Atlas - хеликоптер с мускулна мощност - чудесата на нашата планета
Според експерти, хеликоптер, задвижван от човешки мускули, не може да лети. Двама млади дизайнери обаче доказаха обратното - и в резултат получиха четвърт милион долара.
Когато Тод Райхърт и Камерън Робъртсън се заеха през 2011 г. да построят хеликоптер с мускулна мощност, който може да лети поне 3 метра и да кръжи за 60 секунди, никой не вярваше, че могат да го направят.
Невъзможна задача
Проектно решение и програма за НАСА
Изглеждайки като гигантска играчка, изградена от комплект играчки за построяване на Paul Bunyan, Atlas има четири дълги, скелетни конзоли, направени от тръби от въглеродни влакна и високотехнологични кабели с нажежаема жичка. Всичко това е сглобено в огромна Х-образна сводеста конструкция, чийто диагонал е 26,4 м. В краищата на конзолите има четири главни ротора с диаметър 20 м всеки с ребра, изработени от светло балсово дърво, покрити с прозрачен миларен филм. В центъра на конструкцията, разположена на височина 3,6 м над земята, на въжета е окачен специално модифициран състезателен велосипед. Седнал в седлото, Райхерт действа като двигател на апарата: с помощта на педали и сложна система от намотки и кабели той върти лопатките на витлото. Енергията, която генерира, е достатъчна, за да вдигне самолет с тегло 55килограма.
64-секундният полет на самолета Atlas, след многобройни неуспехи на предишни съперници, показа, че в епоха, доминирана от големи екипи от дизайнери, работещи за авиационни гиганти като Lockheed Martin и Northrop Grumman, малка група изобретателни ентусиасти може да реши и най-сложните проблеми. Бенджамин Хайн, главен дизайнер на Sikorsky Aircraft и председател на конкурсния комитет за наградата Sikorsky за 2013 г., отбелязва, че младите дизайнери са успели да намерят оптималния размер и тегло за самолет с много ограничен източник на енергия, да разработят най-добрия дизайн на ротора и ефективна система за управление на полета. Според него от тази работа могат да се извлекат няколко важни урока за авиоиндустрията, основният от които е способността за бърза промяна на основната конструкция в случай на повреда. „Точно това е. нещо, което големите компании не могат да направят“, казва Хайн.
Друга демонстрация на потенциала на малката компютърна програма, която Reichert и Robertson разработиха, за да оптимизират дизайна си, е, че сега тя е част от софтуера и инструментите на НАСА. използвани за изграждане на самолети, които са проектирани за много по-дълги полети от Atlas. Следващата година двамата инженери ще използват програмата си за изграждане на самолет, задвижван от хора, за да се състезават за наградата Kremer за първия самолет от този тип (самолет с мускули), който може да измине 40 км между контролните точки за по-малко от един час. (Текущият рекорд за скорост за такъв апарат е 44 км/ч, итой е инсталиран по време на полет, продължил малко повече от две минути.)
Но това, което Райхерт и Робъртсън имат общо с братята Райт, е техният подход към бизнеса. „Братята Райт бяха брилянтни механици“, казва Райхерт. „Те знаеха как да правят части и как да ги сглобяват в една структура. но освен това те се придържаха към строго научен подход и това е най-добрата комбинация, необходима за успех.
Канадските дизайнери не са специалисти в хеликоптерната индустрия и затова просто не се задълбочиха в научните статии, които предричаха пълния им провал. Но те бяха наясно, че сложните изчисления, които трябваше да се направят, ще отнемат часове скъпо суперкомпютърно време, което не можеха да си позволят. Друг инстинкт подсказа, че разработените програми трябва да бъдат подобрени, така че да могат да се използват в аеронавтиката, където структурните елементи и аеродинамичните компоненти създават отделни екипи и ги усъвършенстват многократно. Този процес, според Робъртсън, води до "резултати, които са несъвършени както от аеродинамична, така и от структурна гледна точка."
Обобщавайки, можем да кажем: всичко, от което се нуждаеха, беше програма, която едновременно да комбинира параметрите на дизайна и аеродинамичните елементи, специфични за мускулните самолети от типа на хеликоптер. Разбира се, трябваше да е евтино, но бързо.
След интензивен петмесечен маратон Райхерт и Робъртсън създадоха такава програма, използвайки своите лаптопи, частично използвайки по-ранните проекти на орнитоптери на Райхерт, за които той получи докторска степен. Така че вместо тежък компютърАко можеха да се справят с лаптоп, те решиха да се откажат от високопрецизните симулации и да се задоволят със средна точност, за да коригират параметри като скоростта на въздушния поток върху перката. Програмата с висока точност ви позволява да възпроизведете най-малките детайли на много сложен аеродинамичен процес, например какво се случва в краищата на лопатките на главния ротор. Такива високи стандарти са необходими при проектирането на търговски самолети, но те не са необходими за разработването на евтина, нискоскоростна, лесно модифицирана Атланта. „Средната точност е достатъчно добра, за да поддържа грешката в рамките на, да речем, 2%“, казва Робъртсън. "И точно това ни трябваше."
Създадената програма направи възможно провеждането на виртуални тестове на хеликоптер от почти всякакъв дизайн с помощта на лаптоп. За да направите това, беше необходимо да въведете няколко десетки променливи, описващи създаваната структура, например геометричните данни на главния ротор, неговото тегло, размери и якост на опън на структурни елементи, като тръби от въглеродни влакна. Програмата обработи всички тези данни и само за няколко минути издаде най-добрата версия на самолета, както и минималното количество енергия, необходимо за издигането му от земята. НАСА оцени точността и скоростта на програмата и сега тя е включена в софтуерната библиотека на агенцията.
Физическа подготовка на "двигателя"
Друго ограничение за Атлант бяха теглото и мощността на неговия двигател, т.е. Райхерт, чиято височина надвишава 175 см и тежи 82 кг. Максималното тегло на пилота за този дизайн на самолета е ограничено до 75 кг, което означава, че Райхерт трябва да загуби 7 кг. Освен това трябвашегенерира достатъчно енергия, за да вдигне себе си и 55-килограмов самолет (общо 130 кг) във въздуха на височина над 3 метра и да остане във въздуха поне 60 секунди. Според оценките, за разделяне е необходимо да се развие мощност от около 1 000 вата (зависи от общото тегло на устройството и размера на четирите ротора); по време на полет тази стойност пада до около 600 вата. По принцип това е като спринт на 100 метра до лимита и след това по-малко напрегнато бягане на 400 метра.
Като изключителен спортист (той участва в състезанието за титлата на най-добрия състезател в Канада). Райхерт се оказа най-здравият авиационен инженер в цяла Северна Америка. Като част от самолета той стана обект на измерване за себе си и Робъртсън. „Ако можете да измерите нещо. казва Райхерт, „тогава имате възможност да го подобрите.“ По време на месеци на обучение той и Робъртсън използваха две ерг системи за измерване на мощността. Reichert улесни задачата, като намали теглото си до 72,5 kg (това е с 2,5 kg под максималната марка), което направи възможно намаляването на количеството енергия, необходимо за повдигане на хеликоптера от земята, без значителни загуби в мощността на неговия "двигател".
За да постигнат оптимални резултати, спортистите от световна класа обикновено организират своя тренировъчен процес по такъв начин, че да достигнат върха на своята форма в навечерието на състезанието. Въпреки това, поради множество забавяния по технически причини, Райхерт трябваше да поддържа възможно най-доброто физическо състояние повече от девет месеца. Невероятно, новото време на победоносния полет, той всъщност надхвърли изискваната производителност, развивайки през първите 12 секунди мощност от 1,1 хиляди вата (около 1,5 к.с.) и след това я намали до 690 вата.В резултат на това Атлас остана във въздуха 64 секунди.
Как е построен Atlas
Reichert и Robertson и техният екип от осем студенти от Университета на Торонто построиха Atlas през лятото на 2012 г. Те построиха тази фантастична машина, за да постигнат „невъзможна“ цел, но не губиха време и пари за екзотични трикове и авангардни материали. Когато е възможно, те вървят по утъпкания път, използвайки готови части, за да намалят разходите и да се съсредоточат върху решаването на по-трудни проблеми. И така, вместо да построят специален суперлек велосипед, те модифицираха съществуващ Cervelo R5ca, един от най-леките шосейни велосипеди. Голям фен на общуването с ученици, Робъртсън често им казва, че повечето от материалите, от които е направен Атлас, могат да бъдат закупени в магазините за занаяти и хоби. Най-новият материал, който използваха, беше Vectran, течнокристално полиестерно влакно, подобно по свойства на Kevlar. Има необичайно висока якост и почти нулево разтягане - веднъж натоварен, Vectran вече не се разтяга.
Хангарът в северната част на Торонто, казва Райхерт, беше доминиран от сложна математика и сухи алгоритми, но предлагаше място за интуиция и проба и грешка. Една от първите жертви на този процес беше системата за управление на Атланта, сложна подредба от лостове и кабели, свързани с малки L-образни крила (крило на канард), разположени в краищата на лопатките. Надявахме се, че това ще попречи на хеликоптера да се движи извън десетметровия квадрат (което беше определено като специално условие в правилата на наградата Сикорски >. чрез промяна на ъгъла на устройството спрямо напречната ос.
Аеродинамичен феномен
След победния полетРайхерт, всеки член на екипа получи възможността да седне "на кормилото" на "Атланта" и да се издигне над земята поне с няколко сантиметра. „До този ден“, казва Робъртсън, „повече хора са ходили по повърхността на Луната, отколкото са летели в хеликоптер тип мускулен самолет. Ние удвоихме този брой."
Нови цели
Говорейки за причините за успеха. Reichert надхвърля техниката. Той говори за решимостта - неговата и на Робъртсън - да направи невъзможното или поне за готовността да се опита да го направи. „Трябва да си поставите цели, които на пръв поглед изглеждат непостижими“, казва той. "Това е, което мотивира хората."
„Има много от тези задачи, които си струва да бъдат решени, но липсва мотивация“, оплаква се Робъртсън. Една от основните е развитието на технологии за пестене на гориво. Той споменава брилянтната идея на правителството да повиши ефективността на целия автопарк на страната чрез намаляване на разхода на гориво до един галон на 87,2 км до 2025 г., което е с 88% по-високо от сегашните технически стандарти, но твърди, че проектът не е достатъчно амбициозен. „Трябва да говорим за хиляда процента увеличение на ефективността“, призовава Робъртсън. „Тогава гледната точка на проблема ще се промени радикално и това ще послужи като ранно настъпване на ерата на ултра-ефективния транспорт.“
„Поемането на невъзможното не е лесно“, казва Райхерт. „Но е по-удовлетворяващо, по-мотивиращо и в крайна сметка води до страхотни резултати.“
Липсата на мотивация накара нашите герои да се провалят, когато се опитаха да счупят световния рекорд за скорост от 133 км в час в състезание с велосипеди в Батъл Маунтин, Невада; липсваха им 7,2 км в час. Те ще се върнат във въздуха следващата година, за да се състезават в други състезания по летене с мускулна мощност. Става въпрос засъстезания за наградата Kremer, учредена през 1959 г. Сумата от 50 хиляди паунда (95 хиляди долара) ще получат онези, които успеят да прелетят 40 км на мускулен самолет между контролни точки за по-малко от час. Райхерт и Робъртсън вече договарят условията на полета - какво е разрешено и какво не, и изразяват доверие. че ще могат да спечелят още една невероятна победа и да ударят още един джакпот.
Единственият мускулен самолет, който достигна тази скорост, беше принуден да кацне за около две минути, да не говорим за преодоляването на маратонското разстояние. Може да изглежда, че изпълнението на условията на конкурса е нереалистично. Но. може би Райхерт и Робъртсън искат да чуят това.
Интересни факти
■ Повече от 30 години авиоконструкторите се опитват безуспешно да създадат задвижван от човек хеликоптер, който може да излети от земята и да кръжи във въздуха за една минута. За да вдъхнови дизайнерите на самолети, Американското хеликоптерно дружество създаде наградата Сикорски, но той не можа да намери своя собственик.
■ Двама дизайнери от Торонто, Тод Райхерт и Камерън Робъртсън, успяха да вдигнат самолет във въздуха с ограничено количество мощност, използвайки огромни ротори. Противно на всички прогнози миналата година те спечелиха заветната награда.
■ Самолетът, построен от малък екип с помощта на лесно достъпни материали, е доказателство, че революционните проекти не са запазени за големите високотехнологични компании.