ века. Первое упоминание такой машины датируется 1909 годом: она была построена российским военным инженером Евгением Сверчковым. Тяга и подъёмная сила в конструкции создаются циклическими движителями — вращающимися роторами, на которых установлены несколько лопастей. Они «загребают» воздух и отбрасывают его назад, при этом можно менять установочный угол лопастей, тем самым меняя направление силы тяги.
Подобный аппарат принято называть циклокоптером (или цикложиром). Несмотря на то, что его схема известна более ста лет, первые полноценные полёты удалось совершить только в XXI веке.
В 2017 году Фонд перспективных исследований организовал конкурс «Свободный взлёт», целью которого был поиск новых решений для обеспечения аэромобильности и возможного создания летающих автомобилей. В конкурсе приняли участие специалисты Института теплофизики Сибирского отделения РАН. Они показали результаты своей многолетней работы и предложили создать новый тип летательного аппарата: циклолёт. С 2018 года в рамках проекта «Циклон» (общее название для циклолётов вертикального взлёта), организованного ФПИ, началась работа над его образцом. Спустя два года он был представлен на Международном форуме «Армия-2020», а прошлым летом — на форуме «Технопром-2021» в Новосибирске.
«Сейчас это 60-килограммовый аппарат. В отличие от вертолёта, он не обладает открытыми лопастями, может подходить близко к домам, — рассказал посетителям форума директор Института теплофизики СО РАН академик Дмитрий Маркович. — За два года мы сделали первый дрон. Сейчас мы завершили проект, прошли испытания, подтверждён его принцип. Следующая задача — через 4 года — двухтонный аппарат с человеком на борту».
Циклолёт сделан из карбона и имеет гибридную силовую установку. В движение его приводят бензиновый двигатель с генератором и электродвигатели с аккумуляторами. Одно из важнейших достоинств машины — низкий уровень шума. Он достигается благодаря тому, что в конструкции нет открытых лопастей. Другие его преимущества — малые габариты и возможность посадки на неподготовленные наклонные площадки. Циклолёт даже способен «причаливать» к вертикальным поверхностям.
Теперь учёные начинают работать над созданием более крупного аппарата массой 2,5 тонны. Он сможет нести полезную нагрузку около 600 килограмм. Как утверждают авторы проекта, его можно будет использовать для нужд МЧС и скорой помощи, а в перспективе — и как городское аэротакси.
«К циклолёту есть интерес со стороны как государственных, так и коммерческих структур. Если мы доведём его до уровня аэротакси, скорой помощи или аппаратов для МЧС, то, конечно, спрос будет, — убеждён Дмитрий Маркович. — Другое дело, что параллельно придётся трансформировать законодательство. У нас ещё нет таких документов, которые регламентировали бы полёты подобных аппаратов в рамках городских образований. Сейчас в России разрешены полёты дронов до 30 килограмм, даже 60-килограммовый аппарат может испытываться только на отдельных полигонах. А двухтонный демонстратор, в соответствии с нашим предварительным графиком, должен быть готов в течение ближайших 4 лет».
Директор института подчёркивает, что аналогичные аппараты сейчас разрабатывают как минимум в 5-6 странах. Чтобы довести российский проект до ума (и до потребителя), необходимо организовать трансфер этой технологии в промышленное использование, то есть просчитать экономику, найти инвесторов и создать индустрию.