Мультикоптер: история создания популярного летательного аппарата

Несколько лет назад слова «квадрокоптер», «мультикоптер» и «дрон» были известны сравнительно узкому кругу людей, увлекавшихся авиамодельным спортом или высотной фото- и видеосъемкой. Сегодня три этих термина занимают почетные места в списках наиболее часто цитируемых в интернете терминов. Основной причиной роста интереса к многовинтовым беспилотникам стал военный конфликт на территории Украины, в ходе которого они совершили настоящую революцию в тактике ведения боевых действий.

Разнообразные БПЛА производят разведку, помогают корректировать удары артиллерии и действия штурмовых подразделений, занимаются доставкой боеприпасов, снаряжения, медикаментов и продовольствия, осуществляют дистанционное минирование и выполняют функции штурмовой авиации, уничтожая укрепления и дорогостоящую военную технику.

До 2022 года ведущие армии мира делали упор на развитие тяжелых БПЛА самолетного типа, вроде американского MQ-9 Reaper или турецкого Bayraktar TB2. Принципиальным новшеством украинского сюжета стало то, что после начала СВО на первый план вышли легкие мультикоптеры – летательные аппараты, построенные по вертолетной схеме, с тремя и более несущими винтами.

Геликоптер, коптер, вертолёт и дрон

Как и в случае с воздушными шарами, пионерами в создании вертолетов считаются французы. Первые опыты в этой сфере они начали проводить с середины XIX века. Поэтому самое распространенное в мире название винтокрылых машин – «helicopter» – происходит от французского термина «hélicoptère», образованного, в свою очередь, из двух древнегреческих слов: «ἕλικος» (эликос) – «винт, спираль» и «πτερόν» (птерон) – «крыло». То есть «hélicoptère» – это буквально «винтокрылый».

В русском языке слово «геликоптер» не прижилось и со временем было заменено на «вертолёт». Автором термина стал знаменитый советский авиаконструктор Николай Камов. Американцы, которые, как известно, любят всё сокращать, обрезали слово «helicopter» до «copter». В таком виде оно сейчас снова попало к нам, но уже в качестве обозначения БПЛА.

Откуда взялся термин «дрон», точно неизвестно. Канонически считается, что он произошел от английского слова «drone», которое в переводе означает «трутень». Предыстория такова: в 1933 году в Великобритании на базе самолета «Tiger Moth» («Тигровый мотылек») был создан дистанционно управляемый беспилотный гидросамолет, названный «Queen Bee» («Пчеломатка»). Эти машины использовались в качестве подвижных мишеней для обучения летчиков-истребителей и зенитчиков.

Идея очень понравилась американским военным, и вскоре в составе ВМФ США было создано специальное подразделение, занимавшееся развитием радиоуправляемой авиации. Возглавил его капитан третьего ранга Делмар Фарни, который и придумал называть летающие беспилотники «дронами». Во-первых, по причине происхождения от британской «Пчеломатки», а во-вторых, из-за того, что первые машины своей «грацией» напоминали трутней – были слишком медленными, плохо маневрировали и не могли ускоряться. К тому же они издавали характерное монотонное жужжание.


Первый вертолет был мультикоптером

Большинство людей считают, что первый в мире вертолет был построен в США русским авиаконструктором Игорем Ивановичем Сикорским. Это и так и не так. В сентябре 1939 года Сикорский действительно создал первый в истории устойчиво управляемый вертолет классической компоновки – с одним несущим и одним хвостовым винтами. Однако он не был первым вертолетом в принципе.

На самом деле первый надежно управляемый человеком винтокрылый летательный аппарат поднялся в небо на 18 лет раньше. Его сконструировал и построил другой выдающийся русский инженер Георгий Александрович Ботезат. Как и Сикорский, весной 1918 года он уехал в Соединенные Штаты по приглашению американского правительства, эмиссары которого активно и весьма результативно занимались хедхантингом на территории охваченной гражданской войной России.

Георгий Ботезат происходил из очень известного бессарабского дворянского рода. Среди его предков были основатели столицы Молдавии, именами которых там названы улица и площадь. Он родился в Кишиневе в 1882 году, окончил Харьковский технологический институт, затем обучался в аспирантуре Геттингенского и Берлинского университетов, а в 1911 году защитил докторскую диссертацию в Сорбонне.

Его работа была посвящена теории устойчивости самолетов в полете и произвела без преувеличения настоящий фурор в европейском научном сообществе. Знаменитый французский математик и механик, а впоследствии ректор Парижского университета, Поль Аппель, присутствовавший на защите диссертации, восторженно приветствовал русского ученого словами: «Молодой человек, если вы воплотите ваши великолепные теории в практику, вы перевернете мир!»

Вернувшись в Россию, Ботезат преподавал в Петербургском политехническом институте и одновременно принимал активное участие в создании первой в нашей стране Офицерской воздухоплавательной школы. После начала Первой мировой войны он стал научным консультантом при Военном министерстве и занимался главным образом теоретическими основами бомбометания.

В том же году в Петрограде вышла в свет его книга «Исследование явления работы лопастного винта» – одна из наиболее фундаментальных работ в области теоретической аэродинамики в мире на тот момент. В ней были приведены характеристики всех основных режимов работы винтов, а также наиболее выгодные условия работы самолетных пропеллеров, вертолетных несущих винтов, вентиляторов и турбомоторов.

Обе революции 1917 года ученый воспринял достаточно равнодушно. Политикой он никогда не интересовался и считал, что происходящие в стране перемены его никак не касаются. Однако отношения с большевиками не заладились. Кроме того, разработка новых летательных аппаратов требовала серьезного финансирования, рассчитывать на получение которого в условиях гражданской войны было трудно. Поэтому Ботезат принял приглашение переехать в США, где ему предоставили должность научного консультанта в NACA (в 1958 году эта организации была преобразована в аэрокосмическое агентство NASA).

Основным направлением научной деятельности Георгия Александровича стали исследования в области теории воздушных винтов, которыми он начинал заниматься еще в России. В 1921 году Ботезат инспектировал Научно-исследовательский центр ВВС США в Дейтоне. Во время ланча с заместителем министра обороны он предложил построить вертолет для нужд армии, конкретно – для проведения спасательных и десантных операций.

Идея создать летательный аппарат, способный, по словам ученого, «взлетать вертикально и зависать на месте, подобно стрекозе», вызвала большой интерес у военных, и вскоре решением Конгресса была сформирована Специальная исследовательская группа по постройке вертолета. Ее руководителем был назначен Ботезат. На осуществление проекта он получил двести тысяч долларов. В сегодняшних деньгах это около трех миллионов.

Георгий Александрович был настолько уверен в своих расчетах, что аппарат создавался сразу в натуральную величину, без предварительных аэродинамических испытаний и опытов с моделями. Конструкция представляла собой две соединенные под прямым углом металлические фермы, на оконечностях которых было размещено по одному шестилопастному несущему винту диаметром восемь метров. Все четыре винта приводились в движение бензиновым двигателем Bentley мощностью 165 л.с., расположенным в центре и соединенным с винтами при помощи причудливой системы валов и конических зубчатых передач.

То есть, говоря о вертолете, Ботезат имел в виду четырехвинтовой летательный аппарат, а не ставший со временем классикой вертолет с одним несущим винтом, как у Сикорского. Кстати, названия для популярных нынче девайсов придумал именно Георгий Александрович. Сперва он назвал свое изобретение «Multicopter», а потом переименовал его в «Quadcopter», соединив английское слово «quad» («четверной» или «четверка») с американской сокращенной версией слова «helicopter». «Мультикоптер» в русском языке закрепился, а вот «куадкоптер» трансформировался в «квадрокоптер», больше похожий на смесь итальянского «quattro» («четыре») со словом «copter».

Кабина пилота ботезатовского вертолета располагалась там же, где и двигатель – в центре. Регулирование подъемной силы и управление движением происходило с помощью изменением общего шага винтов. Для того, чтобы сделать аппарат более устойчивым в полете, плоскости вращения несущих винтов были слегка наклонены внутрь. При отказе двигателя винты можно было перевести в режим авторотации, как у автожира, что обеспечивало более медленное и безопасное снижение. Вес вертолета составлял чуть больше полутора тонн, а максимальный взлетный вес – две тонны.

Первые испытания проходили 18 декабря 1922 года на заснеженном аэродроме Маккук Филд в пригороде Дейтона. Пилотировал аппарат сам изобретатель. Ботезат оторвал свой вертолет от поверхности, поднял на высоту два метра, провисел в воздухе 1 минуту 42 секунды, а потом плавно опустился на землю. Именно эти полторы минуты признаны первым в истории управляемым полетом вертолета.

Вплоть до апреля следующего года три летчика ВВС США провели более сотни испытательных полетов на мультикоптере Ботезата. Максимальная высота подъема составила 10 метров, максимальная скорость – 100 км/ч, максимальное число пассажиров – 4 человека. Ни одной аварии во время испытаний не случилось.

Поглядеть на диковинный аппарат приезжало много известных людей, начиная с министра торговли и будущего президента США Герберта Гувера и заканчивая изобретателем лампочки накаливания – Томасом Эдисоном. Однако в серийное производство вертолет Ботезата запущен не был. Официальный отчет приемочной комиссии ВВС отмечал отличную устойчивость, большую грузоподъемность, высокий КПД несущих винтов и вполне удовлетворительную управляемость в полете, но при этом констатировал чрезвычайную сложность конструкции, трудоемкость ее регулировки и высокий риск аварии в случае выхода из строя привода к одному из винтов. Более перспективной была признана схема с одним несущим винтом, а про мультикоптер в итоге забыли почти на сто лет.

Контракт на разработку вертолета с Ботезатом продлен не был, но рабочие отношения с министерством обороны у него сохранились. Вернувшись в Нью-Йорк, он основал собственную фирму, которая специализировалась на производстве промышленных вентиляторов нового типа. В отличие от привычных центробежных воздуходувок, его устройства работали на принципе осевого компрессора.

Компания, большинство сотрудников которой были эмигрантами из России, победила в конкурсе на поставку вентиляторов для новой серии американских крейсеров, организованном Военно-морским флотом. Затем удалось наладить сотрудничество с крупными строительными фирмами, и вентиляторы Ботезата начали устанавливать в жилых домах и общественных зданиях Нью-Йорка, в частности – в знаменитом Рокфеллер-Центре.

Сделав приличное состояние на производстве вентиляторов, в середине 1930-х годов Георгий Александрович вернулся к разработке летательных аппаратов. Он решил не идти против течения и в 1938 году построил вертолет с одним несущим винтом, имевший, по мнению экспертов весьма интересную компоновку и систему управления. К сожалению, завершить проект ему не удалось. После его смерти в 1940 году работы были прекращены.


Ренессанс мультикоптера

Возвращение многовинтовых вертолетов началось в 2000-е годы с появления недорогих легких коммерческих квадрокоптеров. Сперва эти странноватые Х-образные летательные аппараты рассматривали только в качестве занятных игрушек. Потом на них стали устанавливать фотоаппараты и видеокамеры для получения эффектных кадров, сделанных с высоты птичьего полета. В начале 2010-х их приспособили к сельскохозяйственным, геодезическим и некоторым другим гражданским работам, а также к спасательным операциям, после чего на них обратили внимание гиганты IT-индустрии и онлайн-торговли, решившие использовать дроны для экспресс-доставки товаров покупателям.

Параллельно шел процесс внедрения мультикоптеров в военную сферу. Неповоротливые армейские структуры во всем мире поначалу реагировали скептически, считая это какой-то несерьезной детской забавой. Так было до тех пор, пока кто-то не сообразил прицепить к FPV-дрону заряд от противотанкового гранатомета. По мере увеличения числа выведенных из строя и уничтоженных дронами танков и бронемашин отношение к легким беспилотниками вертолетного типа стало быстро меняться. Сейчас наблюдается взрывной рост как количества производителей боевых дронов, так и объемов инвестиций в эту сферу.

Всё это стало возможно после появления сравнительно недорогой элементной базы, прежде всего – миниатюрных электродвигателей и мощных микропроцессоров. Принципиальным отличием современных дронов от первого мультикоптера Георгия Ботезата является то, что каждый винт теперь оснащается отдельным двигателем. Это обеспечивает кардинально лучшую управляемость, маневренность и живучесть летательных аппаратов.

Вне зависимости от количества винтов, часть из них (обычно – половина) работает по часовой стрелке, а другая часть — против. Маневрирование осуществляется посредством изменения скорости вращения винтов. Это работает так: для подъема увеличивается скорость вращения всех винтов, для движения в сторону – ускоряются винты с одной стороны и замедляются с другой, а для поворота в плоскости ускоряются винты, вращающиеся в одну сторону, и замедляются те, которые вращаются в другую.

Для обеспечения стабильного зависания аппараты оснащают несколькими гироскопами, фиксирующими крен. К ним иногда добавляют акселерометр, данные от которого помогают процессору устанавливать абсолютно горизонтальное положение. Высота чаще всего определяется при помощи бародатчика. В продвинутых моделях используется сонар, который позволяет облетать препятствия, летать на предельно малой высоте и совершать автоматическую посадку.

Навигация до последнего времени производилась с использование системы GPS. Новым словом стало использование искусственного интеллекта, работающего с высокоточными цифровыми картами и не требующего наличия связи со спутником или с оператором. Эта схема позволяет повысить шансы на достижение точки назначения и на возвращение дрона в случае потери связи с ним, например, вследствие воздействия средств радиоэлектронной борьбы.


Пассажирский мультикоптер-такси

На сегодняшний день подавляющая часть производимых в мире мультикоптеров относятся к классу легких беспилотников, но есть и многообещающие проекты в области пилотируемой авиации. В качестве примера можно привести немецкий стартап Volocopter, в рамках которого создана серия летательных аппаратов, внешне отдаленно напоминающих вертолет Ботезата.

Всё началось в 2011 году, когда три инженера: Стефан Вольф, Томас Зенкель и Александр Зозель решили попробовать создать летающее электротакси, способное бесшумно, безопасно и безвредно для окружающей среды перевозить пассажиров в крупных мегаполисах. Начали с модели, сделанной из мяча для йоги, нескольких электродвигателей и винтов.

Затем молодые люди подготовили красочную презентацию и приняли участие в конкурсе, организованном Федеральным министерством экономики и технологий Германии. Заняв одно из первых мест и получив грант на сумму в два миллиона евро, они занялись воплощением своей идеи в жизнь. В середине 2012 года основанная ими компания E-Volo GmbH представила первый одноместный прототип VC1, оснащенный шестнадцатью несущими винтами. Каждый из них приводился в движение отдельным электрическим двигателем.

Следующим шагом стало создание двухместной модели VC200, количество винтов в которой было увеличено до восемнадцати. В первой модели фермы были выполнены из алюминиевых труб прямоугольного сечения, а пилот располагался в открытом кресле. Во второй несущая рама была изготовлена уже из углепластика, а в центре находилась достаточно просторная вертолетная кабина. Блок управления и аккумуляторные батареи были размещены в обтекателе за креслами.

Рама представляла собой круг, разделенный на шесть сегментов. На каждом из шести лонжеронов было установлено по три электродвигателя. При этом сборка конструкции была очень простой и занимала всего несколько минут. Важным достоинством VC200 было практически полное отсутствие вибрации и шума. Модель получила высокие оценки экспертов и была удостоена нескольких престижных наград.

Безопасность полета является ключевой характеристикой при перевозке пассажиров вообще и над жилой застройкой в особенности. У прототипа VC200 было три независимых источника питания, каждый из которых давал электроэнергию шести моторам (по одному в каждом из шести сегментов несущей рамы). При отказе одного или даже двух источников питания мультикоптер сохранял устойчивость и мог без проблем совершить плавную посадку. То же касалось и работы электромоторов. Даже при выходе из строя половины из них аппарат оставался управляемым.

В 2017 году компания продемонстрировала свой новый мультикоптер – Volocopter 2X. Он стал развитием модели VC200. Как и прежде, движение аппарата обеспечивали восемнадцать независимых электродвигателей, закрепленных на круговой углепластиковой раме. Вес аппарата составлял 290 кг. Он мог перевозить до 160 кг груза или двух человек среднего телосложения. В 2019 году было принято решение переходить к серийному производству. Тогда же состоялась презентация модели VoloCity, в которой были учтены результаты более тысячи испытательных полетов первых прототипов.

По своим характеристикам она была практически идентична Volocopter 2X. В феврале 2024 года компания получила все необходимые разрешения и сертификаты от европейских регулирующих органов, и приступила к переговорам о запуске своего летающего такси сразу в нескольких городах мира. Первым из них скорее всего станет Париж.

PS

Сейчас в России, по понятным причинам, активнее всего развивается проектирование и производство мультикоптеров для нужд армии. Однако, как это было всегда, многие проверенные войной технологии найдут применение и в гражданской сфере.

В середине июня 2024 года пресс-служба Министерства обороны РФ опубликовала информацию об успешном завершении испытаний квадрокоптера «Перун». Изначально его разрабатывали в качестве ударного дрона с возможностью установки на нем противотанкового ракетного комплекса или пулемета. Надежная система стабилизации аппарата позволяет производить прицельную стрельбу как с земли, так и в полете, что и было доказано в ходе тестов.

Затем аппарат был испытан в качестве средства транспортировки продовольствия и боеприпасов на линию боевого соприкосновения в зоне ответственности группировки «Днепр». Грузоподъемность квадрокоптера составляет 200 кг. За один рейс он может перевозить в восемь раз больше, чем обычный FPV-дрон. Так что, снабженцы остались им очень довольны.

Третье направление использования нового дрона – это транспортировка людей. В качестве демонстрации возможностей беспилотника Минобороны показало кадры, на которых видно, как «Перун» переносит по воздуху бойца в полной экипировке. Помимо оперативной доставки в точку назначения десантных групп, российский квадрокоптер может эвакуировать раненых с поля боя.

Невзирая на отличные показатели, разработчики «Перуна» постоянно его совершенствуют. Проекты других компаний в этой области также развиваются очень интенсивно. В общем, как говорится, процесс пошел, творческая мысль заработала, и в ближайшее время в России наверняка появятся собственные конкурентоспособные беспилотные и пилотируемые гражданские мультикоптеры, способные перевозить пассажиров и грузы в воздушном пространстве наших городов.