Аэромобили на циклороторах: почему Россия и Австрия выбрали для «транспорта будущего» технологию вековой давности

Циклокоптеры вместо обычных винтов используют роторы особой конструкции, похожие на гребные колёса старых пароходов.

Австрийская компания CycloTech показала первый испытательный полёт своей платформы для будущих электрических аэротакси с вертикальным взлётом и посадкой. Конструкция массой 83 килограмма оторвалась от земли и провела в воздухе несколько минут благодаря тяге четырёх цилиндрических циклороторов, расположенных по бокам.

Весной 2021 года похожую платформу с четырьмя циклороторами успешно испытал российский Фонд перспективных исследований. На базе этой платформы Фонд планирует создать к 2022 году летающее такси «Циклокар» грузоподъёмностью 600 килограммов. Такси сможет перевозить шесть человек на расстояние до 500 километров со скоростью 250 километров в час.

В мире есть и другие проекты летающих такси, но все они используют традиционные пропеллеры. Сотрудники CycloTech и разработчики «Циклокара» посчитали, что для воздушного транспорта будущего лучше подходит концепция вековой давности.

Циклоидный ротор или пропеллер Фойта-Шнайдера — это «воздухоплавательная версия» гребного колеса старых пароходов с расположенными по кругу лопастями. Но если у гребного колеса лопасти жёстко зафиксированы, то лопасти циклоротора немного поворачиваются вокруг своей оси, причём на каждом обороте ротора.

Для вертикального взлёта циклоротор задирает передний край каждой лопасти, когда она проходит верхнюю точку оборота, и опускает этот край в нижней точке. Таким образом, лопасть циклоротора дважды за оборот разрезает воздух под углом и отталкивается от него — так же, как режет воздух лопасть обычного вертолётного винта. Обе точки расположены на вертикальной линии, так что циклоротор отталкивается от воздуха в вертикальном направлении, создавая подъёмную силу.

После взлёта циклоротор начинает задирать и опускать край каждой лопасти с некоторым запозданием, смещая точки с вертикальной линии на диагональную. Это меняет направление тяги — теперь циклоротор отталкивается от воздуха не вертикально вверх, а по диагонали. Если пароход медленно гребёт своими колёсами по воде горизонтально вперёд, то циклокоптер гребёт роторами по воздуху вперёд и вверх, причём очень быстро, поскольку плотность воздуха в 770 раз меньше, чем плотность воды.

Концепция простая, но реализовать её оказалось крайне сложно. Прототипы летательных аппаратов на некотором подобии циклороторов начали безуспешно испытывать ещё в начале прошлого века. В 1924 году шведский инженер Страндгрен запатентовал первый полноценный циклокоптер с вертикальным взлётом и посадкой. После девяти лет подробных расчётов и экспериментов инженер построил финальный прототип, который ездил по земле, но не взлетал.

В последующие десятилетия изобретатели в США и Европе патентовали и строили разные варианты циклокоптеров, ни один из которых не поднялся в воздух. Только в 2007 году инженеры Сеульского национального университета убедились, что концепция всё же работает — их циклокоптер с четырьмя роторами вертикально взлетал, устойчиво держался в воздухе и благополучно садился.

В 2011 году достижение корейских инженеров повторили сотрудники Мэрилендского университета. Появились и другие рабочие прототипы, но все они были небольших размеров. Российский «Циклокар» считается первым в истории большим летающим циклокоптером, пригодным для создания полноценного воздушного транспорта.

Главное преимущество циклокоптеров — их схожесть с вертолётами. Они взлетают и садятся вертикально, а для горизонтального полёта им не нужны крылья. Более того, «Циклокар» на испытаниях успешно садился на площадки с наклоном до 30° и причаливал к вертикальным поверхностям. Всё это важно для воздушных такси и прочих аэромобилей, которые будут курсировать в плотно застроенных городах. Обычные летающие автомобили с крыльями и горизонтальным взлётом слабо годятся для такого сценария.

Циклоротор переходит от вертикального взлёта к горизонтальному полёту регулировкой наклона лопастей — но таким же образом он может направить тягу в любую сторону, причём независимо от соседних циклороторов. Это обеспечивает циклокоптеру сверхманёвременность, которая недостижима для вертолётов — он способен буквально крутиться на месте в любом направлении.

Регулировка наклона лопастей циклоротора меняет не только направление тяги, но и её силу — если наклонить лопасть на больший угол, то она будет сильнее отталкиваться от воздуха. Все эти изменения тяги у циклокоптеров происходят почти мгновенно и не требуют повышать или понижать обороты двигателя, в отличие от других винтовых летательных аппаратов.

Отсутствие задержек и надобности менять обороты дают возможность использовать на циклокоптерах традиционные двигатели на ископаемом топливе, которые не нуждаются в массивных аккумуляторах. Например, бензиновый роторно-поршневой двигатель планируют ставить на «Циклокар», чтобы он мог пролететь до 500 километров — у платформы CycloTech на электромоторах дальность полёта составляет всего 85 километров.

Наконец, циклороторы относительно компактны и малошумны. Диаметр роторов у платформы CycloTech составляет 1,2 метра, у «Циклокара» — полтора метра, при вместимости от четырёх до шести человек. Самый маленький в мире вертолёт — японский GEN H-4 использует соосные винты диаметром четыре метра и может поднять только одного человека. Циклоротор же за один оборот отталкивается от воздуха в двух точках, что делает его энергоэффективным решением.

Главная проблема циклоротора — его сложность. Он должен менять наклон каждой своей лопасти при каждом обороте с помощью неких приводов. Вся эта конструкция совершает 1600-3100 оборотов в минуту — то есть, циклоротор вращается в 5-10 раз быстрее вертолётного винта. Здесь не обойтись без очень прочных и лёгких материалов, также желательно использовать минимум деталей и соединений. Хотя «Циклокар» и платформа CycloTech смогли взлететь и удержаться в воздухе, но неизвестно, выдержат ли они полную нагрузку и как долго смогут проработать в режиме эксплуатации.

Циклокоптеры имеют больше проблем с безопасностью: если у вертолётов и традиционных аэротакси винты находятся высоко над головой человека, то циклороторы расположены по бокам и легко доступны. Разработчики «Циклокара» планируют оградить их сеткой, однако вряд ли она защитит от падения мелких предметов в работающий ротор. Также расположенные по бокам циклороторы могут затруднить посадку и высадку людей.

Недостатком может обернуться и одно из преимуществ циклороторов — они позволяют использовать экологически грязные двигатели на ископаемом топливе вместо электромоторов. Бензиновые циклокоптеры наверняка будут летать в несколько раз дальше электрических, что может затормозить переход транспорта на силовые установки с нулевыми выбросами.

#разборы #транспорт #изобретения