Циклокоптер (цикложир) или циклолёт — это летательный аппарат с конструкцией, в которой для создания тяги и подъёмной силы используются вращающиеся роторы. Такая схема имеет те же преимущества, что и вертолёт: возможность вертикального взлёта, зависания в воздухе, но по сравнению с вертолетами; имеют очень малую шумность, имеют возможность взлета с наклонных поверхностей и посадки на них, возможность причаливания к вертикальным поверхностям горизонтально или вертикально, занимают намного меньше места. Циклолёты с оптимизированными траекториями лопастей производят подъёмную силу на единицу мощности двигателя значительно превосходящие эти показатели для вертолетов. Схема известна с начала XX века, однако первые полёты построенные по этой схеме аппараты совершили только в начале XXI века. Цикложир не следует путать с неудачными проектами летающих аппаратов с цилиндрическими крыльями, которые попытались использовать эффект Магнуса.
Принцип
Циклоидный пропеллер, являющийся главным элементом циклолёта, напоминает гребное колесо, с заменой профилей лопастей. Шаг профилей (угол атаки) устанавливается либо коллективно посредством контрольного кольца со штангами ко всем лопастям, которое расположено эксцентрично и по отношению к оси ротора вращения, либо же лопасти постоянно индивидуально регулируются и корректируются системой управления. В нормальном полёте образуется подъёмная сила и тяга, направленная вперёд. Однако схема позволяет изменять тягу в любом направлении в плоскости перпендикулярной оси ротораThe Development of cyclogyro . Дифференцирование тяги между двумя роторами (по одному с каждой стороны фюзеляжа) могут быть использованы для поворота самолёта вокруг своей вертикальной оси, хотя обычное самолётное оперение, как правило, также используется.
История
Схема цикложира довольна проста и родилась из аналогии с гребными колёсами пароходов.
«Самолёт» Сверчкова Первый аппарат, иногда относимый к цикложирам, датируется 1909 годом — это «Самолёт» российского военного инженера Евгения Павловича Сверчкова, иногда называемый «колёсный ортоптер». Схема аппарата может называться цикложиром или циклокоптером достаточно условно. Было три плоских поверхностей и вертикальный руль направления, причём задняя кромка одной из поверхностей могла искривляться, заменяя современный руль высоты. Подъёмная сила и тяга создавались «гребными колёсами», состоявшими из 12 лопастей, установленных в три группы через 120°. Лопасти имели вогнутый профиль и изменяли угол атаки при помощи эксцентриков и пружин для того чтобы воздух отбрасывался вниз и назад, то есть создавалась подъёмная сила и тяга. Колёса приводились в движение с помощью ременной передачи от двигателя «Бюше» в 10 л. с. (конструкции швейцарца Альфреда Бюши), установленного внизу аппарата. Трёхколёсное шасси было сделано сбрасываемым и служило только для взлёта аппарата. Каркас был выполнен из тонкостенных стальных труб и из бамбука со стальными струнами внутри, обтяжка — из сарпинки, что обеспечило массу пустого аппарата всего в около 200 килограмм. Аппарат был построен на средства Главного инженерного управления в Петербурге, что позднее в связи с провальными испытаниями (машина не только не взлетела, но даже не сдвинулась с места) привело к обвинению в растрате казённых средств инженера Сверчкова, что подвигло его забросить проект и погрузиться в политику. Сам аппарат, однако, в 1909 году ещё до испытаний демонстрировался в Санкт-Петербурге на выставке новейших технических достижений и даже получил медаль. Испытания, несмотря на ночное время, вызвали большой интерес у публики, поэтому свидетелями позора было довольно большое число людей.
Другие российские и западноевропейские варианты Позднее в Российской Империи было ещё несколько подобных проектов: проект Александра Николаевича Лодыгина 1914 года, который он предложил правительству и получил отказ; проект А. К. Медведева (1914 год), которому отказал отдел изобретений Военно-промышленного комитета; проект А. Г. Михайлова (1916 год), который был признан перспективным для научных исследований, но не был воплощён в дереве и металле из-за идущей войны.
В это же время аналогичные проекты разрабатывались во Франции и Германии, которые тоже не были запатентованы, как и российские, но от которых сохранились кадры киноплёнки и рисунки.Les Ailes des Heros — France TV, 2003
Цикложиры в США в начале 1920-х В 1920-м подобный аппарат соорудил американец К.Брукс (из Патонвилла, штат Монтана), но так же не запатентовал. По сохранившимся фотографиям аппарата без обшивки он тоже не имел шансов подняться в небо. Причём подъёмная сила создавалась вращением чего-то вроде короткого вращающегося крыла сверху, а тяга — гребными колёсами.
В 1923-м году американец Джонатан Эдуард Кэлдвелл из Санта-Моники, Калифорния попытался запатентовать аппарат под названием «Цикложир».
До него аппараты этой схемы называли «ротопланами», «ортоптерами» или «орнитоптерами». Рисунок, представленный в патентное бюро, был довольно неряшлив, но из него и описания можно понять, что это был обычный самолёт, правда, вместо крыльев у него стояли роторы с четырьмя небольшими плоскостями. Патент был получен в 1927 году. По сути весь проект был способом по выкачиванию денег из спонсоров и Gravity Aeroplane Company существовала только лишь на бумаге. Изобретатель не уточнял такие технические моменты, как углы атаки и их изменение, к тому же к моменту получения патента уже занимался машущими орнитоптерами, позднее в 1930-х предложил ещё один проект ротоплана. Именно с именем Кэлдвелла связывают расцвет проектов подобных аппаратов в 1920-х и 1930-х..
Аппарат Страндгрена
В 1924 году шведский инженер Страндгрен получил патент на свой вариант вертикально взлетающего летательного аппарата. Затем он девять лет экспериментировал во Франции с моделями и в 1933 году приступил к постройке полномасштабного аппарата. В процессе этой работы роторы увеличились до нормальных размеров. Он произвёл ряд серьёзных расчётов и пришёл к выводу, что минимальная допустимая скорость вращения, при которой аппарат может удерживаться в воздухе, составляла 270 об/мин, а максимальная скорость вращения — 420 об/мин. Он первый внятно и обоснованно обрисовал преимущества схема циклокоптера: вертикальный взлёт и посадка на любую пересечённую поверхность, отличная крейсерская скорость (до 200 км/ч), высокий потолок (для 1920-х-1930-х годов). В 1934 году был построен первый экземпляр в натуральную величину вместе с компанией «Лиоре и Оливье» на средства Societe d’Expansion Franco-Scandinave. Вес аппарата составил 600 килограмм с лопастями длиной 245 см и ротором, вращающимися со скоростью 180 об/мин. 130-сильный двигатель позволял машине ехать по земле, но в воздух машина так и не поднялась.
Циклокоптеры США начала 1930-х В начале 1930-х в США появилось ещё три варианта циклокоптеров. В 1930-м году в Сан-Франциско был построен аппарат «Сайклоджайро», была использована конструкция под названием циклоидного пропеллера. Однако в воздухе, в отличие от воды, подобный винт показал свою несостоятельность. В том же году и в том же городе появился «Цикложир» Е. А. Шредера или просто «S-1». Одноместный аппарат с мотором «Гендерсон» являлся по сути обычным высокопланом с цикложирными роторами вместо толкающего винта. Считается, что на испытаниях был приподнят нос. В 1932 году Джозеф Саббат из Филадельфии создал аппарат, по непроверенным данным «два винтовых гребных колеса („paddle-wheels of helices“) и мотоциклетный двигатель разогнали это чудо техники почти до 150 миль в час».
В 1933 году некто Хэвиленд Платт из Филадельфии запатентовал «Цикложир Платта» — одноместный ротоплан. Крыло в виде гребного колеса было запатентовано в США (это лишь один патент из множества подобных) и прошло испытания в аэродинамической трубе МТИ в 1927 г. По сути, колеблющиеся крылья-лопасти этого колеса меняли угол атаки с положительного на отрицательный на каждом обороте, создавая подъёмную силу, и их управляемый эксцентриситет мог создать теоретически любую комбинацию горизонтальной и вертикальной сил. Однако нет данных о том, чтобы этот аппарат когда-либо летал, хотя есть данные что постройка велась, но не была доведена до конца. Аппарат был основан на экспериментах немецкого профессора Адольфа Рорбаха (см.ниже) и во многом является плагиатом его работ. Позднее Платт прославился на ниве вертолётостроения. Во время исследований, которые проводились в NACA по проекту Платта, был создан эскиз аппарата со взлётным весом 1360 кг и мотором в 300 л. с., а также вычислена скороподъёмность — 210 м/мин при вертикальном наборе высоты и 460 м/мин при полёте с движением вперёд; последняя цифра примерно на 30 % больше, чем может показать самолёт с той же нагрузкой на мощность.
В лаборатории имени Лэнгли в Вашингтоне в 1933 году Джон Б. Уитли провёл упрощённый аэродинамический анализ цикложира, точнее теоретически проверил аэродинамические принципы и провёл численные расчёты примера ротора (был взят ротор с четырьмя лопастями, радиус 1.8 метра, размахом лопастей 7.3 м, хордой 144 мм и окружная скорость 91 м/с) и примера цикложира с двумя подобными роторами (взлётная масса 1362 кг при двигателе 300 л. с.). В ходе анализа схема была признан работоспособной, при этом висящий полёт, вертикальный подъём и горизонтальный полёт с разумной скоростью осуществимы при не чрезмерно высокой мощности двигателя. Было установлено, что цикложир способен к авторотации при планирующем полёте.
В 1935 Джон Б. Уитли и Рэй Уиндлер занялись продувкой ротора цикложира (4 лопасти, размах и диаметр — по 2.4 м, хорда — 95 мм) в 6-метровой аэродинамической трубе NACA. В результате работ были сделаны выводы: Цикложир способен к вертикальному взлёту, горизонтальному полёту и безмоторному планированию. Весовая отдача цикложира представляется весьма низкой, а максимальная скорость 100 миль/час — достижимой лишь при удельной нагрузке на мощность не более 3.2 кг/л. с. Зависимость потребной мощности от коэффициентов сопротивления и подъёмной силы предсказана теорией в 1933 году верно. Аэродинамическое качество быстро возрастает при повышении отношения «скорость лопасти/скорость полёта» и, вероятно, подвержено влиянию колебаний лопастей. Требуется исследовать поведение колеблющихся несущих поверхностей, чтобы внести ясность в прошлые и будущие исследования на тему «вращающееся крыло».
Наработки профессора Рорбаха
В Германии также развивали данную оригинальную идею. В 1933 году профессор Адольф Рорбах спроектировал цикложир собственной конструкции с трёхлопастными роторами длиной 4,4 м. Аппарат с максимальным взлётным весом 950 кг теоретически мог подниматься на высоту 4500 м и летать со скоростью 200 км/ч на расстояния до 400 км. Вертикальный взлёт, высокая манёвренность — всё говорило в пользу разработки Рорбаха. Инженер предложил свой проект активно развивающимся Люфтваффе, но получил отказ, по другим данным работы в 1934 году всё таки велись. Однако свои наработки он широко публиковал в профильных журналах, где их и увидел Платт.
Расчётные характеристики: Общие размеры: длина — 8,6 м, высота — 4,3 м, размах — 10 м. Роторы: диаметр — 3,6 м, три лопасти, длина лопасти — 4,4 м, хорда — 0.315 м, максимальная скорость вращения — 420 об./мин. Мощность двигателя — 240 л. с., возможно, от двух моторов. Вес пустого — 680 кг, полезная нагрузка — 270 кг, взлётный вес — 950 кг. Скорости: максимальная — 200 км/ч, крейсерская (при оборотах 75 %) — 170 км/ч, минимальная — 0 км/ч, максимальная при полёте назад — 30 км/ч. Потолок — 4500 м при горизонтальном полёте и 500 м при вертикальном наборе высоты. Дальность полёта — 400 км с тремя пассажирами и 700 км без пассажиров. С перегрузом 250 кг (то есть со взлётным весом 1200 кг) минимальная скорость — 21 км/ч, максимальная — 190 км/ч, потолок — 2700 м. Дальность полёта — 1050 км с двумя пассажирами и 1550 км без пассажиров. Видимо, в этих случаях весь перегрузочный вес предполагалось использовать под дополнительное топливо.