Автор: Тикшаев Владимир Денисович
Возраст: 15 лет
Место учёбы: МАОУ СОШ №7
Город, регион: Челябинская область, город Южноуральск
Руководитель: Крушин Александр Викторович, учитель МАОУ СОШ №7
Есть ли перспективы в развитии ракетных ранцевых аппаратов?
План:
- Введение
- Что такое ракетный ранец?
- История создания ракетного ранца
- Выводы
- Список использованной литературы и источники
Введение
Сегодня существует несколько типов ракетных ранцевых аппаратов. Такие ранцы очень редки, в живую их можно встретить в музеях или специализированных соревнованиях. Некоторые можно изготовить у себя дома, а другие настолько сложные и дорогие, что существуют в единственном экземпляре. Но можно ли ввести их в нашу повседневную жизнь, в космическую или военную отрасли? Удешевить производство, просто усовершенствовать?
Цель работы: изучить историю создания ракетных ранцев, их недостатки, устройство, перспективы использования в различных отраслях деятельности.
Что такое ракетный ранец?
Ракетный ранец - переносимый на спине, персональный летательный аппарат, позволяет человеку перемещаться относительно поверхности с помощью тяги создающейся за счёт выбрасываемой двигателем вертикально вниз реактивной струи. Существуют два основных типа ракетного ранца - это ранец с реактивным двигателем (реактивный ранец) и ранец с турбореактивным двигателем (турбореактивный ранец или jet-pack).
Реактивный ранец
Реактивные ранцы весьма просты по конструкции, именно поэтому они получили такое распространение.В основном все они похожи на конструкцию изобретённую Венделлом Муром в 1960-1970 годах и могут быть изготовлены в частной мастерской или гараже при достаточном умении. Главный их недостаток - малая продолжительность полёта (до 30 секунд) и большой расход труднодоступного топлива - пероксида водорода. Эти свойства отталкивают некоторых, не позволяя им увидеть все плюсы данных ранцев.
Рис.1 Реактивный ранец
Реактивный ранец состоит из жёсткого стеклопластикового корсета (8), закреплённого на теле пилота системой ремней (10) и двигателя подвижно установленного на шаровом шарнире (9). Сзади у корсета расположена металлическая рама из труб, на которой были установлены баллоны двигателя: два с жидкой перекисью водорода (6) и один со сжатым азотом (7). Сам он состоит из газогенератора (1) и двух прочно присоединённых к нему труб (2), которые заканчиваются реактивными соплами с управляемыми наконечниками (3). Двигатель управляется двумя рычагами, с помощью них пилот управляет аппаратом. На правом рычаге установлена рукоятка управления тягой (5), связанная тросиком с клапаном подачи топлива (4). На левом рычаге находиться рулевая рукоятка, которая гибкими тягами связана с управляемыми реактивными соплами. Пока пилот находится на земле, корсет распределяет вес ранца на спину и поясницу пилота, по этому тяжёлым моделям было невозможно взлетать без стартовых площадок.
Реактивный двигатель - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела (парогазовой смеси). В реактивном ранце Мура двигатель работает на химической реакции разложения перекиси водорода до пероксида водорода. В чистом виде перекись водорода стабильна, но при использовании катализатора(например свинца или серебра) очень быстро (меньше чем 1/10 миллисекунды) разлагается на воду и кислород. В результате реакции объём смеси увеличивается в 5000 раз. При этом выделяется огромное количество теплоты. Образующаяся парогазовая смесь имеет температуру более 700 градусов цельсия, по этому пилоты реактивных ранцев летают в термозащитных костюмах.
Рис.2 Реактивный двигатель
Для запуска такого двигателя пилот поворачивает рукоятку управления тягой, клапан-регулятор (3) открывается, сжатый азот (1) вытесняет жидкую перекись водорода (2), поступающую по трубкам в газогенератор (4). В нём она вступает контактирует с катализатором (тонкие серебряные или свинцовые пластины), разлагается на кислород и воду. Образовавшаяся парогазовая смесь высокого давления и температуры поступает в две теплоизолированные трубы. Выходящие из газогенератора горячие газы поступают в реактивные сопла, где сначала ускоряются, а затем расширяются, приобретая сверхзвуковую скорость и создавая реактивную тягу, выходят через сопла наружу.
Турбореактивный ранец
Турбореактивные ранцы работают на турбореактивных двигателях которые имеют более высокое КПД по сравнению с реактивными. Сложны и дороги в производстве, изготовить такой ранец своими руками невозможно. Большинство современных моделей работают именно на таких двигателях. Самым известным на данное время являются ранец-крыло Ива Росси и турбореактивные ранцы JB.
Рис.3 Турбореактивный двигатель
Турбореактивный двигатель - двигатель в котором тяга создаётся за счёт сжатия рабочего тела, путём его разгона и нагревания. Состоит из компрессора, камеры сгорания, турбин высокого и низкого давления, сопла. Компрессор нагоняет воздух в турбину низкого давления, далее следует камера сгорания, где воздух нагревается. После камеры воздух проходит через турбину высокого давления и на большой скорости вылетает из сужающегося сопла. Турбовентиляторный двигатель дополнительно имеет вентилятор который стоит перед всей конструкцией.
Рис.4 Турбореактивный ранец JB-9
Турбореактивный ранец состоит из каркаса, двигателей, бака с керосином и двумя рукоятками для управления. На трубчатый каркас крепятся два или больше турбореактивных двигателя, они располагаются по бокам от пилота соплами вниз, а воздухозаборником вверх. За спиной пилота прикреплён бак с горючим которое по трубкам с помощью компрессоров подаётся в камеру сгорания. Руки пилота крепятся на подлокотники прикреплённые к каркасу . На них располагаются две рукоятки, одна отвечает за тягу, а другая за наклон сопел. Для изменения направления полёта пилот изменял положение сопел в нужную ему сторону. Недостатки у такой конструкции тоже присутствуют из них можно выделить необходимость кислорода как рабочего тела и необходимость теплозащитного костюма.
История создания ракетного ранца
Первые попытки создания
Техническая часть устройства для персонального полёта человека с использованием реактивной тяги впервые была описана в феврале 1921 года советским инженером Александром Фёдоровичем Андреевым. Тогда, он впервые представил свой проект по задумке которого тяга должна была создаваться путём нагревания газа, его расширением и последующим вытеканием с большой скоростью из сопла. Патент на своё изобретение он получил в марте 1928 года. Но воплотить его в жизнь, Андрееву так и не удалось.
Следующими в этой области стали немцы. Их первыми машинами работающими на реактивных двигателях с применением реакции перекиси водорода и жидкого катализатора стали: торпеды, подводные лодки, самолёты и ракеты. К примеру, немецкий истребитель-перехватчик Me-163 летал на жидкостно-ракетном двигателе, где использовалась 80% перекись и жидкий катализатор. В процессе горения перекись разлагалась на горячую струю парогазовой смеси, которая и создавала тягу необходимую для взлёта. Самолёт хоть и летал не долго (8 мин), но довольно быстро (960км/ч). Также эта реакция применялась в ракетах класса земля-земля "Фау-2", как вспомогательное топливо для турбонасосов, что подавали горючее и окислитель в основную камеру. Довести свои модели реактивного ранца до приемлемых характеристик им не удалось.
Начало развития реактивных ранцев в США
После окончания Второй мировой войны, немецкие технологии в ракетной области попали в США вместе со знаменитым конструктором Вернером фон Брауном. Один из работающих с ним инженеров и придумал реактивный ранец, им был Томас Мур. Назвал он свой изобретение "Реактивный жилет". В 1952 году сумел получить гранд от армии США в размере 25 тысяч долларов на создание и тестирование своего "жилета". Он был изготовлен, и на стендовых испытаниях поднял пилота в воздух, на несколько секунд.
Проблемой было его управление. На груди пилота располагалась коробочка с тремя маховичками (два рулевых для левого и правого сопла и один отвечающий за тягу) от которой отходили провода к двум управляемым соплам и регулятору тяги. В теории при повороте в сторону, пилот вращал один из маховичков, отклоняя одно сопло. Для того, чтобы лететь вперёд или назад, пилот вращал оба маховичка одновременно отклоняя все сопла. Во время полёта это было довольно сложно делать. "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 создали "прыжковый пояс" ("jump belt"), которому они дали название "Кузнечик". Он работал на сжатом азоте который при открытии клапана через 2 небольших сопла установленных вертикально вниз с большой скоростью выходил наружу. При этом пилота подбрасывало до 7 метров вверх, а благодаря тяге создаваемой им можно было бежать со скорость около 50 км/ч. Пояс был продемонстрирован военным, увы финансирования не последовало и проект закончился без экспериментов.
Американские программы 60-х
В 1959 году в США проходило массовое внедрение программы исследования операций (OR). В рамках её деятельности была разработана концепция позволяющая решать такие задачи как: безопасное преодоление минного поля, быстрая переброска на склоны, безопасное преодоление рек. Она получила название "Малое ракетное подъёмное устройство" ("SRLD"). Именно тогда военные силы США заключили первый серьёзный контракт на исследования в области реактивных ранцев, а также их производство для вооружённых сил.
Изначально контракт был заключён с компанией "Aerojet General" в 1959 г. Начав работать, компания пришла к выводу, что наилучшим вариантом является конструкция с двигателем на пероксиде водорода. Но, внезапно заказчика привлекла информация, о том, что один из работавших с Брауном американских инженеров, Венделл Мур, придумал индивидуальный летательный аппарат, который он назвал "реактивным жилетом" и даже смог успешно провести серию экспериментов с ним.
Рис.5 Венделл Мур с реактивным ранцем
В августе 1960 года военные заключают новый контракт с "Bell Aerosystems", Венделла назначают главным инженером проекта. В своих демонстрационных полётах и экспериментах Венделл участвовал лично и пострадал. 17 февраля 1961 года во время очередного тестового полёта, из-за лопнувшего страховочного троса, Венделл Мур упал с высоты примерно 2,5 метра на цементный пол, раздробив коленную чашечку. Продолжать полёты он не мог. Ему требовалась замена.
20 апреля 1961 года в 7 часов утра был совершён первый свободный полёт. Он проводился около аэропорта городка Ниагара Фоллс. Управлял, названным "Bell Rocket Belt", аппаратом - Гарольд Грэм, заменивший Венделла после травмы. В тот день он пролетел более 30 метров на высоте в 18 дюймов с малой скоростью, став первым человеком совершившим свободный полёт на ранце.
Рис.6 Гарольд Грэм на демонстрационном полёте
С 1965 года интерес армии США к подобным средствам передвижения стал спадать. У такого спада было множество причин, выявленных при тестах и экспериментах. Самыми значительными были: огромный расход топлива, малая продолжительность полёта, большое количество шума, отсутствие безопасности, лишние расходы на обучение пилота.
Тогда Венделл принимает принципиально новое решение - создать ранец не на реактивном, а на турбореактивном двигателе. Это снизит шум и расход топлива, а также увеличит время полёта. Новый проект получил название "Bell Jet Flying Belt". В 1965 году Венделл добивается контракта с агентством передовых оборонных исследовательских проектов. И через несколько лет представляет первый образец ранца.
Испытания провели в близи городка Ниагара Фоллс. Пилот Роберт Курт пролетел довольно большое расстояние находясь при этом на высоте 7 метров. По сравнению с предыдущим ранцем турбореактивный летал гораздо дольше, но и был больше.
Несмотря на, возросшие по сравнению с предшественником результаты и встроенный парашют, армия отказалась от дальнейших разработок в области портативных летательных аппаратов. Дело в том, что такие аппараты были слишком громоздкими и неудобными в управлении, требовали стартовой площадки. К тому же, любая поломка во время полёта была равна смерти пилота, а приземление с такой конструкцией на плечах могло закончиться надрывом спины.
29 мая 1969 года Венделл Мур умер от сердечной болезни и работы над турбореактивным ранцем были свёрнуты.
Американские программы 70-х
23 января 1970 года все права, лицензия и документация на "Jet Flying Belt" были проданы компании "Williams Research Corporation" за 5600 долларов. В музее этой компании этот ранец хранится до сих пор. Они переименовали двигатель в "F-107" и использовали его в таких ракетах как "Томагавк" или "Аль-кам". Для демонстрации его компактности было сделано фото на котором девушка держит этот двигатель на фоне самолётной турбины.
Рис.7 Девушка держит F 107 на фоне турбин
В январе 1971 года военно-морские силы США приняли решение о создании "STAMP" (Малая Тактическая Аэромобильная Платформа). Для спонсирования этой программы морпехи пытались добиться выделения 4 миллионов долларов из фондов министерства обороны, но смогли выделить лишь 500 тысяч долларов из собственного бюджета.
Первого сентября 1972 года заключен контракт с "Williams Research Corporation" на исследование и разработку платформы. Изобретение должно было быть: лёгким в управлении, перевозить двух человек одновременно, использовать распространённые топлива, а так же запускаться без стартовой площадки и особой подготовки. Разрабатываемая платформа получила имя "WASP" (Williams Aerial Systems Platform).
Первые демонстрационные полёты "WASP" с использования страховочного троса были произведены в декабре 1973 года. Платформа использовала модифицированные двигатели WR-19, имела три сопла направленных вниз и располагала размещением турбовентиляторного двигателя, воздухозаборником вверх, перед пилотами. Так же была снижена температура реактивной струи и изменено управление. Повороты вправо и влево также выполнялись путём поворота сопел, а для крена использовалось распределение тяги между тремя двигателями.
Контракт завершился в 1974 году так и не дойдя до свободного полёта из-за отсутствия достаточного финансирования.
Ознакомившись с уже имеющимися результатами, весной 1974 года армия США запустила новую программу "ILD"(Индивидуальное Подъёмное Устройство). На этот раз главными критериями стали простота и надёжность. Для удешевления и облегчения производства было решено разрабатывать ранцы и для одного человека. Основной задачей стало перемещение солдата без амуниции из точки старта до места приземления. В 1977 году в программе уже было зарегистрировано несколько участников которые работали над этой программой.
Среди участников была "Williams Research Corporation" которая в 1978 году получила огромный грант в размере 1,5 миллиона долларов на разработку "WASP 2". В ней инженеры компании решили использовать доработанный двигатель "F-107". Для повышения надёжности его заключили в алюминий и добавили две решётки воздухозаборника. Была изменена система управления, теперь для крена пилот должен был откланяться в нужную сторону на предусмотренной для этого платформе. Рукоятки управления тягой и соплами решили оставить.
Рис.8 Полёт на X-jet
17 апреля 1980 года был совершён первый свободный полёт на платформе "WASP 2" или как её ещё назвали "X-Jet". Однако из за большого веса, а также излишне шумного и отклоняющегося при каждом движении аппарата финансирование прекратили. "X-Jet" не оправдал надежд.
"Криминальный" RB2000
После "WASP 2" разработки в данной области прекратились на долгие годы. Иногда происходили события в которых участвовали ранцы конструкции 1960-1970 года. Кто-то начал зарабатывать на демонстрационных полётах, а кто-то решил продолжить производство подобных девайсов и сколотить состояние.
Таким энтузиастом стал Брэд Баркер. Не имея денег он договорился со своим знакомым инженером Лэрри Стэнли. И они, как два хозяина проекта, занимая деньги у родителей, стали искать мастерскую. Её им предоставил Джо Райт согласившись в будущем на 5% от прибыли. Баркер должен был покупать комплектующие а Стэнли собирать в одно целое. Но процесс сборки шёл медленно и они наняли в помощники Дугласа Малевики который на основе контракта стал им помогать.
К осени 1994 года разработка первого образца реактивного ранца была завершена он получил название "RB2000". Главными его отличиями от старых моделей стали: использование новых материалов(титан, алюминий), увеличение запаса топлива, усиление тяги двигателя. Время его полёта составляло 30 секунд, а скорость превышала 90 км/ч.
Рис.9 RB2000 перед публичным выступлением
Для первого свободного полёта был приглашён Билл Сьютор считавшийся тогда самым профессиональным пилотом ранца. Так-же он должен был обучать одного из владельцев компании полётам. Тут и возникли разногласия между Баркером и Стэнли. Даже один полёт обходился в немалую сумму. Их уже начинают разнимать от попыток побить друг друга.
В ноябре 1994 года ситуация обострилась и Баркер ударил "резиновым" молотком Стэнли. Пострадавший отделался ушибами. После произошедшего Баркер и Райт перевезли изобретение в никому не известное место. После проходит единственный полёт RB2000 при управлении Сьютора, на который Стэнли приглашён не был. После полёта Билл поделился впечатлениями и назвал аппарат лучшим из опробованных им.
Баркер решил через суд и Райта, потребовать выплаты от Стэнли за просрочку выплаты аренду гаража в размере 12000 долларов. Но это не удалось. Стэнли не только выиграл суд, но и доказал, что он является единственным владельцем компании, показав чеки за покупку деталей. Баркер исчезает вместе с RB2000. Тогда Стэнли договаривается с Райтом о встрече, но на месте его ожидал лишь изуродованный труп.
В ноябре Баркеру поступает звонок от знакомого с предложением поучаствовать в съёмках фильма, съёмки якобы проходили в пустыне Мохаве. Когда Баркер прибыл на место, его связали и начали пытать. После недели пыток ему удалось сбежать из плена и вызвать полицию. Стэнли был задержан и сел в тюрьму на 8 лет. О том, где ранец, никто не знает до сих пор.
Современные модели
Рис.10 Rocket Belt of Tecnologia Aeroespacial Mexicana
Сейчас "Tecnologia Aeroespacial Mexicana" является практически единственной компанией которая продаёт реактивные ранцы вместе с генератором пероксида водорода. Она работает с 1975 года и известна своими изобретениями в области производства пероксида водорода пригодного для использования в качестве топлива. Дочь основателя фирмы стала первой женщиной полетавшей на реактивном ранце.
Рис.11 JB-11
Компания "JetPack Aviation" была основана Дэвидом Мейманом и существенно улучшила конструкцию ранца "Bell Jet Flying Belt". Начинали они с 1970 и уже добились огромных успехов. Всего у них 11 моделей. Их первые выглядели немного необычно из за своего расположения двигателей. Затем пошли, более похожие на классический ранец, JB-9 и JB-10. Последнюю модель JB-11 тоже можно отнести к необычным.
Рис.12 Ив Росси летит на своём ранце-крыле
Уникальный на данный момент аппарат Ива Росси является самым необычным из существующих реактивных ранцев, был создан немецкой компанией "Jetcat". В нём использованы самые новые материалы (углепластики и карбон), управляется смещением центра масс. Его ранец-крыло полетал во многих странах мира. Использует он 4 двигателя "turbojet", для взлёта ранцу нужна площадка - самолёт или вертолёт. Одними из самых известных мест его полётов являются: Дубаи, Ла-манш, Гранд каньон, вулкан Фудзияма и другие.
Выводы
Изучив принципы работы и историю создания ракетных ранцев можно выделить несколько областей для их развития. Самой молодой и перспективной является космическая, в ней могут использоваться только реактивные ранцы так как им не нужен кислород для работы. Они могут использоваться как средство передвижения вокруг космической станции, корабля или на исследуемой планете. Второй областью является военная. В ней лучше использовать турбореактивные ранцы ведь они имеют большую продолжительность полёта. Их можно использовать для быстрых подъёмов на стратегически важные высоты, преодоление различных преград, штурма многоэтажных зданий, смягчение посадки десантников или техники. Третья область - гражданская. Здесь ранцы можно применить в различных хобби, в спасательных операциях, фигурном пилотировании jet pak-а и других не менее важных или интересных вещах.
На основе изученного материала я могу сказать, что внедрение реактивных, турбореактивных и турбовентиляторных ранцев в нашу повседневную жизнь возможно и может наступить совсем скоро. Прогресс не стоит на месте, материалы совершенствуются, появляются новые топлива, а развитие в этой области позволит достать новые вершины как в покорении космоса, так и нашей планеты.
Список использованной литературы и источники
- Турбореактивный двигатель https://ru.wikipedia.org/wiki/Турбореактивный_двигатель
- Jet pack https://en.wikipedia.org/wiki/Jet_pack
- Строим реактивный ранец Jetpack http://jethackers.ru
- Джет-пак - выдумка или реальность? http://www.yaplakal.com/forum2/topic255967.html
- Реактивный ранец https://ru.wikipedia.org/wiki/Реактивный_ранец
- Борьба с гравитацией https://pikabu.ru/story/borba_s_gravitatsiey_4074157
- История развития джетпаков. Часть 2. https://pikabu.ru/story/istoriya_razvitiya_dzhetpakov_chast_2_4096345
- История развития джетпаков. Часть 3. https://pikabu.ru/story/istoriya_razvitiya_dzhetpakov_chast_3_4110539
- История развития джетпаков. Часть 4. https://pikabu.ru/story/istoriya_razvitiya_dzhetpakov_chast_4_4126711
- Rocket Belts of Tecnologia Aeroespacial Mexicana http://www.tecaeromex.com/ingles/RB-i.htm
- JetPack Aviation https://www.jetpackaviation.com
| 
