Монокоптер: как устроен вертолет с одной лопастью

Правда, практика показала — что хорошо для природы, то совершенно не обязательно хорошо для рукотворной техники. Так или иначе, 14 января 1910 года французские инженеры Альфонс Папен и Дидье Руилли представили перед Французской академией наук проект летательного аппарата, формой и принципом действия напоминавшего крылатку белого клена. На заре авиастроения интерес к оригинальным проектам был весьма велик, поскольку предсказать, какой из многочисленных воздухоплавательных принципов «сработает», было довольно трудно. В итоге уже годом позже Папен и Руилли получили финансирование от военных, поскольку армия всегда первой подхватывала перспективные проекты, — и принялись за дело.

Природная задача крылатки достаточно проста. Замедление падения и сложность траектории позволяют семени-вертолету улетать значительно дальше от материнского дерева, нежели, например, желудю или каштану. Зачем это нужно в технике? Ведь стабилизировать траекторию полета монокоптера невероятно трудно, поскольку лопастью в нем служит весь корпус. Плюс ко всему, если монокоптер несет на себе человека, необходимо каким-то образом обеспечить неподвижность кабины и достаточную стабильность аппарата при нахождении в воздухе. В общем, задача кажется нетривиальной, значительно более сложной, нежели в случае с вертолетом обычной схемы.

Тем не менее неоспоримые плюсы у монокоптеров есть. Во-первых, они, подобно автожирам, не упадут на землю при отказе двигателя, а спланируют на авторотации. Во-вторых, монокоптер состоит из очень небольшого количества элементов, причем подвижных среди них — раз, два и обчелся, и потому его надежность весьма высока; даже столкновение с другим летательным аппаратом и легкие повреждения, нанесенные корпусу-крылу, позволят монокоптеру пролететь еще некоторое расстояние, например, до базы. На последнее преимущество и купились французские военные.

Творение Папена и Руилли получило название Chrysalide («Куколка»), а сам класс аппаратов, защищенный двумя европейскими и одним американским патентами, — Gyroptere (гироптер). Странный вертолет имел одну огромную полую лопасть длиной 17 м и по конфигурации был практически один в один скопирован с кленовой крылатки. Лопасть располагалась с одной стороны от кабины пилота, с другой она уравновешивалась силовым агрегатом, 9-цилиндровым ротативным двигателем Rhone мощностью 80 л.с. — для того времени очень немало.

Собственно, кроме звездообразного ротативного двигателя, другого варианта не было: в таком агрегате цилиндры вместе с картером вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала. Rhone «выдавал» 1200 об/мин и вращал вентилятор, нагнетавший внутрь лопасти воздух. Из выгнутого конца лопасти струя выходила со скоростью порядка 100 м/с, приводя весь аппарат во вращение. Пилот «Куколки» располагался в центре масс между крылом и вентилятором — это позволяло стабилизировать его положение. Направление полета задавалось воздушной струей: часть нагнетаемого воздуха отводилась в поворотный воздухопровод, соединенный с рулем.

Так или иначе, к 1913 году «Куколку» построили, хотя проблем оказалось множество: в частности, технологии того времени не позволяли обеспечить достаточную прочность конструкции, да и положение пилота оказалось не столь стабильным, как следовало из расчетов. Плюс ко всему началась Первая мировая война, и полевые испытания сумели провести лишь 31 марта 1915 года на небольшом озере в департаменте Кот д’Ор.

Вдобавок ко всему прочему оказалось, что мощности мотора катастрофически не хватает — монокоптер вращался с частотой всего 47 об/мин, хотя по расчетам для взлета требовалось как минимум 60 об/мин. Закончилось испытание печально: пилота начало закручивать и трясти, он сумел каким-то образом спрыгнуть в воду, после чего «Куколка» заглохла, перевернулась — и затонула, несмотря на то что ее основанием был полый поплавок.

К несчастью, при испытаниях присутствовала военная комиссия, то есть представители «спонсора». Средства были отозваны, а разработку рекомендовали прекратить. В военное время стране было не до экзотики, Папен и Руилли трудились на благо отечества в совершенно других областях. Впрочем, «Куколку» инженеры из озера подняли, а в 1917 году представили новый проект облегченного гироптера — правда, денег на его создание правительство уже не выделило. Поиски финансирования незадачливые изобретатели продолжали аж до 1936 года.

Но даже если бы на «Куколку» был установлен более мощный двигатель (как и планировалось изначально), даже если бы она взлетела — вряд ли монокоптеры нашли бы свою нишу в мировом авиастроении. Авиационный бум 1910-х годов позволил прогрессу идти семимильными шагами: уже к концу Первой мировой войны армии всех воюющих государств были оснащены самолетами, достаточно совершенными и скоростными, чтобы творение Папена и Руилли осталось лишь историческим курьезом.

Казалось, возвращаться к схеме крылатки нет никакого смысла. Слишком громоздкая и сложная конструкция с невысокой грузоподъемностью может служить разве что для наблюдения, но сегодня эту функцию повсеместно выполняют дроны... Стоп! Дроны? А это идея!

Действительно, если полноразмерный монокоптер, обязанный выдерживать человека, оказывается чрезмерно неудобным и ненадежным, то для крошечного дрона-наблюдателя подобная схема кажется чуть ли не оптимальной. Если сравнять размеры робота с размерами прототипа — кленового плода, то окажется, что у беспилотных монокоптеров очень неплохое будущее. В 2006 году, спустя почти век после французов, об этом задумались специалисты компании Lockheed Martin.

Конечно, во всем замешано агентство DARPA — кто же еще! 10 июля 2006 года было объявлено, что Lockheed Martin получили неплохой грант на разработку монокоптера в рамках программы nano air vehicle (NAV). Итоговая конструкция по техзаданию должна весить не более 20 г и иметь не более 15 см по максимальному размеру; кроме того, заказчики из DARPA указали и минимальную скорость наноразведчика — 36 км/ч, что кажется откровенно фантастическим. Изначальный прототип, рассчитанный на компьютере, действительно имел размеры кленовой крылатки — 5-сантиметровая лопасть и крошечный реактивный двигатель, вращающий устройство с частотой порядка 15 000 об/мин. Плюс, конечно, оборудование: сенсоры, камеры, коммуникационное устройство, и все это каким-то чудесным образом вмещается в систему, суммарная масса которой составляет всего 10 г.

Но время шло, а сделать расчетную конструкцию в пластике не получалось. В итоге монокоптер Lockheed Martin проиграл конкуренту — устройству под названием Nano Hummingbird (то есть «колибрилету»), созданному в рамках того же заказа компанией AeroVironment. 19-граммовая законченная модель махолета, «срисованного» с колибри, была представлена зимой 2011 года, в то время как монокоптер до сих пор находится в разработке. На сегодняшней стадии длина его лопасти достигла 17 см; правда, на выставках чаще всего демонстрировался более крупный экземпляр с 40,6-сантиметровым крылом; на нем тестируется и система управления.

Впервые дрон от Lockheed Martin, получивший в итоге название Samarai, был показан в августе 2011 года на выставке AUVSI (Международной ассоциации конструкторов беспилотников). Запросы DARPA пока что остались невыполненными: в придачу к чрезмерной длине дрон еще и весит 227 г, хотя камеру держит вполне исправно. Реактивный двигатель в итоге заменили электрическим — с пропеллером, расположенным на законцовке лопасти.

Но пока Lockheed Martin бьется над непростой задачей, троица независимых инженеров из Мэрилендского университета построила свой дрон-монокоптер The Ulrich Flyer (или иначе — Robotic Samara, окончательного названия еще нет). Точнее, целых три дрона, последний из которых имеет всего лишь 7,5-сантиметровое крыло, — кажется, у ребят из Lockheed Martin серьезные проблемы в плане конкуренции. Надо сказать, Ульрих и компания работали над монокоптером тоже достаточно давно, с 2007 года. Принцип работы The Ulrich Flyer такой же, как и у Lockheed Martin Samarai, то есть имеется крыло в форме крылатки и импеллер на его законцовке. Вот только у мэрилендцев получилось (почти — по крайней мере по размерам) вложиться в технические требования заказчика.

Дроны-наблюдатели, сделанные по схеме монокоптера, хороши тем, что в них практически нечему ломаться. Кроме крошечного электродвигателя с пропеллером, в них нет ничего подвижного. Правда, до сих пор стоит проблема стабильного управления монокоптерами — но если DARPA и впредь будет выделять миллионы долларов на подобные разработки, нет сомнений, что ученые преодолеют все барьеры.

Сегодня ничто не указывает на какие-либо перспективы для пилотируемых монокоптеров. Попытка Папена и Руилли была очень неплоха для 1910-х — но, видимо, навсегда отбила у инвесторов желание вкладывать средства в подобные проекты. Тестовый вертолет Bolkow Bo-103 был создан в 1960 году только для тестирования стеклопластикового профиля лопасти — никак не для серии. А вот беспилотники имеют все шансы серьезно обосноваться на современном рынке военных дронов-наблюдателей.

Дроны-монокоптеры всегда казались интересной концепцией. Известен ряд разработок Чарльза Маккатчена, строившего подобные модели в 1950-х; впоследствии монокоптеры строили моделисты из СССР, Румынии, США, в 1988 году моделист Кори Клайн первым сконструировал монокоптер с ракетным двигателем. Сегодня есть целый ряд моделистов, создающих копии монокоптеров Маккатчена (McCutchen Machines) и свои собственные системы, а профессор Кентского университета (Огайо) даже выпустил по подобным моделям монографию.

При должной компактности к монокоптеру можно смело прикрепить даже очень дорогое оборудование (камеры, датчики), поскольку он не может упасть даже при отказе двигателя, да и вообще теоретическая надежность монокоптера весьма высока. Создатели Robotic Samara приводят и еще один аргумент в пользу дронов-наблюдателей однолопастной конфигурации: подобный робот вращается несколько сотен раз в минуту, каждый раз фиксируя панорамную картинку и, таким образом, собирая максимально возможную информацию об окружающей обстановке. Обычному дрону для получения такого же объема нужно разворачиваться, заходить на виражи и т. д. Правда, остается решить вопрос стабилизации, но при современном уровне технологий все возможно. И самое интересное, что шансы со-здать работающий и управляемый дрон-монокоптер у любителя-моделиста и серьезной организации вроде Lockheed Martin примерно равны. Особенно если DARPA выделит на это необходимые средства.