Летающий ранец «Himmelstürmer» (1944-1945)

«Himmelstürmer» («Небесный штурмовик») — летающий ранец, позволявший бы саперам и пехотинцам преодолевать небольшие водные преграды, минные поля, колючую проволоку и другие препятствия. Полет представлял бы собой «прыжки» на 50-70 метров. Устройство не должно было стать индивидуальной летающей машиной для достижения значительной высоты или совершения продолжительного воздушного путешествия, и потому нуждалось лишь в подходящей для короткого прыжка легкой силовой установке.

Идеальным решением для «Небесного штурмовика» казался пульсирующий ВРД Шмидта, нуждавшийся в некоторой адаптации и снабжении отдельным резервуаром для топлива и системой принудительной подачи кислорода к двигателю. Этот ПуВРД, запатентованный Паулем Шмидтом еще в 1931-ом, не стоит путать с мощной движительной системой, разработанной им совместно с Аргусом для применения в летающих бомбах Фау-1.

Фактически, двигатель «Himmelstürmer» был двумя реактивными трубками — одна для крепления на спине (собственно для полета), а вторая, меньшая размерами и мощностью, снабжалась двумя ручками для управления движением. Топливо зажигалось одновременно в обеих трубках, расходуясь по 100 г в секунду. Длительность полета была минимальной, ПуВРД отключались немедленно после приземления.

1.jpg

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Аргуса-Шмидта, устанавливавшийся на ракете Фау-1

 2.jpg

Немецкая пехота с ранцами «Himmelstürmer» пролетает над минным полем

Устройство испытывалось в сухопутных войсках Вермахта в конце 1944, но и к концу войны из экспериментальной фазы проект не вышел. Один из «Небесных штурмовиков» вывезли в США и передали Беллу для изучения (американские пилоты-испытатели прыгать с «Himmelstürmer» отказывались). Ученый в безопасности эксплуатации летающего ранца также усомнился, но в 1958 занялся конструированием своего «Jump belt» («Прыгательный пояс») в рамках проекта «Кузнечик». Аппарат Белла, работавший на азоте, был признан непрактичным, и проект заморозили.

3.jpg

После неудачи с «Кузнечиком» (1958-59 гг), Белл нанял Уэнделла Мура, разработавшего в 1960-ом свой знаменитый «Ракетный пояс». В воздухе человек с летающим ранцем мог проводить до 20 секунд. В отличие от ПуВРД Шмидта, в двигателе устройства Мура происходила химическая реакция с образованием пара и повышением давления и температуры в камере «пояса» (до 1375 град. по Фаренгейту). Пар под высоким давлением выбрасывался через две изогнутые трубки, создавая тягу около 300 фунтов, достаточную для непродолжительного прыжка. Оператору требовался полетный жаропрочный костюм.

4.jpg

«Кузнечик» на полигонных испытаниях

Пользователям немецких летающих ранцев дополнительная защита не полагалась, разве что чехлы из огнеупорного пластика на топливных бутылях. Важнейшими для «Himmelstürmer», предназначавшимся для использования саперами и пехотой в экстремальных боевых условиях, считались минимализм конструкции и легкость эксплуатации. Испытателей проинструктировали начинать тесты с коротеньких прыжков, постепенно доводя дальность до 50 метров максимум. Некоторые пехотинцы-«пилоты» прыгали и на 70.

5.jpg

Одно из первых испытаний «Ракетного пояса» Мура

6.jpg

Запатентованный Уэнделлом Муром в 1960-ом летающий ранец

Серийное производство «Himmelstürmer» не планировалось. Предполагалось использовать «Небесный штурмовик» в качестве спецоборудования при проведении ограниченного ряда операций.

Слухи о «Fliegende Sturmtruppen» («Летающих десантниках») распространялись, но о формировании подобных ударных подразделений Вермахт и не помышлял. Единственным практическим результатом германского проекта оказалось вдохновление Белла на создание «Прыгающего пояса».

7.jpg

Рисунок реально разрабатывавшейся модификации «Himmelstürmer» — «Einpersonnenfluggerät» («Индивидуальный летательный аппарат»)

8.jpg

Концептуальная модель солдата «ракетных подразделений» Вермахта от Glorbe's Customs

9.jpga10.png

Фантастические изображения «Летающих десантников». Дизайн «Himmelstümer» не столь изящен, зато реальный летающий ранец обходился без крыльев

Проект «Монокоптер» — индивидуальный летательный костюм Андреаса

Это, должно быть, один из амбициознейших индивидуальных проектов современности. Искренне восхищаюсь проделанной Андреасом Петцольдтом работой. Практически самолично Андреас произвел все расчеты, сконструировал и разработал дизайн устройства, описанного ниже. Отдав проекту десять лет жизни и немалые средства. Я благодарен Андреасу за разрешение поделиться фотографиями, полученными в ходе визита к изобретателю, со всеми заинтересованными в таких разработках людьми. Со временем, эта часть веб-страницы попадет на сайт Петцольдта (когда он решится его создать).

Итак, начнем. Андреас спроектировал и изготовил индивидуальный летательный костюм, аналогичный, в принципе, известному «Ракетному поясу» Белла, только с другой силовой установкой и системой управления. В «Ракетном поясе», создававшемся в конце 50/ начале 60-ых, было два ракетных двигателя на однокомпонентном жидком топливе (перекиси водорода). Решением Петцольдта стала газовая турбина, вращающая мощный вентилятор, перемещающий большие массы воздуха. Воздух проталкивается через четыре сопла, создавая тягу, достаточную для подъема в воздух и управления устройством. Длительность полета должна быть многим больше тридцатисекундного максимума «Ракетного пояса». Предварительные расчеты Андреаса дают порядка 20 минут на одну полную заправку. Петцольдт решил осилить постройку самостоятельно и лично изготовить даже газотурбинный двигатель (ГТД). Да и не были столь доступны подобные моторы, когда конструктор задумывал свой проект. Ротор он взял он большого турбонагнетателя компании «ККК». А теперь несколько фото:

a11.jpg

Это и есть «Монокоптер», только без ГТД, все еще находящегося на испытательном стенде. Информация по двигателю приведена ниже. Пилот пристегивается между большими фронтальными соплами ножными и крестообразным грудным ремнями. В руках у него «джойстики» управления, предназначенные для маневрирования устройством. Со временем Андреас заменит кустарные рукоятки профессиональными. Конечно, нужна и контрольная панель (управление ГТД, датчики количества об/мин №1 и №2, температуры выходящих газов, давления масла, температуры масла, уровня топлива, (возможно) коэффициента давления ротора...). Воздуховод полностью изготовлен из листового углеродного волокна. Этот же ламинат покрывает все стыки и крепления для максимального усиления конструкции. Пропеллер диаметром 60 см располагается позади головы пилота под углом 45 градусов к вертикальной оси.

a12.jpg

Так «Монокоптер» выглядит спереди. Большое металлическое кольцо вокруг обшивки ротора выполняет защитную функцию. После окончательной сборки устройство будет достаточно тяжелым (около 120 кг). Часть деталей, возможно, потребуется заменить более легковесными аналогами. Вероятно Андреас поставит стойки с колесами для облегчения перемещения «Монокоптера» по земле. Подставка, использующаяся на данный момент, подходит лишь для облегчения сборки.

a13.jpg

На виде сбоку видно взаимное расположение передних и задних сопел. Электропроводка между ними — только для наземных испытаний системы управления. Выступающий со стороны пропеллера диск вращается вместе с ротором. Материал изготовления: также углеродное волокно.

a14.jpg

Пропеллер собран из отдельных лопастей, прикрепленных к металлической втулке. Каждая лопасть состоит из сердцевины, изготовленной из углеродно-волокнистых ровингов, растянутых в аксиальном направлении (для противодействия аксиальным нагрузкам), и внешней поверхности, для придания поперечной жесткости сделанной в виде «плетенки» из нитей углеродного волокна. Металлические детали изготовлены из высокопрочной стали на электроэрозионном станке с ЧПУ типа CNC. У внешнего периметра роторного кольца (материал: жаропрочный титановый сплав) находится турбина. Внутри дугообразного отверстия толщиной несколько дюймов, в нижней части бандажа рабочего колеса, видны три лопасти. Газогенератор будет крепиться между задними соплами под углом 45 градусов к вертикальной оси. Горячий газ будет подаваться к турбине по спиралевидной трубке из инконеля (жаростойкий никелевый сплав). Ее изготовлением Андреас сейчас и занимается. От турбины газ будет отводиться назад регулируемым диффузором, позволяющим постепенно отклонять поток газа влево/вправо. Таким образом, на диффузор будет возложена функция управления «Монокоптером», сравнимая с работой, выполняемой хвостовым винтом вертолета. Эти детали Петцольдту еще предстоит изготовить.

a15.jpg

Бандаж рабочего колеса турбины вблизи. Три лопасти предварительно прикреплены к титановому кольцу специально для этой цели изготовленными болтами из инконеля.

a16.jpg

Это один из сегментов турбины с лопастями. Лопасти сделаны из углеродистого композитного материала. Держатся они на конструкции из углеродного волокна с армирующей керамической решеткой. Покрытие также керамика, предохраняющая углеродосодержащий материал от окисления. По жаростойкости он не уступает материалу обшивки шаттла. Пока Андреас не вполне удовлетворен некоторыми характеристиками материала. В частности, его относительной хрупкостью и шероховатостью поверхности. Новые лопасти Петцольдт планирует сделать из более прочных инконеля или нимоника (оба жаростойкие никелевые сплавы).

a17.jpg

Это одно из передних сопел с приводным механизмом. Соединительное кольцо воздействует на все рычаги, открывающие клапаны сопла. Так как эта система работает превосходно, усовершенствовать в ней фактически нечего.

a18.jpg

Это вид на одно из передних сопел снизу. Сквозь него виден пропеллер. Ротор проталкивает воздух в разбитую на четыре секции камеру высокого давления. Из каждой секции воздух поступает в соответствующее сопло. Основная проблема: дифференцирование регулировок воздушных потоков, направленных в различные секции. Задача решается экспериментальным путем.

a19.jpg

Приводной механизм заднего сопла: вид вблизи. Поистине великолепная инженерная работа. Но кое-что в приводе мне не понравилось. Этот мощный серводвигатель может перемещать железобетонные блоки. Он надежен, конечно, чрезвычайно надежен, но, думается, для «Монокоптера» не совсем пригоден. Он слишком громоздок. Этого высококачественного «монстра» сегодня легко сменить на столь же мощный сервопривод, но гораздо меньших размеров и массы. Вот ключ к оптимизации конструкции «Монокоптера».

Электронную составляющую системы управления и некоторые другие элементы также можно поменять на более совершенные и надежные аналоги. Необходимы «летательному костюму» Петцольдта и стабилизаторы.

Хватит о конструкции «Монокоптера», взглянем на силовую установку

b20.jpg

Двигатель в полной сборке на испытательном стенде. Ориентация мотора в пространстве соответствует его положению после установки на «летательный костюм». Многослойная стальная обшивка состоит из нескольких больших трубообразных сегментов серого цвета. В способности корпуса пережить падение при аварии «Монокоптер» Андреас сомневается, но прочность его вполне достаточна. Окно в верхней части кожуха служит для доступа к стартовой и полетной топливным системам и системе зажигания. Петцольдту пришлось немного поработать над ротором от большого турбонагнетателя, чтобы состыковать его с конструкцией двигателя. Все механически чувствительные компоненты находятся в нижней части мотора и не перегреваются. Вес двигателя «Монокоптера» составляет всего (без корпуса) около 30 кг.

b21.jpg

На этой фотографии — испытательный стенд для турбины с выхлопной трубой, проходящей сквозь стену. На переднем плане Андреас держит одну из крыльчаток турбокомпрессора, использовавшуюся для расчета прочности. Крыльчатку Петцольд тестировал в MTU (Motoren und Turbinen Union), где убедился, что она выдержит расчетную скорость двигателя (65000 об/мин). В MTU деталь ускоряли до 75000 об/мин около 2000 раз и до 82000 об/мин несколько сотен раз. Андреаса результаты удовлетворили. На протяжении испытания, где я имел честь присутствовать, мы с Петцольдтом услышали странный шум, четко различавшийся на фоне рева разогнавшегося до тысяч шестидесяти об/мин двигателя. Источник шума выявить не удалось, с этим Андреасу еще придется разбираться. Возможно, дело в комбинации гидродинамического подшипника и шарикоподшипника, которую конструктор использовал в консольной подвеске.

b22.jpg

Здесь показан вид двигателя спереди. Вверху слева видна часть возбудителя зажигания. Вверху справа — всасывающее устройство компрессора. Почти в центре фотографии — три электромотора «Plettenberg». Самый левый из них — «Dino», очень мощный агрегат с полной мощностью 2,5 кВт. Он используется как пусковое устройство и связан со стартером сцеплением с зубчатым приводным ремнем. Центральный мотор приводит в действие топливный насос, а самый маленький (справа) — масляный насос. Под моторами — масляный бак. Масляно-топливная система, со всеми фильтрами, клапанами и прочим — личное достижение Петцольдта.

b23.jpg

Еще один вид двигателя спереди, в этот раз сфотографированный слева. Хорошо виден пусковой мотор с ременной передачей, а также переключатель давления масла непосредственно справа от него.

b24.jpg

Еще один общий вид передней части двигателя. Камера сгорания испарительного типа оснащена тремя горелками с предварительным подогревом топлива. Кольцеобразную жаровую трубу Андреас покупал у производителя. Модернизировать ее он не планирует — у Петцольдта есть собственноручно изготовленная, пока нуждающаяся в доработке. Корпус камеры сгорания — из листового титанового сплава. Андреас придал листам необходимую форму, сварил швы, подсоединил необходимые втулки. Вскоре он разберет двигатель, протестирует компоненты и заменит крыльчатку/главный вал на лично изготовленные.

b25.jpg

Вот фото крыльчаток компрессора и турбины. Их Андреас доводил и испытывал особо тщательно. Пришлось обрезать главный вал для получения размеров в месте, где рабочее колесо насаживалось на ось. Это было необходимо, поскольку вал Петцольдт планирует заменить на более подходящий «Монокоптеру», собственного производства.

b26.jpg

А вот панель управления двигателем. Здесь много тумблеров, отвечающих за разные функции. Возможности программирования нет. Это и будет моим вторым вкладом в проект — установка устройства задания последовательностей регулировки функций. Такая возможность облегчит эксплуатацию двигателя. Не то, чтобы у Петцольдта были проблемы с контролем функциональности силовой установки, но оператору «Летающего костюма» удобнее будет иметь дело с автоматикой, чем с ручным переключением множества тумблеров.

Вот видео с испытаниями газотурбинного двигателя Андреаса (2,3 МБ). Для просмотра нужен кодек DivX. http://www.technologie-entwicklung.de/Turbine_Test.avi

При включении двигателя Петцольдту приходится вручную запускать пусковое устройство, так как электромагнит, предназначенный для этой цели, немного слабоват — еще одна задача Андреаса ;-). Поначалу ГТД прогревается на 3000-5000 об/мин. На этой же скорости (после 18-ой секунды видеоролика), Петцольдт подает питание на систему зажигания и клапан испарительной горелки, что немедленно повышает скорость двигателя. Когда температура выходящих газов достигает 300°C (на 26-ой секунде), Андреас при помощи пропорционального клапана замеряет уровень топлива в основных горелках. По достижении 12000 об/мин обестачивается пусковое устройство. На 40000 об/мин (45 сек) обестачивается клапан топливной горелки, что моментально отражается на частоте вращения ротора. К сожалению, микрофон плохо передал звук работающего двигателя.

Легко догадаться, что грандиозный проект Петцольдта уже потребовал больших вложений, не говоря о тысячах затраченных Андреасом часом (расчеты, работа над дизайном, доводкой, сборкой, испытаниями...). Финансовые расходы конструктор несет сам. Лишь несколько незначительных компонентов были безвозмездно переданы изобретателю производителями турбокомпрессоров и газотурбинных двигателей. Неудивительно, что сегодня Петцольдт ищет спонсоров для проекта. Вероятно, до первых полетных испытаний «Монокоптера» пройдет не один год. Хоть на поверхности «Летательного костюма» для рекламных логотипов места немного, надеюсь, изобретение Андреаса внимание компаний к себе привлечет.

Кто хочет внести в проект «Монокоптер» посильный вклад, можете связаться с Андреасом (только на немецком): ing.petz(at)monocopter.de

b27.jpg

Новая система парашютирования, известная как «Gryphon», разработана компаниями ESG Elektroniksystem & Logistik GmbH и Dräger. «Грифон» позволяет парашютистам, десантникам и бойцам спецподразделений пролететь перед открытием парашюта некоторое расстояние на большой скорости. Таким образом, место выброски десанта может отделяться от места приземления многими милями.

В первую очередь «Gryphon» ориентирован на военный рынок. Военным привлекательна идея: десантники покидают самолет, практически бесшумно и незаметно для радаров пролетают до 40 км и приземляются в нужной точке.

Следующая цель инженеров ESG: усилить систему небольшим ТРД для повышения полетной дистанции до 200 км и возможности парашютирования с минимальных высот.

Согласно «Flight Global», дополнив «Грифон» кислородным баллоном/маской и термозащитным костюмом, можно прыгать с высоты 33000 футов. На 3000-5000 футах раскрывается парашют, а крыло опускается и висит на шнуре несколькими милями ниже парашютиста.

К уникальной системе ESG, уходящей корнями к немецкому летающему ранцу «Himmelstürmer» времен Второй мировой, проявили интерес армия Германии, Люфтваффе и USAF. Корни еще глубже: впервые (в 1933) ракетный ранец для полета-прыжка использовал немецкий каскадер, предварительно разгонявшийся на роликовых коньках.

b28.jpgb29.jpgc30.jpgc31.jpg