Тейлситтеры — аппараты, которые взлетают и садятся как квадрокоптеры, а летают как планеры. С точки зрения энергоэффективности это лучшее решение, если нужны вертикальный взлет и посадка.

Идея не нова, однако рынок подобных решений только начинает развиваться, появляется много стартапов, в том числе и отечественных. Мы собрали историю прототипов начиная с 1909 года и пообщались с парнями, которые построили несколько моделей и готовятся к выходу на серийное производство.

Подобные проекты мы регулярно вытаскиваем из базы нашего образовательного интенсива «Архипелаг 2023». Там он значился как беспилотник «Стрекоза» с имеющимися прототипами в высшей степени готовности. Мы с удовольствием пообщались с разработчиками, чтобы оценить, насколько трудозатратен процесс создания первого прототипа и каким образом хобби трансформировалось в полезный и интересный проект. Но начать хочется с ретроспективы, поскольку в истории авиастроения оказалась масса необычных летательных аппаратов.

Идее больше ста лет 

В 1909 году российско-немецкий инженер-конструктор и изобретатель Борис Луцкий (Борис фон Луцкой) создал модель первого в мире самолета типа VTOL (Vertical Take-Off and Landing) — с вертикальным взлетом и посадкой. Ко всему прочему самолет «Луцкой-1» стал первым в мире многомоторным летательным аппаратом. На испытаниях в Штутгарте он достиг огромной по тем временам скорости 90 км/ч, но во время полета сломался один из боковых пропеллеров. Аппарат накренился и упал с высоты 30 метров. Пилот, к счастью, почти не пострадал.

Типичную схему с носовым винтом дополнили двумя боковыми винтами для вертикального взлета и посадки, которые работали от второго двигателя.

Тейлситтеры, в их классическом понимании, начали разрабатывать в 30-х годах прошлого века. Одну из самых ярких моделей создавали в Германии в 1944 году. Это был концепт истребителя вертикального взлета и посадки Focke-Wulf Triebflügel.

Предполагалось, что три крыла с двигателями на концах будут работать по вертолетной схеме, превращаясь в гигантский пропеллер при перемещении в горизонтальной плоскости. Увы или к счастью, ни одного прототипа построено не было.

Следующий яркий проект запустили ВМС США в 1954 году. Это экспериментальный прототип турбовинтового самолета Convair XFY-1 Pogo (Прыгун), предназначенный для размещения на обычных кораблях. Несмотря на успешные испытания, самолет не пустили в серию.

Позднее во Франции, в 1958 году, совершил свой первый полет экспериментальный самолет вертикального взлета и посадки с кольцевым крылом Snecma C-450 (Жук). Он совершил девять испытательно-демонстрационных полетов, но на последнем из-за совокупных просчетов в конструкции и ошибок пилотирования разбился. Дальнейшие разработки были свернуты.

Современные концепты и серийные модели

По ряду причин современная авиация не спешит использовать тейлситтеры, зато они набирают популярность в сегменте компактных беспилотных аппаратов. И вот несколько примеров.

Американская компания Heurobotics создала беспилотник по схеме «летающего крыла» с «вертолетной» концепцией воздушных винтов. Два электромотора, подключаемые через редукторы, связаны с валами воздушных винтов. Винты оснащены обгонными муфтами, размыкающими связь с электромоторами для перехода в режим авторотации, который задействуется на вертолетах при отказе двигателей. В этом случае винт раскручивается набегающим потоком, что создает подъемную силу и позволяет плавно приземлиться. К сожалению, данный аппарат так и не пошел в серию.

В Швейцарии разработали любопытный тейлситтер, выполненный по схеме «летающего крыла». Аппарат WingtraOne способен перевозить груз до 500 граммов на расстояние до 60 километров и держаться в воздухе на одной подзарядке до 55 минут. Такие возможности вместе с бортовой камерой позволяют использовать его для мониторинга с воздуха больших площадей. Этот аппарат стал прототипом тейлситтера MiracleSky, который собрали студенты Инженерной школы информационных технологий ТПУ.

Немецкая компания Elektra Solar GmbH создала электрический беспилотник Elektra VTOL грузоподъемностью до 2 кг. Благодаря облегченной конструкции он может летать до 3 часов на расстояние до 200 километров. Модели с солнечными батареями могут работать на полтора часа дольше.

Еще один немецкий проект — IDSC Tailsitte, созданный в Институте динамических систем и управления ETH Zurich. 

Его построили на основе аэродинамического профиля Clark Y, который разработал Вирджиний Кларк еще в 1922 году. К Clark Y присматривались много лет и сегодня его широко применяют в конструкциях самолетов общего назначения. 

В аппарате аэродинамическая нейтральная точка совпадает с центром тяжести. Конструкция позволяет легко маневрировать между режимом зависания и полетом. С помощью контроллера он восстанавливает положение из любого состояния. 

Раффаэльо Д'Андреа продемонстрировал аппарат в 2016 году, но тогда он мог садиться только в ручном режиме в руку оператора. Автоматический режим стал возможен лишь в декабре 2022 года, когда в программу управления ArduPilot добавили соответствующие настройки. 

Фактически у тейлситтеров два режима — две отдельные программы с собственными настройками: самолета и коптера. Второй режим был ограниченным. Пять лет компания ArduPilot работала над тем, чтобы создать аэродинамическую схему тейлситтера и представила полноценную версию в декабре 2022 года. Это открыло новые возможности для частных разработок.

S-образные профили крыла для беспилотников 

Теперь про крылья. Чаще всего беспилотники используют S-образное крыло. У него высокая устойчивость, однако ниже показатели подъемной силы и выше сопротивление потоку. 

Активно изучать профили крыльев начали в 30–50-е годы. СССР, США и европейские страны приложили колоссальные усилия, чтобы испытать и отработать профили крыла на различных скоростях, на маневрах, на положительных и отрицательных углах атаки. Усилия прикладывались гигантские, потому что приходилось все делать вручную.

И только в 1989 году в Германии создали математическую модель и два новых профиля крыла — серию S-образных профилей. У них самый широкий динамический диапазон скоростей. Однако S-образный оказался сложен в изготовлении, тем более с аэродинамическим кручением. Поэтому его начали применять только с широким распространением ЧПУ и возможностью нарисовать самолет в цифре.

Как создавали тейлситтер «Стрекоза» 

Инициатива принадлежит инженеру-радиоэлектронщику Юрию Шеметуну. В сферу беспилотников он пришел благодаря интересу сына, который в какой-то момент остыл к этой теме, зато папа, наоборот, задумался о серьезном проекте.  

Это был проект тяжелого коптера с крылом в косом потоке. Решение было инновационным, так как оно нигде не применялось в том контексте, который предлагал Юрий. Проект столкнулся с проблемой отсутствия регуляторов для мощных бесколлекторных моторов. Полтора года Юрий сам проектировал такие регуляторы и доводил их до совершенства. Сейчас в планах выход уже шестой серии. 

Тейлситтеры — самая оптимальная с энергетической точки зрения схема, поэтому в сентябре 2022 года Юрий решил заняться разработкой именно такой модели. В январе 2023 года уже собрал первый прототип, где за основу взял хорошо зарекомендовавший себя планер Skywalker X8. 

Юрий добавил планеру возможность вертикальной установки на стартовую площадку с помощью винглетов — это законцовки на крыльях. А также разместил на крыльях моторы, использовав напечатанные на 3D-принтере крепления. Теперь аппарат может взлетать вертикально. В оригинальной модели мотор находится сзади.

Аппарат взлетает, затем поворачивается за счет управляющих плоскостей на 90 градусов и летит как самолет.

Команда: инженер, электронщик и программист 

В январе Юрий собрал дрон, начал его настраивать и понял, что один не справится. Обратился к знакомому, который и прежде помогал с коптерами. Алексей Козин знает ПО для беспилотников ArduPilot на уровне разработчика. Он участвовал во многих проектах по настройке ArduPilot, решению конфликтных ситуаций и доработке модулей. В том числе, под его руководством разработан полетный контроллер F-4 — единственный в России, который не является клоном других контроллеров. 

Алексей порекомендовал своего товарища Евгения Юскова — КМС авиамодельного спорта и победителя чемпионатов. Так собралась команда: Евгений делает корпуса, Юрий собирает и паяет электронику, а Алексей настраивает софт. Работа закипела, и пошли испытания. 

Первые испытания были неудачные, но потом дело пошло на лад.

Три версии по техзаданию МЧС 

Первую модель продемонстрировали руководству МЧС, но пока у ведомства нет средств на заказ. Однако команда продолжила развивать модели под техзадание МЧС: для разных нагрузок и требований. 

Вторая версия имеет размах крыльев 270 см. У него поменяли пропеллеры, моторы и камеру. Теперь он может брать больше полезной нагрузки — различных приборов и измерительных комплексов.

На крыле тейлситтера, как у обычного самолета, расположены элевоны — рули крена. Управляя ими, можно управлять самолетом. 

Также можно управлять с помощью вектора — когда один мотор тянет больше, другой — меньше. Например, в третьей версии тейлситтера «Стрекоза», созданной по схеме альбатроса, не будет элевонов, зато будут четыре мотора и только векторное управление. В размерах она тоже подрастет — до 3,5 метра.

Чтобы подготовить модели к серийному производству, нужно провести десять испытаний, а для этого необходимо изготовить еще шесть аппаратов (по два экземпляра для каждой из трех моделей). 

Для каждой модели на ЧПУ вырезают матрицу, затем выклеивают на нее детали корпуса из композитных материалов. Например, матрица фюзеляжа состоит из пяти частей, иначе не получится ее извлечь из готового корпуса. Часть деталей печатают на 3D-принтере. Затем корпус красят, приклеивают все внутренности, размещают оборудование. В итоге себестоимость тейлситтера без учета стоимости полезной нагрузки вырастает до 650 тысяч рублей. Себестоимость полезной нагрузки зависит от задачи: от сотен тысяч до миллионов рублей.

Команда использует самостоятельно разработанный пульт управления с супер ярким дисплеем для работы на солнце 1500 кандел, с джойстиками, компьютером. Свои регуляторы для бесколлекторных моторов, которые Юрий разрабатывает и улучшает много лет, а также собственную настройку ArduPilot. Таким образом у них собирается полный пакет собственных разработок, части которого они могут переиспользовать в новых проектах. 

Как и многие другие команды-участники «Архипелага», создатели «Стрекозы» ищут инвестора для развития текущей линейки или создания новых аппаратов под конкретный заказ. Надеюсь, у них все получится.