Летающий фрегат
Создатели беспилотников для российской армии разрабатывают гражданский грузовой дрон с вертикальным взлетом и посадкой.
Летать – это легко. Упрощая, полет можно свести к действию всего четырех ключевых векторов, сбалансированных в общем центре масс. Это сила тяжести и противостоящая ей подъемная сила плюс направленная вперед тяга, которой препятствует сопротивление воздуха. К этим четырем векторам приложены и все усилия конструкторов, двигателистов и аэродинамиков, которые стремятся минимизировать массу и сопротивление летательных аппаратов, увеличить тягу и подъемную силу, чтобы добиться стабильного и экономичного полета. Например, уменьшение веса на процент позволяет на 0,75% снизить потребление топлива.
Но не менее важен и способ создания подъемной силы. В самолетах она возникает за счет движения вперед, заставляющего воздух быстро обтекать неподвижное крыло. Двигатели генерируют лишь тягу, а подъем обеспечивается аэродинамическим профилем, благодаря которому над крылом возникает область пониженного давления – и сила, направленная вверх.
Недаром некоторые легкие планеры могут подолгу оставаться в полете, выключив двигатель и вообще не используя топливо. А вот вертолету подъемную силу создают потоки воздуха вокруг лопастей вращающегося без остановки ротора, и они же обеспечивают тягу вперед. Поэтому вертолет – это всегда компромисс.
Самолеты – хорошо
В пересчете на доставку одного человека на расстояние 100 км классические легкомоторные самолеты Tecnam P92 расходуют 4,6 л топлива, более современные Tecnam P2002 – еще на литр меньше. Близкие цифры демонстрируют и большие пассажирские авиалайнеры. Для сравнения: популярные коммерческие вертолеты Sikorsky S-76 Spirit потребуют на это уже 11,9 л горючего. С точки зрения эффективности и экономичности полета самолеты – хорошо, а вот вертолеты – не очень.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Даже их максимальная скорость ограничена величиной, при которой кончики лопастей начинают двигаться быстрее звука, и она вряд ли когда-нибудь превысит 350–400 км/ч.
Добавьте к этому высокий расход топлива, и вы поймете, что самолетной дальности полета вертолетам не добиться никогда. Выполняя операции где-нибудь в Арктике или в Сибири, вертолетчики вынуждены предварительно готовить запасы топлива в определенных точках вдоль своего маршрута: практическая дальность их полета без дозаправки редко превышает 500 км. Однако почти все это искупает одна деталь – инфраструктура.
Самолеты требуют сложных инженерных сооружений и длинных взлетно-посадочных полос, которые необходимо поддерживать в рабочем состоянии. Вертолеты летают где захотят, могут зависать неподвижно, перемещаться боком, а главное, они способны подняться в воздух с неподготовленной площадки – с любой лужайки, полярной льдины или крыши небоскреба. Недаром авиаконструкторы, двигателисты и аэродинамики с таким упорством преследуют идею создания летательных аппаратов с фиксированным крылом и возможностью вертикального взлета и посадки (СВВП).
Есть варианты
Первые практические попытки разработки таких самолетов начались еще в конце 1940-х, и надежды с ними тогда связывались огромные, тем более что и направления работы в целом были понятны уже тогда.
Для перехода из вертикального полета в горизонтальный и обратно требуется контролируемо менять направление вектора тяги. Для этого мы можем менять положение всего фюзеляжа – как в аэродинамической схеме «тейлситтер», по которой был создан, например, экспериментальный СВВП Lockheed XFV-1, приземлявшийся на хвост, для устойчивости оснащенный дополнительным перпендикулярным оперением. Другие варианты подразумевают использование поворотных крыльев либо только двигателей, как у конвертопланов Bell V-22 Osprey, единственных таких аппаратов, пошедших в серийное производство. Наконец, отклоняться могут одни винты (такой вариант был реализован на экспериментальном Bell X-22, поднявшемся в воздух в 1966 году), а на аппаратах с реактивным двигателем – направление вылетающей из сопла струи (как у незавершенного проекта СВВП Як-141). Вершиной развития этих технологий можно назвать систему Rolls-Royce LiftSystem, которая разработана для палубной версии боевых F-35 Lightning II.
Однако эпоха громких проектов гражданских СВВП закончилась еще в 1970-х, и в результате такие аппараты достались лишь военным.
Оказалось, что сложность конструкции оборачивается снижением надежности, а «компромиссная» двигательная система – высоким расходом топлива. Кроме того, переход от вертикального полета и зависания в горизонтальный крайне требователен к навыкам пилота, которому приходится контролировать вектор тяги, скоординированно управляя и двигателем, и элементами механизации. Ситуация стала меняться лишь в последние годы, благодаря тем же технологиям, которые стали драйверами «беспилотной революции».
Революция дронов
«Еще с 1940-х годов идея вертикального взлета остается «святым Граалем» авиационной науки и техники, – рассказал нам начальник центра перспективных исследований группы «Кронштадт» Владимир Воронов. – Сейчас эта старая тема снова всплыла – и это происходит повсеместно, по всему миру, – благодаря новым возможностям автоматизации управления. Вычислительные мощности на борту позволяют передать компьютеру все операции, в том числе при взлете и посадке и при переходе между разными режимами полета».
Группа «Кронштадт» – один из лидеров российской индустрии беспилотных авиационных систем. Начав разработки с аппарата легкого класса взлетной массой 50 кг, компания расширила свои компетенции и в область тяжелых беспилотных аппаратов. Это направление в «Кронштадте» возглавляет заслуженный конструктор РФ, доктор технических наук Николай Долженков. Под его руководством создан разведывательный дрон «Орион-Э», проходящий сейчас летные испытания.
Ему же принадлежит идея создания СВВП «Фрегат» для воздушной разведки и целеуказания для кораблей военно-морского флота. Такой аппарат способен базироваться не только на авианосце, но и на любом судне, на котором можно разместить стандартную вертолетную площадку. Однако не менее перспективным беспилотник выглядит и для гражданской авиации, особенно в России с ее огромными расстояниями и неразвитой сетью аэродромов. До сих пор многие районы страны остаются слишком удаленными для доставки вертолетами, но и слишком мало освоенными для строительства самолетных аэродромов.
Поэтому нам так нужен новый СВВП.
Взлетная масса: 5000 кг
Полезная нагрузка: 800 кг
Размах крыла: 17 м
Сложенное крыло: 9 м
Длина: 13 м
Высота: 3,7 м
Дальность полета: 2300 км
Продолжительность полета: 4,3 ч.
Практический потолок: 7000 м
Летная модель
«Фрегат» использует пару поворотных вентиляторов, на которые передается усилие от двигателя, а для повышения устойчивости при взлете, посадке и зависании – дополнительный поворотный импеллер, скрытый в хвостовой части фюзеляжа. Как мы помним, силы, действующие на летательный аппарат, должны иметь общую точку приложения в центре его масс. Некоторые конструкторы СВВП решают эту проблему, размещая винты непосредственно внутри крыла, как это сделано на экспериментальном AgustaWestland Project Zero. Однако создатели «Фрегата» нашли другую подходящую аэродинамическую схему, с тандемным крылом, которое обеспечивает необходимую для самолетного полета площадь крыла и правильную «развесовку» аппарата.
В отличие от конвертопланов, «Фрегат» сможет взлетать и «по-самолетному», дополнительно экономя топливо. Впрочем, пока что это лишь ожидания разработчиков, и многое в проекте остается незавершенным. «Вот, например, кольца, в которые заключены винты, – объясняет Владимир Воронов. – При вертикальном полете они создают дополнительную подъемную силу, зато при горизонтальном, наоборот, увеличивают сопротивление. Компромисс еще предстоит найти». В самом деле, пока разработчиками выполнен лишь цикл предпроектных исследований, построена и успешно испытана на разных режимах летная модель. «Вообще это задача дорогая и длинная, – признается Владимир Воронов. – В частности, в испытанной модели использовался электродвигатель. Однако мощности любого существующего на сегодня электродвигателя реальному тяжелому самолету будет недостаточно. Поэтому прежде всего требуется провести работы по оценке и выбору силовой установки с учетом конкретного двигателя, размеров вентиляторов и так далее. Это позволит получить обоснованные характеристики аппарата, оценить возможности коммерческого использования, построить экспериментальные версии, а затем и перейти в серию».
Новая почта
Снизить издержки позволит активное применение компонентов и технологий, уже апробированных на армейских беспилотниках «Орион-Э», включая наземные системы управления и уникальную для России линию производства тонкостенных длинномерных композитных деталей, позволяющих уменьшить массу аппарата. Разработчики считают, что, если «Фрегат» получит нужную поддержку, работа над ним потребует от 6 до 8 лет. Надежда на это есть: не так давно проект был представлен Министерству промышленности и торговли. Но создатели дрона смотрят еще дальше. Сами такие перспективные беспилотники могут стать элементом намного более масштабной системы роботизированной доставки грузов.
Беспилотная авиационная транспортная сеть сможет использовать аппараты совершенно разных классов, от обычных грузовых самолетов до небольших мультикоптеров, для доставки если не «до двери», то до любого отдаленного и труднодоступного пункта, которых в России до сих пор предостаточно. Первоначально она может частично полагаться на обычные пилотируемые самолеты, но постепенно все большую часть работы начнут брать на себя автоматизированные системы управления и грузовые дроны, большие, малые и средние.
Включая новенькие летающие «Фрегаты».
Раскрыт секрет беспосадочных двухмесячных полетов больших фрегатов
Биологи из Франции, Реюньона, Великобритании, Канады и Германии объяснили, каким образом большим фрегатам (Fregata minor) удается проводить в воздухе свыше месяца. Наблюдая за несколькими десятками птиц ученые выяснили, что фрегаты активно используют ветра, возникающие вокруг экваториальных штилевых полос, а также выработали стратегию чередования набора высоты в термических потоках и парения. Интересно, что такое поведение птиц является наследственным — как только птенцы становятся независимыми от взрослых, они используют те же самые источники энергии для полета. Исследование опубликовано в журнале Science.
Авторы разместили датчики координат, положения в пространстве и сердцебиения на нескольких десятках взрослых птиц и 24 молодых. С их помощью ученые отслеживали сезонную миграцию и поведение животных во время полета. В частности, исследователи обращали внимание на то, активно ли птицы использовали крылья или парили.
Исследуемые полеты охватывали большую часть Индийского океана, маршруты птиц начинаясь на острове Европа (близ Мадагаскара) достигали Индонезии.
Исследования фрегатов показали, что 82 ± 9 процентов времени полета происходят с низкой частотой сердцебиения, что соответствует очень редким взмахам крыльев или полной их неподвижности. Высота, на которой находятся птицы, колеблется от 30 метров до двух километров. Ситуация меняется когда фрегаты начинают кормиться: около 75 процентов времени соответствуют активному маханию крыльями. Однако фазы кормления занимают лишь десятую часть полета.
За день взрослые птицы преодолевают порядка 420 (± 220) километров. Чтобы поддерживать себя в воздухе птицы постоянно должны искать восходящие потоки горячего воздуха, поднимающегося над океаном. Одним из указателей на термические потоки являются кучевые облака, образующиеся на их вершинах. Ученые заметили, что часто птицы не только поднимаются под нижнюю линию облаков (около одного километра высоты), но и взлетают выше, пользуясь потоками внутри облаков.
Зафиксирован подъем на высоту 4120 метров, а скороподъемность (без взмахов крыльями) достигает четырех-пяти метров в секунду.
Поднявшись на высоту четырех километров фрегаты могут пролететь свыше 60 километров попросту медленно снижаясь, в поисках нового термического потока. Максимальная продолжительность полета у взрослых птиц, зафиксированная авторами, составляет 48 дней, а краткие промежутки отдыха на островах Чагос и Сейшельских островах составляли от 8 до 48 часов. Предположительно фрегаты, как и стрижи, способны спать на лету.
Молодые птицы также хорошо ориентируются в потоках ветра. Став независимыми от родителей фрегаты направляются к экватору — отдельно от взрослых сородичей. Там птицы используют потоки ветра, движущиеся вокруг штилевых полос и пролетают в день по 450 километров. Это поведение, как полагают авторы, является наследственным. Ученые зафиксировали максимальную длительность полета у «молодежи» свыше двух месяцев, в среднем же полет молодых фрегатов длился от 25 до 55 дней.
Большие фрегаты относятся к морским птицам, однако, несмотря на это, их крылья не обладают влагоотталкивающим покрытием. Кроме того, у них небольшие по длине ноги, что делает неблагоприятной посадку на воду. Длина тела фрегатов достигает метра, а размах крыльев 2,05-2,3 метра. Основная пища птиц — моллюски и рыба.
Ранее американские орнитологи обнаружили, что грифы используют особый тип парения, для того чтобы дольше оставаться в воздухе. Птицы научились эффективно обрабатывать турбулентные потоки вблизи земли.
Владимир Королёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Великолепный фрегат | Птичья галерея
Великолепная фрегатная птица
© Дэвид Макдональд
Fregata Magnificens
Семейство : ( Fregatidae
) FrigatebirdsПредпочтительная среда обитания : offshore.
Сезонное появление : Обычен летом. Необычная весна и осень.
Профиль Вики Ститтлбург : Благодаря своим огромным размерам, длинным остроконечным крыльям и длинному глубоко раздвоенному хвосту Великолепный фрегат легко узнаваем даже на большом расстоянии. У птицы размах крыльев 7,5 футов; по отношению к массе тела Великолепный фрегат имеет самую большую площадь поверхности крыла среди всех живых птиц. Самцы и самки выглядят поразительно по-разному; у самцов блестящее черное оперение с надувным красным пятном на горле, а у самок черновато-коричневое оперение с белой грудью. Молодые птицы напоминают взрослых самок, но имеют различное количество белого на голове и груди.
Фрегаты в основном питаются рыбой, но иногда поедают медуз и ракообразных. Хотя Великолепный фрегат способен пикировать и хватать добычу с поверхности воды, он часто крадет добычу у других птиц. Чайку, крачку, кулика или другую птицу, несущую пищу, беспокоят в полете, пока она не роняет или не отрыгивает свою еду. Как только еда брошена, фрегат пикирует вниз, чтобы схватить падающий предмет, прежде чем он упадет на воду или землю.
Великолепные фрегаты часто встречаются летом, и их обычно можно увидеть недалеко от побережья. Ищите их парящими в воздухе на паромной переправе Боливар или сидящими на сваях в заливе Галвестон.
Профиль Марии Харт:
Великолепный фрегат назван по праву благодаря как внешнему виду, так и поведению. С размахом крыльев от 7 до 8 футов и сильно раздвоенным хвостом, используемым для управления, их можно увидеть легко парящими над открытыми водами тропических океанов с очень редким взмахом крыльев. Взрослые самцы полностью черные, и в период размножения их можно увидеть с красным пятном на горле. Самки и молодые особи имеют более контрастную окраску, поскольку у обоих есть белое пятно на груди. У молодых особей также белая голова и светло-коричневое крыло.
Великолепные фрегаты в основном питаются рыбой, обитающей в пределах дюйма или около того от поверхности океана. Некоторые из их личных фаворитов включают летучую рыбу, тунца и кальмаров. Известно, что время от времени фрегаты воруют рыбу и других морских обитателей у собратьев-птиц, мучая их до тех пор, пока незадачливая морская птица не отрыгнет их еду. Затем Magnificent Frigatebird деликатно спикирует вниз, ловя эту регургитацию до того, как она упадет на воду.
Во время сезона размножения Великолепные фрегаты делают перерыв в почти постоянном полете, чтобы размножаться плотными колониями на прибрежных островах, в прибрежных районах и в теплых пелагических водах. Самки строят свои гнезда в мангровых зарослях, в верхней кроне лиственных деревьев или в кустарниках, используя палки и ветки, принесенные ей самцами.
По большей части Великолепные фрегаты относительно обычны. Однако в последние годы популяция сокращается. В первую очередь это связано с прибрежным освоением мест размножения.
В некоторых районах, прежде всего в Карибском бассейне, этот вид даже занесен в список «находящихся под угрозой исчезновения».
Великолепный фрегат обычно можно увидеть над открытой водой вдоль побережья. Это прекрасное время для посещения заповедника Боливар-Флэтс-Шорберд в Хьюстоне Одюбоне. Следите за небом в следующий раз, когда приедете!
Великолепный фрегат
© Грег Лавати, www.texastargetbirds.com
Великолепный фрегат (самец и самка)
© Грег Лавати, www.texastargetbirds.com , www.texastargetbirds.com
Великолепный фрегат
© Грег Лавати, www.texastargetbirds.com
Великолепный фрегат
© Грег Лавати, www.texastargetbirds.com
Ученые наконец получили доказательства того, что фрегаты спят во время полета
фрегата в полете над Галапагосскими островами. Фото: Франс Лантинг/National Geographic Creative
Наука Согласно новому исследованию, птицы могут оставаться в воздухе в течение нескольких недель, вздремнув в течение десяти секунд.
Майк ВанХелдер
11 августа 2016 г.
Когда-то существовал распространенный миф о том, что альбатросы могут летать годами, едят, пьют и спариваются на лету, а приземляются только для того, чтобы отложить яйца. Современная наука не поддерживает эту старую бабью сказку, но поддающаяся проверке правда о летном поведении птиц почти так же впечатляет. Сероголовый альбатрос может обогнуть земной шар всего за 46 дней, делая по пути множество пит-стопов. И не альбатрос, а альпийский стриж является рекордсменом по продолжительности непрерывного полета птицы: одна из них провела в воздухе более 200 дней, охотясь на летающих насекомых на зимовке в небе над Западной Африкой.
Эти легендарные полеты вызывают множество вопросов о том, как птицы совершают такие подвиги, и главный из них – вопрос сна. В течение многих лет ученые предполагали, что птицы, живущие на дальних дистанциях, могут спать в воздухе, несмотря на отсутствие реальных доказательств в поддержку этого утверждения.
Великий фрегат, возможно, не обладает такой невероятной дальностью полета, как альпийский стриж, но его воздушные подвиги поразительны сами по себе. Во время своих блуждающих полетов фрегаты могут оставаться в воздухе до двух месяцев, не касаясь земли или воды. Что еще более важно, находясь в море, они даже не могли сделать перерыв, даже если бы захотели; в отличие от большинства других морских птиц, фрегаты не умеют плавать, погружаются в воду и в конечном итоге тонут, если сталкиваются с водой. Именно эта неспособность остановиться и немного отдохнуть во время плавания заставила ученых заподозрить, что птица может спать во время полета, и именно поэтому Нильс Ратенборг из Немецкого института орнитологии имени Макса Планка (и его коллеги) решил изучить режим их сна.
Раттенборг также был привлечен к фрегатам по логистическим причинам.
По его словам, одна гнездящаяся популяция этого вида на Галапагосских островах стала «довольно ручной» после многих лет постоянного наблюдения. Раттенборгу и его команде было относительно легко поймать 15 птиц и имплантировать им в череп электроэнцефалографы (ЭЭГ). Поскольку ЭЭГ измеряет электрическую активность мозга, исследователи смогли определить, когда птицы бодрствуют, а когда спят. Имплантированный акселерометр подсказал им, как быстро и в каком направлении летели животные.
Когда неделей позже они загрузили данные с крошечных устройств, исследователи обнаружили, что, хотя фрегаты спят во время полета, они спят очень мало — около 45 минут каждый день короткими десятисекундными интервалами, обычно после наступления темноты. Напротив, на суше птицы спят по одной минуте в течение дня и ночи, в общей сложности примерно 12 часов каждый день.
Во время сна в полете фрегаты не действуют полностью на автопилоте; птицы часто спят только одним полушарием мозга, оставляя другое бодрствующим.
Большинство животных, которые спят полумозговыми, делают это, чтобы быть настороже в отношении хищников, но фрегаты не имеют естественных хищников в небе. Раттенборг подозревает, что они остаются полусонными, чтобы предотвратить столкновения в воздухе, хотя во время исследования их не наблюдалось.
Подобно ястребам или орлам, фрегаты парят, кружась в тепловых восходящих потоках, чтобы набрать высоту, прежде чем планировать прямо на большие расстояния, медленно теряя высоту, пока не придет время снова набирать высоту. Весь сон, зарегистрированный в исследовании, происходил во время восходящей части полета; птицы совсем не спали, пока скользили вниз. Соавтор статьи Алексей Высоцкий из Цюрихского университета, разработавший имплантируемые ЭЭГ/акселерометры и проведший несколько операций на птицах, говорит, что, хотя это может быть и сложнее, поймать восходящий поток тепла — это также и самая безопасная часть полета. «Животное не может столкнуться с поверхностью воды, когда высота поднимается», — говорит он.