Автор: Сафаров Денис Викторович
Возраст: 18 лет
Место учебы: "Уфимский авиационный техникум"ФГБОУ ВО "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Город: Уфа
Руководитель: Дикова Флорида Амировна, преподаватель ФГБОУ ВО УГАТУ "Уфимский авиационный техникум" по дисциплинам Теория авиационных двигателей и Конструкция двигателей.
Есть ли перспективы в развитии
ранцевых летательных аппаратов?
План исследовательской работы:
- Введение
- Историческое исследование вопроса
- Описание и принцип действия
- Полученные характеристики
- Особенности полетов на ранце
- Заключение
- Список литературы
1. Введение
Проблема полетов человека над землей с помощью летательных аппаратов всегда привлекала внимание изобретателей. Целью работы является ответ на вопрос: «Есть ли перспективы в развитии ранцевого летательного аппарата?» и что он из себя представляет.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- выполнить историческое исследование вопроса;
- сделать описание конструкции и принцип действия;
-рассмотреть полученные характеристики и особенности полетов на ранце.
2. Историческое исследование вопроса
Ещё во время Второй мировой войны Германия широко применяла двигатели, работающие на перекиси водорода: в торпедах, подводных лодках, самолётах и ракетах. Например, истребитель-перехватчик Me-163 имел жидкостный ракетный двигатель, в который подавалась 80-процентная перекись водорода и жидкий катализатор. В камере сгорания, в процессе горения, перекись водорода разлагалась с образованием большого объёма перегретой парогазовой смеси, создавая мощную реактивную тягу. Серийный самолёт имел скорость до 960 км/ч, мог подниматься на высоту 12 000 метров за 3 минуты, с продолжительностью полёта до 8 минут. Перекись водорода также применялась в ракетах Фау-2, но в качестве вспомогательного топлива — на ней работали турбонасосы, подававшие горючее и окислитель в камеру сгорания главного ракетного двигателя.
После окончания войны немецкие ракетные технологии вместе со знаменитым конструктором Вернером фон Брауном попали в США. Один из работавших с Брауном американских инженеров, Томас Мур, придумал индивидуальный летательный аппарат, который он назвал «реактивным жилетом». «Реактивный жилет» работал на перекиси водорода. В 1952 году Мур сумел получить грант в 25 тысяч долларов от армии США на создание и опробование своего устройства. «Реактивный жилет» был изготовлен и на стендовых испытаниях сумел на несколько секунд приподнять пилота над землёй.
Однако «жилет» Мура имел крайне неудобную систему управления. На груди пилота размещалась коробочка, от которой шли тросики к регулятору тяги и двум управляемым соплам ранца. Справа и слева коробочка имела маховички: правый маховичок управлял тягой, а слева два соосных рулевых маховичка управляли левым и правым соплами. Каждое сопло могло отклоняться вперёд или назад. Если требовалось повернуть в сторону, пилот вращал один из маховичков, отклоняя одно сопло. Для того, чтобы лететь вперёд или назад, пилот вращал оба маховичка одновременно. Так это выглядело в теории. «Реактивный жилет» Томаса Мура так и не смог совершить самостоятельный полет, армия прекратила финансирование, и работы были свёрнуты.
В 1958 году Гарри Бурдетт и Александер Бор, инженеры компании «Тиокол», создали «прыжковый пояс», которому они дали название «Кузнечик». Тяга создавалась сжатым азотом высокого давления. На «поясе» были закреплены два небольших сопла, направленных вертикально вниз. Носитель «пояса» мог открывать регулирующий клапан, выпуская из баллона сжатый азот через сопла, при этом его подбрасывало вверх на высоту до 7 метров. Наклонившись вперёд, можно было при помощи создаваемой «прыжковым поясом» тяги бежать со скоростью 45—50 км/ч. Затем Бурдетт и Бор опробовали и перекись водорода. «Прыжковый пояс» был продемонстрирован военным в действии, но финансирования не было, и дальше пробных экспериментов дело снова не пошло.
В рамках этой концепции Управление в 1959 году заключило с компанией «Аэроджет» контракт на исследовательские работы по возможности создания SRLD, пригодного для армейских целей. «Аэроджет» пришла к выводу, что наиболее подходящим является вариант с двигателем на перекиси водорода. Однако вскоре военным стало известно, что инженер Венделл Мур из компании «Белл Аэросистемс» уже несколько лет проводит эксперименты по созданию персонального реактивного устройства. Ознакомившись с его работами, военные в августе 1960 года решили передать заказ на разработку SLRD компании «Белл». Венделл Мур был назначен ведущим инженером проекта.
3. Описание и принцип действия
Все существующие ракетные ранцы основаны на конструкции ранца «Bell Rocket Belt» Венделла Мура. Ранец Мура конструктивно состоит из двух основных частей:
1. Жёсткий стеклопластиковый корсет, закреплённый на теле пилота системой ремней. Корсет имеет сзади металлическую трубчатую раму, на которой установлены три баллона: два с жидкой перекисью водорода и один со сжатым азотом.
2. Ракетный двигатель, подвижно установленный на шаровом шарнире в верхней части корсета. Сам ракетный двигатель состоит из газогенератора и двух жёстко соединённых с ним труб, которые заканчиваются реактивными соплами с управляемыми наконечниками. Двигатель жёстко соединён с двумя рычагами, которые проходят под руками пилота. Этими рычагами пилот наклоняет двигатель вперёд или назад, а также в стороны. На правом рычаге установлена поворотная рукоятка управления тягой, связанная тросиком с клапаном-регулятором подачи топлива в двигатель. На левом рычаге установлена рулевая рукоятка, которая гибкими тягами связана с управляемыми наконечниками реактивных сопел.
Действие ракетного двигателя основано на реакции разложения перекиси водорода: 2H2O2 → 2H2O + O2. Реакция протекает с выделением большого количества теплоты.
На рисунке обозначены баллоны с перекисью водорода и баллон со сжатым азотом (давление около 40 атм). Пилот поворачивает рукоятку управления тягой двигателя, и клапан-регулятор (3) открывается. Сжатый азот (1) вытесняет жидкую перекись водорода (2), которая по трубкам поступает в газогенератор (4). Там она вступает в контакт с катализатором (тонкие серебряные пластины, покрытые слоем нитрата самария) и разлагается. Образовавшаяся парогазовая смесь высокого давления и температуры поступает в две трубы, выходящие из газогенератора (трубы покрыты слоем теплоизолятора, чтобы сократить потери тепла). Затем горячие газы поступают в реактивные сопла (Сопла Ловаля), где сначала ускоряются, а затем расширяются, приобретая сверхзвуковую скорость и создавая реактивную тягу. Вся конструкция проста и надёжна, ракетный двигатель имеет минимум подвижных частей.
4. Полученные характеристики
Первые же испытания показали, что человек является весьма неустойчивым летающим объектом. Опытным путём было определено наилучшее расположение реактивных сопел относительно центра тяжести, их направление, способы управления ими в полёте. Для ранца изготовили ракетный двигатель с тягой 280 фунтов (127 кгс). Общий вес ранца вместе с топливом составлял 57 кг. Ранец имел твёрдый стеклопластиковый корсет, изготовленный по форме тела. К корсету жёстко крепились баллоны с топливом и азотом.
Испытания созданного ранца начались в конце 1960 года. Полёты осуществлялись в большом ангаре со страховочным тросом. Первые двадцать взлётов совершил лично Венделл Мур, проверяя функционирование систем управления, обнаруживая недостатки и совершенствуя конструкцию ранца.
20 апреля 1961 года был совершён первый в истории свободный полёт на ракетном ранце (на открытом пространстве и без страховочный тросов) Пилот Гарольд Грэм поднялся на высоту примерно 4 футов (1,2 метра) и плавно полетел вперёд со скоростью примерно 10 км/ч. Он пролетел по прямой 108 футов (меньше 35 метров) и приземлился. Весь полет продолжался 13 секунд. Реактивный ранец перестал быть фантастикой.
В ходе испытаний были достигнуты следующие максимальные показатели:
- продолжительность полёта — 21 секунда;
- дальность полёта — 120 метров;
- высота — 10 метров;
- скорость — 55 км/ч.
5. Особенности полетов на ранце
Пилот ранца облачён в защитный комбинезон из термостойкого материала, поскольку и реактивная струя, и трубы двигателя имеют очень высокую температуру. На голову в обязательном порядке надевается защитный шлем (он также имеет внутри сигнальный зуммер).
При работе ракетного двигателя сверхзвуковая реактивная струя издаёт оглушительно громкий звук (силой до 130 дБ).
Как правило, выходящая реактивная струя прозрачна и в воздухе не видна. Но в холодную погоду водяной пар, составляющий большую часть парогазовой смеси, конденсируется вскоре после выхода из сопл, и тогда пилота окутывает целое облако водяного тумана. Именно по этой причине самые первые «привязные» полёты ранца выполнялись в ангаре — дело было зимой. Также реактивная струя бывает видна, если топливо в газогенераторе разлагается не полностью, что случается, например, при плохой работе катализатора или при загрязнении перекиси водорода примесями.
6. Заключение
Новозеландская компания Martin Aircraft уже сейчас располагает рабочим прототипом такого устройства, способного летать в течение 28 минут на высоте 850 метров со скоростью 45 километров в час. Его разработчики считают, что в будущем каждый желающий сможет управлять таким беспилотным летающим устройством прямо со своего смартфона. Представьте себе, что вы просыпаетесь и никуда не спеша надеваете реактивный ранец и летите по небу в нужное вам место назначение.
На основании рассмотрения данной работы можно сделать несколько выводов по поводу перспектив развития ранцевых летательных аппаратов:
- В первую очередь, реактивные ранцы получат распространение в армии и каких-то спецслужбах.
- В будущем с развитием технологий можно использовать как персональный транспорт, чтобы минуя пробки и другие проблемы наземного транспорта, надев один реактивный ранец добраться до заданного места назначения.
- Реактивные ранцы также могут получить развитие в фигурном пилотировании, в индустрии развлечений.
7. Список литературы
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Реактивный_ранец
- https://thatsmart.ru/2016/03/jetpack/
- https://weekend.rambler.ru/read/aerocikl-reaktivnyy-ranec-eksperimentalnaya-aviaciya-2017-10-19/
| 
