Циклокоптер

Схематичный циклокоптер

Циклокоптер (цикложир) — это конструкция самолета, где для создания тяги и подъёмной силы используются вращающиеся роторы. Такая схема имеет те же плюсы, что и вертолёт: возможность вертикального взлёта, зависания в воздухе, но и те же минусы. Схема известна с начала XX века, однако первые полёты аппараты построенные по этой схеме совершили только в начале XXI века^[1]. Цикложир не стоит путать с неудачными проектами летающих аппаратов с цилиндрическими крыльями, которые попытались использовать эффект Магнуса.

Принцип

Анимация циклоидного пропеллера с механическим управлением углом атаки

Циклоидный пропеллер, являющийся главным элементом циклокоптера, напоминает гребное колесо, с заменой профилей лопастей. Шаг профилей (угол атаки) устанавливается либо коллективно посредством контрольного кольцо с штангами ко всем лопастям, которое расположена эксцентрично и по отношению к оси ротора вращения или же лопасти постоянно индивидуально регулируются и корректируются системой управления. В нормальном полете образуется подъёмная сила и тяга, направленная вперёд. Однако схема позволяет изменять тягу в любом направлении в плоскости перпендикулярной оси ротора^[2]. Дифференцирование тяги между двумя роторами (по одному с каждой стороны фюзеляжа) могут быть использованы для поворота самолета вокруг своей вертикальной оси, хотя обычное самолётное оперение, как правило, также используется^[3].

История

«Самолёт» Сверчкова

Схема цикложира довольна проста и родилась из аналогии с гребными колёсами пароходов.

«Самолёт» Сверчкова

Первый аппарат, иногда относимый к цикложирам, датируется 1909 годом — это «Самолёт» российского военного инженера Евгения Павловича Сверчкова, иногда называемый «колесный ортоптер». Схема аппарата может называться цикложиром или циклокоптером достаточно условно. Было три плоских поверхностей и вертикальный руль направления, причём задняя кромка одной из поверхностей могла искривляться, заменяя современный руль высоты. Подъемная сила и тяга создавались «гребными колёсами», состоявшими из 12 лопастей, установленных в три группы через 120°. Лопасти имели вогнутый профиль и изменяли угол атаки при помощи эксцентриков и пружин для того чтобы воздух отбрасывался вниз и назад, то есть создавалась подъёмная сила и тяга. Колёса приводились в движение с помощью ременной передачи от двигателя «Бюше» в 10 л.с. (конструкции швейцарца Альфреда Бюши), установленного в низу аппарата. Трехколесное шасси было сделано сбрасываемым и служило только для взлета аппарата. Каркас был выполнен из тонкостенных стальных труб и из бамбука со стальными струнами внутри, обтяжка — из сарпинки, что обеспечило массу пустого аппарата всего в около 200 килограмм. Аппарат был построен на средства Главного инженерного управления в Петербурге, что позднее в связи с провальными испытаниями (машина не только не взлетела, но даже не сдвинулась с места) привело к обвинению в растрате казённых средств инженера Сверчкова, что подвигло его забросить проект и погрузится в политику. Сам аппарат, однако, в 1909 году ещё до испытаний демонстрировался в Санкт-Петербурге на выставке новейших технических достижений и даже получил медаль. Испытания, несмотря на ночное время, вызвали большой интерес у публики, поэтому свидетелями позора было довольно большое число людей.^[4][5]

Другие российские и западноевропейские варианты

Позднее в Российской Империи было ещё несколько подобных проектов: проект Александра Николаевича Лодыгина 1914 года, который он предложил правительству и получил отказ^[4]; проект А. К. Медведева (1914 год), которому отказал отдел изобретений Военно-промышленного комитета; проект А. Г. Михайлова (1916 год), который был признан перспективным для научных исследований, но был воплощён в дереве и металле из-за идущей войны^[5][4].

В это же время аналогичные проекты разрабатывались во Франции и Германии, которые тоже не были запатентованы, как и российские, но от которых сохранились кадры киноплёнки и рисунки^[5][4].^[6]

Цикложиры в США в начале 1920-х

В 1920-ом подобный аппарат соорудил американец К.Брукс (из Патонвилла, штат Монтана), но также не запатентовал. По сохранившимся фотографиям аппарата без обшивки он тоже не имел шансов подняться в небо. Причём подъёмная сил создавалась вращением чего-то вроде короткого вращающегося крыла сверху, а тяга — гребными колёсами^[5][4].

В 1923-ем году американец Джонатан Эдуард Кэлдвелл из Санта-Моники, Калифорния попытался запатентовать аппарат под названием «Цикложир». До него аппараты этой схемы называли «ротопланами», «ортоптерами» или «орнитоптерами». Рисунок, представленный в патентное бюро, был довольно неряшлив, но из него и описания можно понять, что это был обычный самолёт, правда, вместо крыльев у него стояли роторы с четырьмя небольшими плоскостями. Патент был получен в 1927 году. По сути весь проект был способом по выкачиванию денег из спонсоров и Gravity Aeroplane Company существовала только лишь на бумаге. Изобретатель не уточнял такие технические моменты, как углы атаки и их изменение, к тому же к моменту получения патента уже занимался машущими орнитоптерами, позднее в 1930-х предложил ещё один проект ротоплана. Именно с именем Кэлдвелла связывают расцвет проектов подобных аппаратов в 1920-х и 1930-х.^[5][4].

Аппарат Страндгрена

Патент на цикложир инженер Страндгрена, поражают непропорционально маленькие роторы

Рисунок одного из вариантов

В 1924 году шведский инженер Страндгрен получил патент на свой вариант вертикально взлетающего летательного аппарата. Затем он девять лет экспериментировал во Франции с моделями и в 1933 году приступил к постройке полномасштабного аппарата. В процессе этой работы роторы увеличились до нормальных размеров. Он произвёл ряд серьёзных расчётов и пришёл к выводу, что минимальная допустимая скорость вращения, при которой аппарат может удерживаться в воздухе, составляла 270 об/мин, а максимальная скорость вращения — 420 об/мин. Он первый внятно и обоснованно обрисовал преимущества схема циклокоптера: вертикальный взлет и посадка на любую пересеченную поверхность, отличная крейсерская скорость (до 200 км/ч), высокий потолок (для 1920-х-1930-х годов). В 1934 году был построен первый экземпляр в натуральную величину вместе с компанией «Лиоре и Оливье» на средства Societe d’Expansion Franco-Scandinave. Вес аппарата составил 600 килограмм с лопастями длиной 245 см и ротором, вращающимися со скоростью 180 об/мин. 130-сильный двигатель позволял машине ехать по земле, но в воздух машина так и не поднялась^[5][4].

Циклокоптеры США начала 1930-х

В начале 1930-х в США появилось ещё три варианта циклокоптеров. В 1930-ом году в Сан-Франциско был построен аппарат «Сайклоджайро», была использована конструкция под названием циклоидного пропеллера. Однако в воздухе, в отличие от воды, подобный винт показал свою несостоятельность^[4]. В том же году и в том же городе появился «Цикложир» Е. А. Шредера или просто «S-1». Одноместный аппарат с мотором «Гендерсон» являлся по сути обычным высокопланом с цикложирными роторами вместо толкающего винта. Считается, что на испытаниях был приподнят нос^[5][4]. В 1932 году Джозеф Саббат из Филадельфии создал аппарат. по непроверенным данным «два винтовых гребных колеса („paddle-wheels of helices“) и мотоциклетный двигатель разогнали это чудо техники почти до 150 миль в час»^[4].

В 1933 году некто Хэвиленд Платт из Филадельфии запатентовал «Цикложир Платта» — одноместный ротоплан. Крыло в виде гребного колеса было запатентовано в США (это лишь один патент из множества подобных) и прошло испытания в аэродинамической трубе МТИ в 1927 г. По сути, колеблющиеся крылья-лопасти этого колеса меняли угол атаки с положительного на отрицательный на каждом обороте, создавая подъемную силу, и их управляемый эксцентриситет мог создать теоретически любую комбинацию горизонтальной и вертикальной сил. Однако нет данных о том, чтобы этот аппарат когда-либо летал, хотя есть данные что постройка велась, но не была доведена до конца. Аппарат был основан на экспериментах немецкого профессора Адольфа Рорбаха (см.ниже) и во многом является плагиатом его работ. Позднее Платт прославился на ниве вертолётостроения^[5][4].Во время исследований, которые проводились в NACA по проекту Платта, был создан эскиз аппарата со взлетным весом 1360 кг и мотором в 300 л.с., а также вычислена скороподъемность — 210 м/мин при вертикальном наборе высоты и 460 м/мин при полете с движением вперед; последняя цифра примерно на 30 % больше, чем может показать самолет с той же нагрузкой на мощность^[4].

В лаборатории имени Лэнгли в Вашингтоне в 1933 году Джон Б. Уитли провёл упрощенный аэродинамический анализ цикложира, точнее теоретически проверил аэродинамические принципы и провёл численные расчеты примера ротора (был взят ротор с четырьмя лопастями, радиус 1.8 метра, размахом лопастей 7.3 м, хордой 144 мм и окружная скорость 91 м/с) и примера цикложира с двумя подобными роторами (взлетная масса 1362 кг при двигателе 300 л.с.). В ходе анализа схема была признан работоспособной, при этом висящий полет, вертикальный подъем и горизонтальный полет с разумной скоростью осуществимы при не чрезмерно высокой мощности двигателя. Было установлено, что цикложир способен к авторотации при планирующем полете^[4].

Иллюстрации работ в лаборатории имени Лэнгли

Пример цикложира

Пример ротора

Ротор цикложира в аэродинамической трубе на испытания 1935 года

В 1935 Джон Б. Уитли и Рэй Уиндлер занялись продувкой ротора цикложира (4 лопасти, размах и диаметр — по 2.4 м, хорда — 95 мм) в 6-метровой аэродинамической трубе NACA. В результате работ были сделаны выводы:

• Цикложир способен к вертикальному взлету, горизонтальному полету и безмоторному планированию.
• Весовая отдача цикложира представляется весьма низкой, а максимальная скорость 100 миль/час — достижимой лишь при удельной нагрузке на мощность не более 3.2 кг/л.с.
• Зависимость потребной мощности от коэффициентов сопротивления и подъемной силы предсказана теорией в 1933 году верно.
• Аэродинамическое качество быстро возрастает при повышении отношения «скорость лопасти/скорость полета» и, вероятно, подвержено влиянию колебаний лопастей.
• Требуется исследовать поведение колеблющихся несущих поверхностей, чтобы внести ясность в прошлые и будущие исследования на тему «вращающееся крыло»^[4].

Наработки профессора Рорбаха

Принцип цикложира, скорей всего на основе работ Рорбаха

В Германии также развивали данную оригинальную идею. В 1933 году профессор Адольф Рорбах спроектировал цикложир собственной конструкции с трехлопастными роторами длиной 4,4 м. Аппарат 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^[5], по другим данным работы в 1934 году всё таки велись^[4]. Однако свои наработки он широко публиковал в профильных журналах, где их и увидел Платт.^[7][8]

Расчетные характеристики:

• Общие размеры: длина — 8.6 м, высота — 4.3 м, размах — 10 м.
• Роторы: диаметр — 3.6 м, три лопасти, длина лопасти — 4.4 м, хорда — 0.315 м, максимальная скорость вращения — 420 об/мин.
• Мощность двигателя — 240 л.с., возможно, от двух моторов.
• Вес пустого — 680 кг, полезная нагрузка — 270 кг, взлетный вес — 950 кг.
• Скорости: максимальная — 200 км/ч, крейсерская (при оборотах 75 %) — 170 км/ч, минимальная — 0 км/ч, максимальная при полете назад — 30 км/ч.
• Потолок — 4500 м при горизонтальном полете и 500 м при вертикальном наборе высоты. Дальность полета — 400 км с тремя пассажирами и 700 км без пассажиров.
• С перегрузом 250 кг (то есть со взлетным весом 1200 кг) минимальная скорость — 21 км/ч, максимальная — 190 км/ч, потолок — 2700 м. Дальность полета — 1050 км с двумя пассажирами и 1550 км без пассажиров. Видимо, в этих случаях весь перегрузочный вес предполагалось использовать под дополнительное топливо^[4].

Спустя много лет NASA подняло патент Рорбаха (который к тому времени уже давно умер, причём уже в Америке) и провело дополнительные расчеты с помощью современных компьютеров. Рорбах нигде не ошибся. В связи с этим NASA серьезно рассматривало проект разработки ротоплана, но как всегда не хватило средств.^[5]

«Циклоплан» Фредерика К. Кирстена, Вашингтонский Университет, 1921—1934 — 1942

Циклоидный пропеллер был запатентован профессором Кирстеном ещё в самом начале 1920-х годов. Его активно поддерживал Уильям Боинг. Проверку начали с водяного пропеллера, где идея хорошо себя зарекомендовала, однако из-за трудностей с реализацией Кирстен продал патенты германской компании «Войт-Шнейдер». Для дальнейшего изучения воздушного варианта винта требовалась аэродинамическая труба достаточного размера. Таких тогда в США им было очень мало, и профессор Кирстен предложил Вашингтонскому Университету построить собственную большую (2,4 на 3,6 м) трубу. После постройки трубы в 1936 году она была настолько занята, что Кирстен смог испытать собственную модель только в 1942 году. Эти опыты показали несостоятельность его идеи^[4].

Циклопланы США второй половины 1930-х

В 1935 году некто Ран из Нью-Йорка построил одноместный экспериментальный аппарат с вращающимися крыльями и 240-сильным форсированным двигателем «Райт-Уирлвинд». Два 6-футовых крыла с каждой стороны по идее должны были заставить аппарат подниматься и опускаться вертикально, или лететь горизонтально без помощи обычного пропеллера со скоростью до 100 миль в час, но свидетельств того, что 15-футовому аппарату вообще удалось взлететь, нет^[4].

В том же в 1935 в одном из журналов США публиковалось достаточно подробная схема цикложира очень похожая на немецкий проект профессора Рорбаха^[4].

В 1937 году к теме снова вернулся Кэлдвелл, открыв проект АВВП «Цикложир», и начал строить новый прототип. «Это был очередной неправдоподобный АВВП в духе фантастических летательных машин, украшавших обложки журналов типа „Popular Science“ в 1930-х годах». На сей раз оси двух длинных трехлопастных гребных колёс по бокам обычного фюзеляжа были ему параллельны. предполагалось что звездообразный двигатель в 125 л.с.сможет создать достаточную подъёмную силу. Один из сотрудников Кэлдвелла позже утверждал, что аппарат действительно совершал успешные «подпрыги» на высоту около шести футов^[4].

Немецкий проект 1966 года

Иллюстрация к статье

В 1966 году в журнале «Наука и жизнь» был опубликован оригинальный проект вертикально взлетающего пассажирского аппарата немецкого изобретателя Рейнхольда Каллетша. Во время стоянки на земле эта машина должна опираться на пятиметровые телескопические стойки шасси. Принцип цикложира здесь используется для вертикального взлёта. Осью ротора здесь являлся сам фюзеляж, вокруг которого вращались с помощью реактивных сопел три штанги-спицы, на концах которых шарнирно укреплены эллипсообразные пластины—крылья. Аналогичное устройство, но уже меньших размеров должно было быть установлено на хвосте фюзеляжа. Во время вращения «винтов» специальное устройство должно было управлять положением пластин-крыльев с таким расчетом, чтобы они все время находились под некоторым углом атаки к набегающему потоку и создавали необходимую подъемную силу. После набора необходимой высоты предполагалось останавливать вращение и использовать пластины, как раз как крылья для горизонтального полёта^[4].

Французский ветродвигатель 1975 года

В 1975 году во Франции (патент Франции № 75.01907), а в 1976—1977 годах в США (US patent 4048947), был запатентован роторный ветродвигатель основанный на цикложирном принципе. Здесь изменение угла атаки происходит автоматически под воздействием самого ветра из-за смещения центра тяжести (однако предусмотрено также использование гибких пластин для создания несимметричного профиля, возможно и использование пружин). Однако для создания летательного аппарата это красивое решение, к сожалению, не пригодно^[4].

1970-е, 1980-е и 1990-е годы

В этот период запатентован ряд очень оригинальных цикложирных проектов, однако они так и не были воплощены в металле.

Проект Марселя Шабоне

В 1976—1980-х годах Марсель Шабоне запатентовал тягово-несущие роторы (патент Франции № 76.39820, 1976; патент США № 4210299, 1977—1980). Использованы двухлопастные. Предусмотрено два варианта. В первом случае изменение установочного угла атаки «автоматическое» — лопасти свободно болтаются между ограничителями под действием аэродинамических и/или центробежных сил. При движении лопасти вниз создается подъемная сила, при движении вверх — толкающая. При этом в нижней части цикла установочный угол меняется резко, с ударом. Поэтому ограничители, по замыслу автора, должны быть эластичными. (см.выше патент ветродвигателя). Во втором случае угол атаки управляется «программно», при помощи профилированных кулачков. Предполагается иметь разные наборы кулачков для разных режимов полета (взлёт, набор высоты, крейсерский режим, снижение, посадка). Стиль механики чем-то напоминает лентопротяжный механизм магнитофона 60-х годов. И ещё одна важная деталь: стабилизатор, при наличии такового, предполагается вынести вперед, чтобы он не попал в воздушный поток от роторов^[4][5].

Проект Томаса Шарпа

Схема использования цикложира для вертикального взлёта

Американец Томас Шарп запатентовал с 1977—1980 годах (патент США № 4194707) устройство для вертикального взлета и посадки самолета. Цикложирные роторы малого радиуса прикрыты кожухами, помещены в крыло и применены в роли обычных вентиляторов. Управление циклическим установочным углом — механическое, эксцентриковое. В горизонтальном полете роторы отключаются от двигателя, а горизонтальную тягу создает обычный толкающий винт изменяемого шага. Продольная балансировка обеспечивается рулем высоты, находящимся в струе пропеллера. Руль высоты имеет дополнительную створку для реверса тяги. Второй вариант устройства предназначен для более скоростных самолетов с применением турбореактивных двигателей и двух пар воздухозаборников (верхних и боковых). Трансмиссия от ТРД к цикложирным роторам — гидравлическая. В горизонтальном полете жалюзи верхних воздухозаборников и выходные створки вентиляторов закрываются. Предусмотрено дополнительное средство управления в режиме висения — струйные рули на крыльях и киле, использующие сжатый воздух от компрессоров ТРД. В остальном этот вариант подобен первому. Ни в первом, ни во втором варианте не используется главное достоинство цикложира — возможность практически безынерционного управления вектором тяги в диапазоне 360°^[4][5].

Проект Артура Кримминса

Американец Артур Кримминс в 1980—1984 годах запатентовал (патент США № 4482110) очень оригинальную конструкцию летающего крана — дирижабль-цикложир. при этом собственный вес аппарата уравновешивается подъемной силой аэростата, а вес груза — подъемной силой цикложирных крыльев. Осью цикложирного ротора служит ось дирижабля, вокруг которой вращаются на поворотных пилонах (играющих также роль лопастей воздушного винта) крылья и винтомоторные установки. Аппарат может принимать конфигурацию «классического» дирижабля, «классического» цикложира и все промежуточные. Благодаря этому отсутствуют ограничения на ориентацию вектора тяги — весьма нужное для летающего крана свойство. Большие размеры конструкции, характерные для аэростатов, позволят разгонять ротор до довольно высокой окружной скорости при умеренных центробежных нагрузках, что снижает влияние ряда недостатков классических цикложиров^[4][5].

Общий вид

Схема работы

Проект Хайнца Герхардта

Американец Хайнц Герхардт в 1992—1993 годах запатентовал (патент США № 5265827) новый летательный аппарат с гребными колесами, являющийся по аэродинамической схеме обычным цикложиром. Продольная балансировка обеспечивается либо вертикальным пропеллером на киле, либо второй парой цикложирных роторов. Особенность аппарата — отсутствие кинематики управления циклическим установочным углом лопастей. Вместо этого на каждой лопасти установлен гидроцилиндр, постоянно управляемый компьютером по выбранному закону. Предполагается таким образом достичь оптимального обтекания каждой лопасти при всех режимах полета. проект реализован не был^[4][5].

В XXI веке

К идее снова вернулись уже в этом веке. Сеульский государственный университет (Южная Корея), Национальный университет Сингапура, группа Bosch Aerospace и ещё несколько организаций взялись за реализацию идеи. Первая модель оторвалась от земли в 2007 году^[5]. После этого появилось ещё ряд различных моделей, однако до полноразмерного аппарата ещё не дошло. Есть также нестандартный вариант — 4 ротора расположенных в виде креста^[9].

Проекты Fanwing и Propulsive wing

По большому счёту проекты Fanwing и Propulsive wing являются развитием идей цикложира, так как они используют циклоидальный пропеллер в качестве вентилятора. Модели летают, дело за полноразмерным аппаратом. У схемы есть ряд недостатков: высокое лобовое сопротивление и невозможность планирования при отказе ротора^[10][4][5].

См. также

• Роторный предкрылок
• FanWing
• Flettner airplane (англ.)русск.
• Propulsive Wing (англ.)русск.
• Судовой крыльчатый движитель
• V/STOL (англ.)русск.
• STOVL (англ.)русск.

Примечания

1. ↑ 2 летающие модели циклокоптера Мэрилендского университета
2. ↑ The Development of cyclogyro
3. ↑ The Cyclogyros, Planned paddle-wheel aeroplanes
4. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27} Циклокоптеры на сайте Ротоплан
5. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16} Популярная механика о цикложирах
6. ↑ Les Ailes des Heros — France TV, 2003
7. ↑ Цикложир Рорбаха на сайте Летающие тарелки Третьего рейха
8. ↑ ROHRBACH CYCLOGYRO
9. ↑ Mutant Quadrotor MAV Lifts Off After a Century of Development
10. ↑ КРЫЛО-ВЕНТИЛЯТОР: FANWING

Литература

• В. Б. Шавров «История конструкций самолетов в СССР (до 1938 г.)»
• П. Д. Дузь «История воздухоплавания и авиации в России (1914—1917 гг.)»
• П.Бауэрс «Летательные аппараты нетрадиционных схем»
• «Наука и жизнь», 9.1966
• «The Cyclogyro», Vertiflight, The American Helicopter Society, 2005, Vol. 51; No. 2, pages 16-19

Ссылки

	Циклокоптер на Викискладе?

• TEKNISK TIDSKRIFT, 1934 года, на шведском
• aerofiles.com
• naca.larc.nasa.gov
• fishermanlife.com
• blog.modernmechanix.com
• aa.washington.edu
• freepatentsonline.com
• циклокоптер сеульского университета
• разработки сеульского университета
• DESIGN AND DEVELOPMENT OF UNMANNED VTOL, CYCLOCOPTER. (PDF, 651K)
• Bosch Aerospace
• www.navysbir.brtrc.com
• Разработка компьютерной модели
• Разработки Сингапурского университета
• Проект Fanwing
• Another Look at 1930’s Cyclogyro Plane Design
• A small cyclogyro in tethered flight
• A series of Cyclocopters was developted in Seoul National University, Korea