Идею циклокоптера впервые изложил русский инженер Евгений Сверчков более ста лет назад, в самом начале XX века. Примерно в это же время была предложена конструкция вертолета современного типа, но если вертолеты стали за это время обыденностью, то судьба циклокоптеров оказалась гораздо более сложной, и вплоть до XXI века даже уменьшенные прототипы таких аппаратов не поднимались в воздух.
Артур Бильский, кандидат физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института теплофизики РАН, где создали циклодрон, считает, что проблема была не столько в создании самого аппарата, сколько в разработке системы управления к нему.
«Циклокоптеры смогли полететь, в первую очередь, благодаря развитию авиационной вычислительной техники, систем управления, которые позволяют управлять несколькими пропеллерами независимо. Такая конструкция слишком сложна, чтобы управлять ей вручную, без электроники», – пояснил он.
Российский циклодрон летает с помощью четырех похожих на пароходные колеса симметрично расположенных циклоидных пропеллеров. На ободах каждого такого колеса закреплены лопасти, установленные под небольшим углом к направлению вращения. Механизм пропеллера позволяет выставлять эти лопасти под разными углами, благодаря чему они создают подъемную силу в разных направлениях или же стоят в нейтральном положении.
В итоге пропеллер может не только создавать тягу в любом направлении в плоскости вращения, но и быстро менять направление этой тяги. Для управления полетом все четыре движителя необходимо контролировать синхронно.
«Балансировка тяги между этими пропеллерами, чтобы аппарат устойчиво находился в воздухе и не заваливался на бок, может быть выполнена только автоматической системой управления», – сказал Бильский.
Автоматическая система управления определяет, куда должны быть направлены векторы тяги циклодрона, чтобы лететь, допустим, вперед. Система выдает указание каждому механизму управления пропеллера, с чьей помощью, перемещаясь по кругу, лопасти циклично качаются вверх и вниз, аналогично лопастям вертолета, у которого для этого служит автомат перекоса.
Угол установки лопасти меняется в течение одного оборота колеса. Если необходимо лететь вверх, то сверху колеса лопасть устанавливают для создания тяги к оси вращения, а внизу колеса – от нее.
«Получается, что в одной фазе вращения пропеллера эти лопасти создают положительную тягу при одном угле установки, а по другую сторону пропеллера, при противоположном угле установки – отрицательную. Так что лопасти вверху и внизу могут создавать тягу в едином направлении»,
– рассказал Бильский.
В итоге благодаря быстрому управлению тягой аппарат получается очень ловким, поскольку четыре независимых вектора тяги позволяют выполнять сложные маневры. Особенно ярко это проявляется при посадке. На испытаниях циклодрон успешно садился не только на горизонтальные, но и причаливал к наклонным и даже вертикальным поверхностям, чего не могут позволить себе вертолеты. По мнению ученого, способность циклокоптеров причаливать к вертикальным стенам может заинтересовать пожарных, спасателей и войска специального назначения.
В теории, чему-то подобному можно было бы «научить» обычные квадрокоптеры, если разместить их винты в поворотных гондолах. Например, пропеллер могут поворачивать американские конвертопланы V-22 Osprey, переходя из самолетного режима в вертолетный и обратно.
Институт теплофизики не проводил таких испытаний, но, по личному мнению Бильского, конструкция поворотного винта слишком сложна и массивна по сравнению с циклическим пропеллером.
«Скорее всего, для поворота тяжелого вращающегося винта придется прикладывать значительную энергию. Это потребует мощных тяжелых механизмов, а для авиатехники на счету каждый килограмм веса», – отметил ученый.
Однако маневренность – не единственное преимущество циклолета. Их пропеллеры работают гораздо тише при том же уровне тяги, чем традиционные винты, что важно для пассажирских перевозок. В данный момент в мире существуют несколько проектов летающих такси, и среди этих разработок есть циклолеты. Например, в 2021 году австрийская компания CycloTech испытала 83-килограммовый прототип такси.
«На Западе проводились опросы, где людей спрашивали об отношении к летающим автомобилям. Они сказали, что главная проблема – это шум, который они будут создавать. В бесшумности — одно из ключевых преимуществ циклолетов, из-за которого они имеют шансы стать летающими автомобилями будущего. Кроме того, если вертолету требуется специальная площадка, то циклолет может садиться, грубо говоря, на парковку»,
– пояснил Бильский.
Циклодрон – это лишь небольшой беспилотный прототип, работающий от аккумулятора. Он весит около 60 килограмм и может нести полезную нагрузку до 10 килограмм, находясь в воздухе 10 минут. Циклодрон был разработан по контракту с Фондом перспективных исследований для демонстрации самой технологической возможности создания таких аппаратов в России.
Теперь на его основе Институт теплофизики планирует разработать циклокар – аналог создаваемых на Западе и в других странах аэротакси с циклическими пропеллерами. По словам главы РАН, машина должна подняться в воздух в 2023 году. Она будет пилотируемой, а взлетный вес достигнет двух тонн, что достаточно для пассажирских перевозок.