Un ciclocóptero ( cyclogyro ) es un diseño de un avión en el que se utilizan rotores giratorios para crear empuje y sustentación. Tal esquema tiene las mismas ventajas que un helicóptero: la posibilidad de despegue vertical, flotando en el aire, pero también las mismas desventajas. El esquema se conoce desde principios del siglo XX, sin embargo, los primeros vuelos de vehículos construidos según este esquema se realizaron solo a principios del siglo XXI [1] . El ciclogiro no debe confundirse con los fallidos diseños de máquinas voladoras de ala cilíndrica que intentaron explotar el efecto Magnus .
La hélice cicloide, que es el elemento principal del ciclocóptero, se asemeja a una rueda de paletas, con la sustitución de los perfiles de las palas. El paso de los perfiles (ángulo de ataque) se ajusta de forma colectiva mediante un anillo de control con varillas a todas las palas, que se encuentra excéntricamente y en relación con el eje del rotor de rotación, o las palas se ajustan constantemente de forma individual. y ajustado por el sistema de control. En vuelo normal, se generan sustentación y empuje hacia adelante. Sin embargo, el esquema le permite cambiar el empuje en cualquier dirección en el plano perpendicular al eje del rotor [2] . Se puede utilizar un diferencial de empuje entre dos rotores (uno a cada lado del fuselaje) para hacer girar la aeronave alrededor de su eje vertical, aunque también se suelen utilizar colas de aeronaves convencionales [3] .
El esquema del ciclogiro es bastante simple y nació de la analogía con las ruedas de paletas de los barcos de vapor.
El primer aparato, a veces denominado cyclogyros, se remonta a 1909: este es el "Avión" del ingeniero militar ruso Evgeny Pavlovich Sverchkov, a veces llamado "ortóptero con ruedas". El esquema del dispositivo se puede llamar ciclogiro o ciclocóptero de manera bastante convencional. Había tres superficies planas y un timón vertical , con el borde de salida de una de las superficies capaz de curvarse, reemplazando al elevador moderno . La sustentación y el empuje fueron generados por "ruedas de paletas" que constaban de 12 palas dispuestas en tres grupos a intervalos de 120 °. Las palas tenían un perfil cóncavo y cambiaban el ángulo de ataque con la ayuda de excéntricas y resortes para que el aire fuera lanzado hacia atrás y hacia abajo, es decir, se creaba sustentación y empuje. Las ruedas eran accionadas por una correa de transmisión de un motor Buchet de 10 hp. Con. (diseñado por el suizo Alfred Buchy ), instalado en la parte inferior del aparato. El tren de aterrizaje de tres ruedas se hizo reajustable y sirvió solo para el despegue del vehículo. El marco estaba hecho de tubos de acero de paredes delgadas y bambú con cuerdas de acero en el interior, ajustadas, de sarpinka , que proporcionaba una masa vacía de solo unos 200 kilogramos. El dispositivo fue construido a expensas de la Dirección General de Ingeniería en San Petersburgo, lo que más tarde, debido a pruebas fallidas (el automóvil no solo no despegó, sino que ni siquiera se movió), condujo al cargo de malversación del ingeniero Sverchkov, lo que le impulsó a abandonar el proyecto y sumergirse en la política. El dispositivo en sí, sin embargo, en 1909, incluso antes de las pruebas, se demostró en San Petersburgo en una exposición de los últimos logros técnicos e incluso recibió una medalla. Las pruebas, a pesar de ser nocturnas, despertaron gran interés entre el público, por lo que un número bastante elevado de personas fue testigo de la vergüenza. [4] [5]
Posteriormente en el Imperio Ruso hubo varios proyectos más similares: el proyecto de Alexander Nikolayevich Lodygin en 1914, que propuso al gobierno y fue rechazado [4] ; el proyecto de A. K. Medvedev (1914), que fue rechazado por el departamento de inventos del Comité Industrial Militar; el proyecto de A. G. Mikhailov (1916), que fue reconocido como prometedor para la investigación científica, pero no se materializó en madera y metal debido a la guerra en curso [4] [5] .
Al mismo tiempo, se estaban desarrollando proyectos similares en Francia y Alemania, que tampoco estaban patentados, como los rusos, pero de los que se conservaban fotogramas y dibujos de películas [4] [5] . [6]
En 1920, un estadounidense C. Brooks (de Patonville , Montana ) construyó un dispositivo similar, pero tampoco lo patentó. De acuerdo con las fotografías sobrevivientes del aparato sin piel, tampoco tuvo oportunidad de volar a los cielos. Además, la fuerza de sustentación fue creada por la rotación de algo como un ala giratoria corta desde arriba, y el empuje fue creado por ruedas de paletas [4] [5] .
En 1923, el estadounidense Jonathan Edward Caldwell de Santa Mónica , California , intentó patentar un aparato llamado Cyclojelly.
Antes de él, los dispositivos de este esquema se llamaban "rotoplanos", "ortópteros" u "ornitópteros". El dibujo presentado a la oficina de patentes era bastante descuidado, pero de él y de la descripción se puede entender que se trataba de un avión ordinario, sin embargo, en lugar de alas, tenía rotores con cuatro aviones pequeños. La patente fue recibida en 1927. De hecho, todo el proyecto era una forma de extorsionar a los patrocinadores y Gravity Airplane Company solo existía en el papel. El inventor no especificó puntos técnicos como los ángulos de ataque y su cambio, además, cuando recibió la patente, ya se dedicaba a aletear ornitópteros, y más tarde, en la década de 1930, propuso otro proyecto de rotoplano. Es con el nombre de Caldwell que se asocia el apogeo de los proyectos de tales dispositivos en las décadas de 1920 y 1930. [4] [5] .
En 1924, el ingeniero sueco Strandgren recibió una patente para su versión de un avión de despegue vertical. Luego experimentó con modelos en Francia durante nueve años y en 1933 comenzó a construir un aparato a gran escala. En el proceso de este trabajo, los rotores aumentaron a tamaños normales. Hizo una serie de cálculos serios y llegó a la conclusión de que la velocidad de rotación mínima permitida a la que el aparato podía mantenerse en el aire era de 270 rpm y la velocidad de rotación máxima era de 420 rpm. Fue el primero en describir clara y razonablemente las ventajas de un esquema de ciclocóptero: despegue y aterrizaje vertical en cualquier superficie accidentada, excelente velocidad de crucero (hasta 200 km / h), techo alto (para los años 1920-1930). En 1934 se construyó la primera copia a tamaño natural con la empresa Liore et Olivier, con fondos de la Société d'Expansion Franco-Scandinave. El peso del aparato era de 600 kilogramos con palas de 245 cm de largo y un rotor que giraba a una velocidad de 180 rpm. El motor de 130 caballos de fuerza permitió que el automóvil se condujera por el suelo, pero el automóvil nunca despegó en el aire [4] [5] .
A principios de la década de 1930, aparecieron en los Estados Unidos tres variantes más de ciclocópteros. En 1930, se construyó el aparato Cyclologyro en San Francisco , se utilizó un diseño llamado hélice cicloide . Sin embargo, en el aire, a diferencia del agua, dicha hélice demostró ser ineficaz [4] . En el mismo año y en la misma ciudad, apareció "Cyclogear" de E. A. Schroeder, o simplemente "S-1". El vehículo de un solo asiento con el motor Henderson era esencialmente un avión ordinario de ala alta con rotores ciclofat en lugar de una hélice de empuje. Se cree que la nariz se levantó durante las pruebas [4] [5] . En 1932, Joseph Sabbat, con sede en Filadelfia , creó un aparato que, según informes no verificados, "dos ruedas de paletas helicoidales ("ruedas de paletas de hélices") y un motor de motocicleta aceleraron este milagro de la tecnología a casi 150 millas por hora" [ 4] .
En 1933, un tal Haviland Platt de Filadelfia patentó el Cyclojere de Platt, un rotoplano monoplaza. El ala de la rueda de paletas fue patentada en los Estados Unidos (solo una de muchas patentes) y se probó en el túnel de viento del MIT en 1927. En esencia, las alas oscilantes de esta rueda cambiaron el ángulo de ataque de positivo a negativo con cada movimiento. revolución, creando sustentación, y su excentricidad controlada podría teóricamente crear cualquier combinación de fuerzas horizontales y verticales. Sin embargo, no hay evidencia de que este dispositivo haya volado alguna vez, aunque hay evidencia de que la construcción se llevó a cabo, pero no se completó. El aparato se basó en los experimentos del profesor alemán Adolf Rohrbach ( ver más abajo ) y es en gran parte un plagio de su trabajo. Más tarde, Platt se hizo famoso en la industria de los helicópteros [4] [5] . Durante la investigación que se llevó a cabo en NACA sobre el proyecto Platt, se creó un boceto de un aparato con un peso de despegue de 1360 kg y un motor de 300 hp. s., así como también se calcula la velocidad de ascenso: 210 m / min con ascenso vertical y 460 m / min cuando se vuela hacia adelante; la última cifra es aproximadamente un 30% más de lo que puede mostrar un avión con la misma carga de potencia [4] .
En el Laboratorio Langley de Washington en 1933, John B. Whitley realizó un análisis aerodinámico simplificado del ciclogiro, más precisamente verificó teóricamente los principios aerodinámicos y realizó cálculos numéricos de un rotor de ejemplo (un rotor con cuatro palas, un radio de 1,8 metros , se tomó una envergadura de pala de 7,3 m, una cuerda de 144 mm y una velocidad periférica de 91 m/s) y un ejemplo de ciclogiro con dos rotores similares (peso al despegue 1362 kg con un motor de 300 hp). Durante el análisis, se encontró que el esquema era factible, mientras que el vuelo colgante, el ascenso vertical y el vuelo nivelado a una velocidad razonable son factibles con una potencia de motor no excesivamente alta. Se encontró que el cyclogyro es capaz de autorrotación durante el vuelo de planeo [4] .
En 1935, John B. Whitley y Ray Windler comenzaron a soplar un rotor ciclogiro (4 palas, envergadura y diámetro - 2,4 m cada una, cuerda - 95 mm) en un túnel de viento NACA de 6 metros . Como resultado del trabajo se llegó a las siguientes conclusiones:
En Alemania también se desarrolló esta idea original. En 1933, el profesor Adolf Rohrbach diseñó un ciclogiro de diseño propio con rotores de tres palas de 4,4 m de largo.Un aparato con un peso máximo de despegue de 950 kg podría elevarse teóricamente a una altura de 4500 m y volar a una velocidad de 200 km/h en distancias de hasta 400 km. Despegue vertical, alta maniobrabilidad: todo hablaba a favor del desarrollo de Rohrbach. El ingeniero propuso su proyecto a la Luftwaffe en desarrollo activo , pero fue rechazado [5] , según otras fuentes, el trabajo todavía se llevó a cabo en 1934 [4] . Sin embargo, publicó ampliamente sus logros en revistas especializadas, donde Platt los vio. [7] [8]
Características del diseño:
Muchos años después, la NASA levantó la patente de Rohrbach (quien en ese momento había muerto hacía mucho tiempo y ya estaba en Estados Unidos) y realizó cálculos adicionales utilizando computadoras modernas. Rohrbach no se equivocó en ninguna parte. En este sentido, la NASA consideró seriamente el proyecto de desarrollar un rotoplano, pero como siempre, no hubo suficientes fondos. [5]
La hélice cicloide fue patentada por el profesor Kirsten a principios de la década de 1920. William Boeing lo apoyó activamente . La prueba comenzó con una hélice de agua, donde la idea funcionó bien, pero debido a dificultades en la implementación, Kirsten vendió las patentes a la empresa alemana Voit-Schneider. Para seguir estudiando la versión aérea de la hélice, se requería un túnel de viento de tamaño suficiente. Había muy pocos de ellos en los EE. UU. en ese momento, y la profesora Kirsten sugirió que la Universidad de Washington construyera su propia tubería grande (2,4 por 3,6 m). Después de que se construyó la tubería en 1936, estaba tan ocupada que Kirsten solo pudo probar su propio modelo en 1942. Estos experimentos mostraron la inconsistencia de su idea [4] .
En 1935, un tal Ran de Nueva York construyó un aparato experimental de un solo asiento con alas giratorias y un motor Wright-Whirlwind forzado de 240 caballos de fuerza. Se suponía que dos alas de 6 pies en cada lado harían que la nave subiera y bajara verticalmente, o volara horizontalmente sin la ayuda de una hélice convencional a velocidades de hasta 100 millas por hora, pero no hay evidencia de que la nave de 15 pies lograra despegar en absoluto [4 ] .
En el mismo 1935, una de las revistas estadounidenses publicó un esquema bastante detallado del ciclogiro, muy similar al proyecto alemán del profesor Rohrbach [4] .
En 1937, Caldwell volvió al tema nuevamente, abrió el proyecto Cyclozhir AVVP y comenzó a construir un nuevo prototipo. "Fue otro AVVP inverosímil inspirado en las fantásticas máquinas voladoras que aparecieron en las portadas de revistas como Popular Science en la década de 1930". Esta vez, los ejes de las dos largas ruedas de paletas de tres palas a los lados del fuselaje convencional estaban paralelos a él. se suponía que el motor radial de 125 litros. S. será capaz de crear suficiente sustentación. Uno de los empleados de Caldwell afirmó más tarde que el aparato efectivamente hizo "saltos" exitosos a una altura de aproximadamente seis pies [4] .
En 1966, el proyecto original de un vehículo de pasajeros con despegue vertical del inventor alemán Reinhold Kalletsch se publicó en la revista Science and Life. Cuando está estacionada en el suelo, esta máquina debe descansar sobre el tren de aterrizaje telescópico de cinco metros. El principio cyclogyro se utiliza aquí para el despegue vertical. El eje del rotor aquí era el fuselaje mismo, alrededor del cual giraban tres radios de varilla con la ayuda de boquillas de chorro, en los extremos de los cuales se articulaban alas de placas en forma de elipsoide. Se iba a instalar un dispositivo similar, pero ya más pequeño, en la cola del fuselaje. Durante la rotación de las "hélices", un dispositivo especial tenía que controlar la posición de las placas de las alas de tal manera que siempre estuvieran en un cierto ángulo de ataque al flujo que se aproximaba y creaba la sustentación necesaria. Después de alcanzar la altura requerida, se suponía que debía detener la rotación y usar las placas, al igual que las alas para el vuelo horizontal [4] .
En 1975 en Francia (patente francesa No. 75.01907), y en 1976-1977 en los Estados Unidos (patente estadounidense 4048947), se patentó una turbina eólica rotativa basada en el principio de ciclofat. Aquí, el cambio en el ángulo de ataque ocurre automáticamente bajo la influencia del propio viento debido al cambio en el centro de gravedad (sin embargo, también se prevé el uso de placas flexibles para crear un perfil asimétrico, y el uso de resortes es también es posible). Sin embargo, esta hermosa solución, desafortunadamente, no es adecuada para crear un avión [4] .
Durante este período, se patentaron una serie de diseños de ciclograsa muy originales, pero nunca se materializaron en metal.
Proyecto de Marcel ChabonnetEn las décadas de 1976 y 1980, Marcel Chabonnet patentó los rotores portadores de tracción (patente francesa n.° 76.39820, 1976; patente estadounidense n.° 4210299, 1977-1980). Usó dos cuchillas. Se proporcionan dos opciones. En el primer caso, el cambio en el ángulo de ataque establecido es "automático": las palas cuelgan libremente entre los limitadores bajo la acción de fuerzas aerodinámicas y/o centrífugas. Cuando la hoja se mueve hacia abajo, se crea una fuerza de elevación, cuando se mueve hacia arriba, crea una fuerza de empuje. Al mismo tiempo, en la parte inferior del ciclo, el ángulo de instalación cambia bruscamente, con un golpe. Por tanto, los limitadores, según la intención del autor, deben ser elásticos. ( ver patente de aerogenerador arriba ). En el segundo caso, el ángulo de ataque se controla "por software", utilizando levas perfiladas. Se supone que tiene diferentes conjuntos de cámaras para diferentes modos de vuelo (despegue, ascenso, crucero, descenso, aterrizaje). El estilo de la mecánica recuerda un poco al mecanismo de la unidad de cinta de una grabadora de cinta de los años 60. Y un detalle más importante: se supone que el estabilizador, si lo hay, debe moverse hacia adelante para que no entre en el flujo de aire de los rotores [4] [5] .
Proyecto de Thomas SharpeEl estadounidense Thomas Sharp patentó entre 1977 y 1980 (patente estadounidense n.º 4194707) un dispositivo para el despegue y aterrizaje vertical de una aeronave. Los rotores ciclofat de radio pequeño se cubren con carcasas, se colocan en el ala y se utilizan como ventiladores convencionales. Control del ángulo de ajuste cíclico - mecánico, excéntrico. En vuelo nivelado, los rotores están desconectados del motor y el empuje horizontal es creado por una hélice de empuje de paso variable convencional. El equilibrio longitudinal lo proporciona el elevador ubicado en el chorro de la hélice. El elevador tiene una aleta adicional para el empuje inverso. La segunda versión del dispositivo está diseñada para aeronaves más rápidas que utilizan motores turborreactores y dos pares de tomas de aire (superior y lateral). La transmisión del motor turborreactor a los rotores ciclofat es hidráulica. En vuelo nivelado, las persianas de las tomas de aire superiores y las aletas de salida de los ventiladores están cerradas. Se proporciona un control de vuelo estacionario adicional: timones de chorro en las alas y la quilla, que utilizan aire comprimido de compresores turborreactores. Por lo demás, esta opción es similar a la primera. Ni la primera ni la segunda versión utilizan la principal ventaja del ciclogiro: la posibilidad de un control casi inercial del vector de empuje en el rango de 360° [4] [5] .
Proyecto de Arthur CrimminsAmerican Arthur Crimmins en 1980-1984 patentó (patente de EE. UU. No. 4482110) un diseño muy original de una grúa voladora: una aeronave cyclogyro. en este caso, el peso propio del aparato se equilibra con la fuerza de sustentación del globo, y el peso de la carga se equilibra con la fuerza de sustentación de las alas cicloides. El eje del rotor cyclo-fat es el eje del dirigible, alrededor del cual giran las alas y las unidades de hélice sobre pilones giratorios (que también desempeñan el papel de palas de hélice). El dispositivo puede tomar la configuración de una aeronave "clásica", un ciclogiro "clásico" y todo lo demás. Gracias a esto, no hay restricciones en la orientación del vector de empuje, una propiedad muy necesaria para una grúa voladora. Las grandes dimensiones de la estructura, características de los globos, permitirán acelerar el rotor a una velocidad circunferencial bastante alta con cargas centrífugas moderadas, lo que reduce el impacto de una serie de desventajas de los ciclozhires clásicos [4] [5] .
Proyecto de Heinz GerhardtEl estadounidense Heinz Gerhardt en 1992-1993 patentó (patente de EE. UU. No. 5265827) un nuevo avión con ruedas de paletas, que es un ciclogiro ordinario según el diseño aerodinámico. El equilibrio longitudinal lo proporciona una hélice vertical en la quilla o un segundo par de rotores cyclofat. Una característica del aparato es la ausencia de cinemática para controlar el ángulo de ajuste cíclico de las palas. En cambio, se instala un cilindro hidráulico en cada hoja, controlado constantemente por una computadora de acuerdo con una ley seleccionada. De esta forma, se supone que debe lograr un flujo óptimo alrededor de cada pala en todos los modos de vuelo. El proyecto no se implementó [4] [5] .
La idea volvió de nuevo en este siglo. La Universidad Nacional de Seúl (Corea del Sur), la Universidad Nacional de Singapur, el grupo Aeroespacial Bosch y varias otras organizaciones tomaron la idea. El primer modelo despegó en 2007 [5] . Después de eso, aparecieron varios modelos diferentes, pero el dispositivo de tamaño completo aún no ha llegado. También hay una opción no estándar: 4 rotores dispuestos en forma de cruz [9] .
En agosto de 2020, en el foro Army-2020 , la Advanced Research Foundation presentó un demostrador de vuelo del primer ciclón en Rusia, el Cyclone, con un peso de 60 kg [10] [11] [12] .
En abril de 2021, la Fundación Rusa para Estudios Avanzados comenzó a construir un innovador automóvil volador cíclico llamado Cyclocar, que podrá transportar hasta seis pasajeros al mismo tiempo [13] .
En general, los proyectos Fanwing y Propulsive Wing son el desarrollo de las ideas del ciclogiro, ya que utilizan una hélice cicloidal como ventilador. Los modelos vuelan, depende de un dispositivo de tamaño completo. El esquema tiene una serie de desventajas: alta resistencia y la imposibilidad de planificar en caso de falla del rotor [4] [5] [14] .
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