Śmigłowce… z jednym śmigłem
Okładka magazynu Popular Science z 1922 r. przedstawiająca jednołopatowy helikopter…
„…a jego moc zostanie wzmocniona, choć nie jego własną mocą, i będzie czynił cudowne spustoszenia, i odniesie sukces, i będzie działał, i zniszczy potężnych i świętych ludzi…”
Daniela 8:24
Daniela 8:24
Innowacje wczoraj i dziś. Tak się złożyło, że w latach 70. i 80. rosyjski magazyn „Modelist-Constructor” dużo pisał o modelach… śmigłowców jednołopatowych. Brały one nawet udział w zawodach wysokościowych i długodystansowych. Ich konstrukcja była oryginalna, ale wtedy nie rozumiałem, po co komu takie latające… „pociski”. Nie wiedziałem też, że ta konstrukcja śmigłowca ma bardzo „starożytne” korzenie. historiaNie jestem pewien, co amerykański magazyn „Popular Science” napisał o nich w 1922 roku. Ale dziś czytam o tym, jak tę zasadę można wykorzystać do stworzenia maleńkiej maszyny latającej, która obraca się w locie jak nasionko klonu i jest niewiele większa od niego… A co to może być? To: kolejny mikrodron – bezzałogowy pojazd podobny do monokoptera lub „monowing”, w zasadzie helikopter z jednym śmigłem! Chociaż ten pomysł, jak się okazuje, wcale nie jest nowy…
Ujmijmy to tak: każdy widział nasiona klonu. I każdy oczywiście wie, że zamiast spadać jak kamienie na ziemię, te nasiona szybują w powietrzu, wirując wokół własnej osi niczym wirnik helikoptera. To prawda, ma tylko jedno śmigło. Dziwne, prawda? Ale okazuje się, że Matka Natura różni się od ludzi tym, że jest bardzo oszczędna i tam, gdzie jedno śmigło by wystarczyło, postanowiła nie instalować dwóch! I oczywiście, obserwując lot skrzydlatego, skrzydlatego, skrzydlatego skrzydła, ludzie po prostu nie mogli się powstrzymać od pytania: jak mogli nie zastosować tej naturalnej zasady lotu do własnego samolotu? Chociaż nie raz zdarzyło się, że to, co dobre dla natury, okazało się znacznie mniej korzystne dla ludzi.
Następnie, 14 stycznia 1910 roku, dwaj francuscy inżynierowie, Alphonse Papin i Didier Rouilli, przedstawili Francuskiej Akademii Nauk projekt niezwykłej maszyny latającej, przypominającej kształtem i sposobem napędu łopatę z białego klonu. U zarania ery projektowania samolotów nikt nie wiedział, co jest najlepsze, a co najgorsze dla lotnictwa, a zainteresowanie wszelkiego rodzaju oryginalnymi projektami było wyjątkowo duże. Poza tym trudno było z góry przewidzieć, czy dla maszyny latającej lepsze będą dwie łopaty, czy jedna. Ostatecznie projekt Papina i Rouilliego został zatwierdzony, a armia francuska zgodziła się sfinansować jego wdrożenie.
Natura dała monokopterowi bardzo proste zadanie: po pierwsze, spowolnić opadanie nasion klonu, a po drugie, pozwolić mu odlecieć jak najdalej od drzewa macierzystego. Z jakiegoś powodu natura postanowiła nie zawracać sobie głowy nasionami wiśni, żołędzi czy kasztanów. Rosły tam, gdzie spadły. Ludzie jednak oczekiwali znacznie więcej od samolotu zbudowanego na tej zasadzie. Sama prostota nie wystarczyła. Okazało się, że monokoptery miały większe trudności ze stabilizacją toru lotu i utrzymaniem stabilności kabiny pilota. Jednak jeśli silnik takiego „wirnika” zawiódł, po prostu nie mógł się rozbić. Po prostu szybował w kierunku ziemi w trybie autorotacji.
Papin i Rouilli nadali swojemu statkowi nazwę Chrysalide („Chrysalis”), wyraźnie sugerując, że może on z czasem przekształcić się w coś naprawdę niezwykłego. Co więcej, statki te zostały nawet sklasyfikowane jako odrębna klasa żyroskopów, chronionych dwoma europejskimi i jednym amerykańskim patentami. Nowatorstwo konstrukcji było jednak na pierwszy rzut oka zdumiewające: „Jak to w ogóle mogło latać?”. Ten dziwny „helikopter” (a może „skrzydło helikoptera”?) miał tylko jedno puste w środku śmigło, o imponującej długości 17 metrów i był wierną kopią modelu z klonowymi skrzydłami.
Sama łopata znajdowała się po jednej stronie kabiny pilota, a po drugiej miała być wyważona przez jednostkę napędową – dziewięciocylindrowy silnik rotacyjny „Rhone” o mocy 80 koni mechanicznych. Osiągał on 1200 obr./min i napędzał wentylator, który tłoczył powietrze do pustej łopaty. Na końcu łopaty znajdowała się dysza wyrzucająca strumień powietrza z prędkością około 100 m/s, napędzający cały mechanizm.
Pilot „Doll” znajdował się w środku ciężkości między skrzydłem a wentylatorem, co umożliwiało stabilizację kokpitu. Kierunek lotu samolotu był określany przez przepływ powietrza, ponieważ część powietrza napędzanego silnikiem była kierowana do obracającego się kanału powietrznego połączonego ze sterem kierunku, jednocześnie popychając samolot w pożądanym kierunku.
„Chrysalis” został zbudowany w 1913 roku, ale wybuch I wojny światowej opóźnił próby terenowe do 31 marca 1915 roku. Przeprowadzono je na małym jeziorze w departamencie Côte d'Or – i na szczęście, na jeziorze. Okazało się, że moc silnika była żałośnie niewystarczająca – prędkość wirnika monokoptera była niewystarczająca do startu.
Próba zakończyła się tragicznie: kabina pilota zaczęła się tak bardzo kręcić i trząść, że pilotowi udało się tylko cudem wyskoczyć z niej do wody, po czym silnik „Laleczki” zgasł, a ona sama wywróciła się i zatonęła, mimo że miała specjalny, pusty pływak u podstawy.
Aparat ostatecznie wydobyto z dna jeziora, a w 1917 roku jego twórcy zaprezentowali ulepszoną konstrukcję. Odmówiono im jednak funduszy na jego budowę i byli zmuszeni szukać go samodzielnie przez prawie dwadzieścia lat, ale nadal nic nie znaleźli!
Jednak zainteresowanie śmigłowcami jednołopatowymi od czasu do czasu powracało. Na przykład we wrześniowym numerze amerykańskiego magazynu „Popular Science” z 1922 roku, oprócz obszernego artykułu o samym „Chrysalisie” i jego twórcach, omówiono również praktyczność takich samolotów. „Czy „nasiona klonu” zwiastują rewolucję w dziedzinie statków powietrznych cięższych od powietrza?”Uznano, że wady tych urządzeń przewyższają ich zalety i czasopismo zaprzestało pisania o nich.
Powrót do projektu ze skrzydłami wydaje się teraz bezcelowy. Konstrukcja tego statku z człowiekiem w środku jest po prostu zbyt nieporęczna i skomplikowana. A co, gdybyśmy usunęli z niego człowieka?!
Rzeczywiście: jeśli pełnowymiarowy monokopter sterowany przez pilota wydaje się projektantom wciąż zbyt niewygodny i zawodny, to w przypadku modelu miniaturowego warkotDla obserwatora taka konstrukcja mogłaby okazać się niemal optymalna. W rezultacie, w 2006 roku, prawie sto lat po pierwszym eksperymencie, ludzie ponownie zaczęli myśleć o stworzeniu zupełnie nowych urządzeń opartych na nasionach klonu. Oczywiście, amerykańska agencja DARPA miała w tym swój udział!
To właśnie ten program przyznał firmie Lockheed Martin znaczną dotację na rozwój monokoptera w ramach programu Nano Aircraft (NAV). Zgodnie ze specyfikacją, nowy dron miał ważyć nie więcej niż 20 gramów i mieć maksymalną rozpiętość skrzydeł nie większą niż 15 centymetrów; ponadto minimalna prędkość nanodronu rozpoznawczego musiała wynosić co najmniej 36 km/h. Wygenerowany komputerowo prototyp rzeczywiście miał rozmiary samolotu o skrzydłach klonowych – pięciocentymetrowe śmigło i maleńki silnik odrzutowy obracający się z prędkością około 15 000 obr./min. Czujniki, kamery i urządzenie komunikacyjne – krótko mówiąc, całe jego wyposażenie – musiały w jakiś sposób zmieścić się na pokładzie urządzenia ważącego zaledwie 10 gramów. Prace nad tym urządzeniem trwają do dziś.
Ostatecznie firmie nie udało się stworzyć dokładnie takiego urządzenia latającego, ale wciąż jest ono w fazie rozwoju. Długość łopat wynosi 17 centymetrów; na wystawach prezentowany jest jeszcze większy model ze skrzydłem o długości 40,6 centymetra. To właśnie ten model jest używany do testowania systemu sterowania. Oprócz swojej nadmiernej długości, dron ten jest również niezwykle ciężki, ważąc 227 gramów, mimo że bez problemu może unieść na przykład kamerę wideo. Silnik odrzutowy musiał zostać zastąpiony mikrosilnikiem elektrycznym i śmigłem zamontowanym na końcówce łopaty.
Tymczasem trzem niezależnym inżynierom z Uniwersytetu Maryland – Ulrichowi, Pinesowi i Humbertowi – udało się zbudować własną wersję monocoptera, choć bez konkretnej nazwy. I to nie jeden, ale trzy drony, z których ostatni ma zaledwie 7,5-centymetrowe śmigło. Wszystkie działają na tej samej zasadzie: skrzydła i śmigło pchające. Jednak tylko inżynierom z Maryland udało się niemal w pełni spełnić wymagania klienta.
Jeśli chodzi o drony obserwacyjne zbudowane w oparciu o tę konstrukcję, ich zaletą jest to, że praktycznie nic nie może się zepsuć. Poza niewielkim silnikiem elektrycznym i śmigłem, nie posiadają żadnych innych ruchomych części. Problem stabilnego sterowania monokopterami nie został jeszcze w pełni rozwiązany, ale kto wie, co może się wydarzyć jutro?
Ale to nie wszystko. Jeśli obejrzysz film przedstawiający start śmigłowca z jednym śmigłem, zauważysz, że odbywa się on z podpory zamontowanej na ziemi. Oznacza to, że śmigło najpierw się obraca, a następnie swobodnie startuje. A co, gdyby przypiąć taką „podporę” do ramion... powiedzmy żołnierza sił specjalnych, aby mogła się obracać całkowicie swobodnie?
Do jego pleców można również przymocować dwa mikrosilniki z śmigłami. Wirujące śmigło uniesie go w powietrze, a „pojazdem” można sterować, zwiększając prędkość prawego lub lewego śmigła! I oto gotowy „Karlson”, który, choć nie mieszka na dachu, z pewnością potrafi latać.
Informacja