За Атрейдесов!

Мультикоптеры завоевывают мир и это не удивительно — четыре или больше двигателей, батарея и плата управления с гироскопом — что может быть проще и надежнее? В последнее время крупные компании такие, как Amazon, Google и DHL, занялись разработкой мультикоптеров для доставки посылок и мелких грузов на небольшие расстояния. Давайте попробуем разобраться, возможно ли это на практике и есть ли другой путь?

Безусловно, конструкция мультикоптеров проста, но у них есть и ряд серьезных недостатков. Первый, и главный — они не эффективны. Мы должны потратить весьма много электроэнергии для доставки одного килограмма груза, самолет бы справился с этой задачей на много эффективнее. Второй проблемой является шум — быстро вращающиеся винты создают неприятный свист, который сильно раздражает. Третьим недостатком является то, что чем больше винт, тем он эффективнее, поэтому мультикоптер всегда будет уступать одновинтовому вертолету той же мощности. И именно поэтому наш Ми-26 самый эффективный вертолет в мире.

Согласитесь, со всеми современными разговорами об экологии и важности энергоэффективности картина будущего, где в городском небе летают свистящие малоэффективные мультикоптеры, выглядит немного странно. Сама задача подсказывает ответ — нам нужен малошумный эффективный и надежный аппарат. Но существует ли он?

В мире не так много других решений задачи перевозки грузов по воздуху. Самый распространенный способ — самолет. Эффективен для доставки грузов благодаря своему высокому аэродинамическому качеству, но для посадки ему требуются длинные взлетно-посадочные полосы, что делает невозможным его использование для доставки грузов в черте города. Вертолеты, как и мультикоптеры очень эффективны на режиме висения, но крайне неэффективны в горизонтальном полете. Еще есть конвертопланы сочетающие в себе признаки самолета и вертолета — это достаточно сложные как в обслуживании, так и в пилотировании летательные аппараты, которые как правило, кроме плюсов сочетают в себе и минусы обоих родителей. Но есть еще один, незаслуженно забытый тип летательных аппаратов — орнитоптер, он же махолет. Если обратить внимание на птиц, насекомых и что они вытворяют в воздухе, то их механический аналог вполне подошел бы для решения задачи доставки грузов в черте населенных пунктов и не только. К тому же, орнитоптер сочетает в себе плюсы самолета и вертолета — он способен осуществлять горизонтальный полет с высоким качеством и при этом зависать и осуществлять вертикальные взлет и посадку.

Исторически так сложилось, что махолет не нашел развития. На заре авиации он оказался слишком сложным и все попытки создать аппарат с машущим крылом были тщетными. Но сама мысль летать по-птичьему не оставляла умы ученых с самого зарождения авиации. Еще Жуковский, прародитель современной аэродинамики, неоднократно обращался к теории полета птиц, что стало основой всей современной аэродинамики. Однако, решив задачу парения, вихревой теории винта и крыла, Николай Егорович оставил проблему машущего крыла без должного внимания. Позже ее попытались решить в группе Михаила Тихонравова, одного из основоположников космической отрасли СССР, однако дальше общих теоретических выкладок дело не пошло, а с развитием самолетостроения интерес к машущему полету совсем угас.

Новая волна интереса к махолетам начинается в 80-х годах. В Советском Союзе и зарубежом публикуются статьи, связанные с исследованиями полета птиц, насекомых, древних ящеров и именно тогда появляется расхожая фраза: по законам аэродинамики шмель летать не может, но он их не знает и поэтому летает. Действительно, эти исследования породили главный вопрос: как именно реализуется машущий полет? Кульминацией стала попытка профессора Пола Маккриди из NASA создать копию гигантского птеродактиля, которая так и не смогла полететь, однако это не помешало предприимчивому профессору продать ее нью-йоркскому музею за три миллиона долларов. Неудача Маккриди в очередной раз снизила интерес к машущему полету, который опять стал выглядеть нереализуемым.

В это время на фоне новых исследований и неудач зарубежных коллег в Московском Авиационном институте создается Лаборатория машущего полета, которую активно поддерживает тогдашний руководитель ОКБ Сухого Михаил Симонов. В ходе многолетней работы команде удалось создать ряд легких летающих моделей, а так же заложить основы аэродинамики и динамики машущего полета. К 1993 году уже был спроектирован пилотируемый экспериментальный аппарат и даже выделена часть средств, но перестройка не щадила никого и проект заглох. Руководитель лаборатории профессор Валентин Киселев впоследствии неоднократно пытался поднять тему машущекрылых аппаратов, но попытки оказались тщетны, равно как и постройка 22-килограммовой модели.

В это время за рубежом лидером в постройке махолетов становится Торонтский университет. Команде под руководством Джеймса Делоуриера удалось добиться значительных успехов — в 2002 году они создали отлично летающую модель махолета весом в 3,5 килограмма. А в 2004 году уже был построен пилотируемый аппарат, который так и не смог оторваться от земли из-за малой мощности двигателя. Два года спустя на орнитоптер установили дополнительный небольшой реактивный двигатель, который все же позволил совершить полет, но через 300 метров пилот потерял управление и аппарат перевернулся. В 2010 году обновленная команда Торонтского университета создала первый пилотируемый махолет с мускульным приводом, который смог пролететь 19,3 секунд в горизонтальном полете только за счет сил пилота. Правда, аппарат сначала затянули на высоту как планер, и только затем пилот смог парить почти 20 секунд без потери высоты.
В 2011 году к проектированию нового аппарата приступили мы, молодая команда выпускников МАИ: Андрей Мельник и Дмитрий Шувалов. Поначалу проект строился на основании идей Киселева, так как это был единственный достойный теоретический базис в сфере орнитоптеров. Однако конструкторские решения, предложенные Валентином Афанасьевичем, показали свою неоправданность и неэффективность. В итоге мы решили кардинально пересмотреть конструкцию махолета в сторону обеспечения высокой надежности привода и возможности регулировки основных параметров в широком диапазоне значений. В основу расчета прочности узлов и соединений была положена теория Валентина Киселева о приоритете аэродинамических нагрузок над инерционными. К нашему большому сожалению, именно это предположение оказало на все развитие проекта эффект якоря, постоянно тормозя проект.

После сборки и испытаний первого варианта нового привода мы обнаружили, что расчетные значения нагрузок не совпадают с действительными, что, в свою очередь, приводит к быстрому износу механизмов привода. К тому, же само качество исполнения деталей привода сторонними изготовителями оказалось весьма низким, в сумме эти два фактора не позволили реализовать полет. После длительной доработки конструкции нам удалось добиться надежности привода, однако аппарат отказывался устойчиво летать, совершая лишь небольшие пролеты. К тому моменту я разработал основы аэродинамики махолета, что позволило провести оценку нагрузок и сделать выводы о проблемах полета. Дело в том, что значительная часть крыла махолета, если оно жесткое по кручению, находится в зоне вихревого обдувания и срыва потока, что сильно уменьшает подъемную силу аппарата. Тогда мы решенили создать новые секционные крылья, которые бы позволили улучшить аэродинамику аппарата. Это было интересное конструкторское решение, оно позволило разобраться в аэродинамике крыла, но не дало ожидаемого эффекта — аппарат никак не мог выйти на заданную частоту и постоянно ломался. Мы сохраняли верность теории о преобладании аэродинамических сил и искали какой-то новый эффект, но все оказалось проще.На очередных испытаниях аппарат достиг требуемой частоты, однако произошла поломка опорного подшипника, что явно указало на то, что усилия, действующие на этот узел, значительно превышают расчетные. 

Разгадать загадку позволила, как ни странно, ошибка изготовителей: они не закалили кривошипы из алюминиевого сплава, что было некритично для расчетных нагрузок, но при реальном полете он деформировался и «запомнил», какие усилия его искорежили. Это позволило оценить место, где значение силы было максимальным и даже рассчитать ее значение — все указывало на то, что это инерционные динамические силы, значительно превышающие аэродинамические. Впоследствии эти данные позволили доказать, что нельзя создать махолет с механическим приводом массой более 42 килограммов, что поставило в тупик дальнейшие исследования.Тем не менее, обладая новой информацией, нам удалось перепроектировать аппарат, разобраться в расчетных нагрузках, аэродинамике и динамике полета. Это позволило создать модель массой 30 килограммов, которая хорошо летала и управлялась, но, тем не менее, не решала главную задачу — возможность строить аппараты большей размерности.

В 2013 году я получил грант от Фонда содействия малым формам предпринимательства в рамках программы «УМНИК», что позволило продолжить исследования аэродинамики и динамики полета махолетов. За два года научно-исследовательских работ удалось разработать принципиально иной подход к созданию машущекрылых аппаратов. Паразитные, ограничивающие масштаб инерционные нагрузки удалось использовать наоборот — для повышения эффективности маха. Фактически, в новой схеме крыло становится инерционным элементом физического маятника, совершая гармонические колебания, то накапливая кинетическую энергию, то отдавая ее пневмопружинам. А подвод энергии, необходимый для создания аэродинамических сил, выполняется за счет сжигания топлива и подвода сжатого газа в пневмопружины. Такое решение, теоретически, позволяет создавать аппараты практически любой размерности, а это уже принципиально иной уровень. Главное преимущество махолета над остальными летательными средствами это то, что он использует крыло для создания и подъемной силы, и тяги, убирая посредников в виде винта, редуктора и двигателя, который преобразует возвратно-поступательные движения во вращательные.

Все новые идеи и теории получили развитие в проекте

. Аппарат, на постройку которого мы 

при помощи краудфандинга, получит новые крылья, привод, компоновку и двигатель — по сути, это принципиально иной аппарат, полеты которого должны продемонстрировать высокую эффективность машущекрылых аппаратов и раз и на всегда лишить скептиков темы разговоров о невозможности и неэффективности машущего полета. 

Когда расчетные характеристики аппарата подтвердятся в ходе всесторонних испытаний, можно будет говорить о начале развития новой ветки авиации, как беспилотной, так и пилотируемой. И именно такие беспилотные аппараты могут заняться доставкой небольших грузов в пределах города или выполнять наблюдение за движением транспорта или сохранностью энергосетей. Пилотируемая версия орнитоптера — прямой конкурент вертолета, однако в эффективности висения вертолет сложно превзойти и он все равно останется лучшим воздушным краном. А вот для сообщения на небольших расстояниях с возможностью посадки на малую площадку махолет, безусловно, будет эффективнее.

Пилотируемый орнитоптер по-прежнему остается мечтой многих. Перспективы этой отрасли колоссальны, стоит лишь поверить в то, что летать как птицы вполне реально.

Андрей Мельник