Надувной планер из пленки

Почему ничего не слышно о проектах надувных крыльев? О чем-нибудь вроде Woopy, только полностью надувном

Множество людей разрабатывают компактные самолетики типа cri-cri, X-14d, как минимум несколько человек в нашей стране (и еще больше по всему миру) пытаются сделать ранцевый вертолет, а о таком казалось бы первом приходящем на ум варианте, как надувной планер/самолет, практически нет упоминаний?

В истории было несколько успешных попыток создать надувастик. И, пожалуй, самый лучший обзор этих попыток представлен на сайте http://bayourenaissanceman.blogspot.com/2008/06/weekend-wings-20-inflatable-aircraft.html. Это и знаменитые надувные самолеты Goodyear из прорезиненной ткани


И их британский аналог с движком 35 л.с.




В нашей стране тоже была аналогичная попытка создать надувной самолет из прорезиненной ткани, в печати известный как планер Гроховского. Единственная существующая в интернете фотография есть только в собранном виде:



В журнале Юный Техник за 1974 год, номер №10, есть статья про него и иллюстрация, немного раскрывающая технические подробности:


Но это все тяжелые "самолеты", а как насчет легких крыльев-планеров для одного человека? Хороший образец был построен Даниэлем Перкинсоном (см. например тут и тут). Аппарат с названием Reluctant Phoenix имел размах крыльев 9.5 м и весил всего 17.7 кг





Планер был сделан из нейлоновой ткани с полиуретановой пропиткой (по сути как парапланерный скайтекс, только потяжелее). Характерной особенностью была внутренняя структура с большим числом поперечных нервюр, примерно такая:




Сверху крыло было обтянуто еще одним слоем, что и создало такую гладкую поверхность, которая видна на фотографиях выше. Подобное внутреннее строение гораздо более жесткое на изгиб и кручение, а также лучше приближается к исходному профилю, чем состоящее из труб как планер Гроховского. К сожалению, Reluctant Phoenix изначально был спроектирован как мускулолет, то есть пропеллер вращался от велосипедных педалей. Естественно, с таким маленьким удлинением полеты за счет мускульной силы были невозможны (мало мощности), поэтому он мог максимум подпрыгивать с разгона, не более. Хотя пишут что иногда удавалось немного пролететь на экранном эффекте, самый длинный полет был примерно 128 метров на высоте 0.5 метра.

В последствии на базе структуры Reluctant Phoenix Фредериком То был создан настоящий надувной мускулолет Phoenix. Здесь лежит замечательная PDF с подробным описанием конструкции и истории создания: http://www.raes.org.uk/cms/uploaded/files/SG_HPAG_phoenix.pdf. Планер имел размах крыльев 30 метров с хордой 5 м и весил 38.5 кг.





Этот мускулолет хоть и не очень хорошо, но все таки летал за счет мускульной силы. Внутри крыла из-за большого объема находился сжатый воздух общей массой под 90 кг! То есть в два раза тяжелее, чем вся конструкция. А его нужно разгонять вместе с крылом и тратить энергию. Так что для мускулолета надувной планер не очень годится, хоть он дешевый и транпортабельный в сложенном виде.

На самом деле аппарат был не совсем надувной, вдоль крыла проходили тонкие полоски фанеры для поддержания такого гигантского размаха и для лучшего соответствия обтянутой сверху пленки теоретическому профилю (их добавили по результатам продувки в аэродинамической трубе, изначально было без полосок).

Главным достижением этого аппарата (кроме того что это первый и единственный летающий надувной мускулолет) было использование вместо ткани тонкой полиэфирной пленки Melinex. Это по сути известный парапланеристам Mylar Wink, он же лавсан, он же дакрон, полиэфир, полиэстер, ПЭТ, ПЭТФ, PET, он же Полиэтилентерефталат. Просто разные названия и торговые марки, обозначающие одну полимерную группу, в синтетических тканях, пленках и шнурах так часто бывает.

Это самая крепкая и тонкая пленка из существующих. Бывает толщиной от 8 мкм (8-10 г/м2) и до 300-400 мкм и выше. Но в нашем случае интерес представляют 35-100 мкм (35-100 г/м2). К примеру, в пленку 250 мкм ламинируют водительские права, а цветы оборачивают в примерно 35-75 мкм. Тонкую лавсановую пленку используют моделисты для обтягивания моделей самолетов. В истории были случаи использования ее также для обтягивания крыльев самолетов, а также дельтапланов (2,3). Был также случай использования пленки для создания прозрачного параплана (2), показанного на одном из Кубков Икара. Правда пишут, что он тяжело выводился, видимо для перестраховки использовали плотную толстую пленку. В любом случае нет сомнений, что пленка ПЭТ способна выдерживать удельную нагрузку, необходимую для полета.

К сожалению, лавсановая пленка не сваривается и почти ничем не склеивается, кроме разве что клея 88 (спорно) и БФ-2. Сшивать ее нельзя, так как она боится проколов и концентраторов напряжения, обладая огромной прочностью в целом виде, по надрезу рвется очень легко. Поэтому сшивание как в резиновых лодках и проклейка сверху скотчем для герметичности не годится.

Но в последние годы начали появляться двух и более слойные термосвариваемые пленки, получаемые либо соэкструзией (выдавливанием через две рядом расположенные щели массы двух разных полимеров на вращающийся ролик, где оба слоя соприкасаются и свариваются, так как еще находятся в пластичном состоянии), либо ламинацией уже готовых слоев с помощью очень тонкого клеевого слоя (2-4 мкм, то есть 1-2 г/м2) из полимера с хорошей адгезией. К примеру используемые в типографиях пленки для ламинации бумаги часто имеют слой ПЭТ 12 либо 20 мкм и слой полиэтилена (PE) 45-75 мкм. В итоге получается двухслойная пленка 65 мкм (20+45). Где слой полиэтилена используется для сварки, а слой ПЭТ для прочности. Для наших целей вполне годится. Даже имея пленку 100 мкм, масса надувного крыла размером с дельтаплан будет весит 4-5 кг, что легче большинства парапланов.

Цена лавсановой пленки около 8-15 рублей за квадратный метр. То есть все крыло будет стоить 500-750 рублей. Плюс несколько коротких строп для подвеса. Даже если его будет хватать только на один сезон (самолеты с пленкой летают по несколько лет, но для перестраховки пусть будет один сезон), это не проблема, так как заменить придется только купол, а стропы и прочую обвязку можно снять с предыдущего аппарата. Технологически изготовление крыла с нервюрами вдоль размаха (см. картинки выше) может быть намного проще, чем пошив параплана. А обтянутая сверху тонкая "кожа" из пленки в 10-15 мкм делает профиль крыла очень гладким. Современные жесткокрылы имеют реальное аэродинамической качество около 19 единиц. А лучшие дельтапланы около 16 единиц. Учитывая, что из пленки надувное крыло можно сделать по форме как у жесткокрыла (лучше аэродинамика), а не треугольное как у дельтаплана, натянутое на каркас, то можно ожидать от надувного крыла с такой конструкцией качество тоже около 16-18 единиц. Кроме того, планер с таким замечательным качестом позволил бы использовать для полета легкие маломощные движки 7-10 л.с. (или что еще лучше электрические с экономией на аккумуляторах).

По грубым прикидкам, если накачать такое крыло до давления 0.7 атм, то его жесткости будет достаточно, чтобы выдерживать вес пилота, подвешенный за одну центральную точку (как на дельтаплане). Что и подтверждается на существующих аппаратах, см. например http://www.prospective-concepts.ch/html/site_en.htm, там тоже в надувных самолетах везде 0.7 bar. Немного о расчетах надувных крыльев и другие примеры есть здесь: Inflatable Structures for Deployable Wings.pdf. Есть также много книжек по теории оболочек, которые позволяют все точно рассчитать, но там аналитическая абстрактная теория, то есть с производными и интегралами, которые не будучи академиком сложно применить на практике к существующей конструкции.

Еще немного цифр: современные баллонные кайты накачиваются до давления 6-8 PSI (это 0.4-0.54 атм). Это с полиуретановыми баллонами (хорошие, но сильно растягиваются, поэтому они заключены в чехол из жесткой ткани, который держит форму). Некоторые из новинок крайних лет даже до 12 PSI (0.8 атм, этого уже достаточно, если бы крыло было целиком надувным, а не только баллон в передней кромке!). Заклеенная обычным скотчем лавсановая пленка тоже держит давление до 1 атм, это из того что я пробовал. Но скотчем как-то ненадежно, со временем он имхо отклеится. Особенно если попадет влага. Лучше поэкспериментировать со сваренными швами на двухслойной ПЭТ/ПЕ. По крайней мере швы на продуктовых пакетиках из лавсановой пленки, ламинированной полиэтиленом (кетчупы, молоко и прочее) очень крепкие. За исключением разумеется технологии с целью чтобы легко открывались (специальные присадки между слоями). Так что конструкция по давлению выглядит жизнеспособной. Тем более что существую пленки разной толщины.

Добавив пару растяжек (как боковые тросы на дельтаплане), можно существенно улучшить жесткость крыла. А варьируя высоту подвеса (1.5 метра как на дельтаплане, 3-5 метров и т.д.) можно снизить требования к давлению внутри крыла. В случае прокола, думаю, времени на открытие запаски будет не меньше, чем на параплане. Ведь спустившее крыло сложится над головой как крылья бабочки, возможно с последующим вращением, и начнется вертикальное парашютирование пока совсем не сдуются. На это уйдет как минимум несколько секунд.

Да, забыл рассказать про Prospective-Concepts, которая похоже то ли продалась, то ли является частью большого концерна Festo. Это наверно самые последние и современные разработки по надувным крыльям. Но никаких подробностей не сообщают, кроме используемого в крыльях внутреннего давления 0.7 атм. На сайте есть несколько фотографий самолетов с надувными крыльями





Они же делали для Ива Руссо раскладные надувные крылья:




В крайнем случае, что-то вроде BEDE Wing, но естественно с меньшей высотой подвеса (у этого купола внутри гелий, тоже своего рода надувное крыло):



Да, если кто заинтересуется, то самая прочная пленка из лавсановых - двуосно ориентированная БОПЭТ (после экструзии растянутая по двум направлениям). Похуже ориентированная только в одном направлении ОПЭТ. Самая худшая неориентированная (застывшая на валике как есть, без растягивания). Также не нужно путать с лавсановой полипропиленовую пленку. Она тоже бывает двуосно ориентированной БОПП или одноосно либо неориентированной CAST. В полипропиленовую пленку часто заворачивают цветы, это тоже жесткая прочная блестящая пленка. Вообще, она во многом своими свойствами похожа на лавсановую, но хуже по прочности. Двухосно ориентированная (самая крепкая из полипропиленовых) тоже, кстати, не сваривается. А неориентированная CAST ближе к мягкому полиэтилену, чем к лавсану. Кроме того, пленки полученные соэкструзией считаются более прочными, чем ламинированием.