Суета вокруг ранца

В истории полетов человека было многое. И попытки прицепить крылья, потом воздушные шары, аэропланы, самолеты, дельтапланы. А что еще было? Реактивные ранцы. Начнем с Джеймса Бонда. Обычно в качестве транспортных средств Бонд использует вполне реальные прототипы. Пожалуй, самым экзотическим был реактивный ранец (джетпак), на котором Бонд летал в «Шаровой молнии». Бонд (в исполнении Шона Коннери) проникает во французский замок, где укрывается агент таинственной организации «SPECTRE». Бонд ликвидирует противника, затем удирает от охраны на крышу замка и улетает на заранее спрятанном ракетном ранце.  

В съёмках фильма было задействовано два ранца. Один, бутафорский, можно увидеть на Шоне Коннери в крупноплановых сценах. Второй был самым настоящим ранцем «Bell Rocket Belt» и летал вживую. Им управляли пилоты компании «Белл» — Билл Сьютор и Гордон Йегер. Тем не менее этот ранец был реально разработан компанией Bell Textron Laboratories по заказу Пентагона. В нем использовались неогневые реактивные двигатели, в которых сжатый под высоким давлением негорючий азот выбрасывался через сопла. Этого хватало, что бы лететь 30 секунд на высоте около 9 метров со скоростью 11-16 км/ч. Однако летающих американских солдат мы так и не увидели, а реактивный рюкзак можно было видеть на открытии Олимпиады в Лос-Анджелесе (1984).

  


В компьютерных 3D-экшенах джетпак (реактивный ранец) можно постоянно носить на себе, как и центнер другого барахла, и легко использовать в любой момент – ты будто продолжаешь идти, только у тебя появляются дополнительные степени свободы. 

Рассмотрим историю разработки и появления уникального летательного аппарата.

Реактивный ранец (или ракетный ранец; англ. jet pack, rocket pack, rocket belt и др.) — персональный летательный аппарат, носимый на спине, позволяющий человеку подниматься в воздух посредством реактивной тяги. Тяга создаётся за счёт выбрасываемой двигателем вертикально вниз реактивной струи.

Различают два основных типа реактивных ранцев:

ранец с ракетным двигателем (ракетный ранец, rocket pack или rocket belt).

  ранец с турбореактивным двигателем (собственно реактивный ранец, jet pack или jet belt);

Ракетные ранцы весьма просты по конструкции, поэтому именно они получили распространение. Классический ракетный ранец конструкции Венделла Мура может быть изготовлен в условиях частной мастерской, хотя для этого требуются хорошая инженерная подготовка и высокий уровень слесарного мастерства.

Главный недостаток ракетного ранца — малая продолжительность полёта (до 30 секунд) и большой расход дефицитного топлива — перекиси водорода. Эти обстоятельства ограничивают сферу применения ракетных ранцев весьма эффектными публичными демонстрационными полётами. Полёты на ракетных ранцах всегда захватывают внимание зрителей и имеют большой успех. Например, такой полёт был устроен в ходе торжественного открытия летних Олимпийских игр 1984 года в Лос-Анджелесе, США.

Ранцы с турбореактивным двигателем работают на традиционном керосине, имеют более высокий КПД, бо́льшую высоту и продолжительность полёта, но они сложны по конструкции и очень дороги.

Изготовить такой ранец в кустарных условиях невозможно. Самодельный ранец был изготовлен один действующий образец такого ранца, он прошёл лётные испытания в 1960-х годах и в настоящее время уже не летает. Но до сих пор ведутся разработки и изготавливаются опытные образцы.

История ракетного ранца

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 (раствор перманганата калия либо смесь метанола, гидразин-гидрата и воды). В камере сгорания 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 (Thomas Moore), придумал индивидуальный летательный аппарат, который он назвал «реактивным жилетом» (англ. «Jet Vest»). «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.

Устройство реактивного жилета Томаса Мура.

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» («Thiokol Corp.»), создали «прыжковый пояс» («Jump Belt»), которому они дали название «Кузнечик» (англ. Project Grasshopper). Тяга создавалась сжатым азотом высокого давления. На «поясе» были закреплены два небольших сопла, направленных вертикально вниз. Носитель «пояса» мог открывать 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.

Тем не менее, американские военные не утратили интереса к переносному летательному аппарату. Управление транспортных исследований армии США (U.S. Army Transportation Research Command, TRECOM) предполагало, что персональные реактивные аппараты могут найти самое разнообразное применение: для разведки, форсирования рек, высадки морских десантов, подъёма на крутые горные склоны, преодоления минных полей, тактического маневрирования и так далее. Концепция получила название «Малое ракетное подъёмное устройство» (Small Rocket Lift Device, SRLD).

Команда разработчиков SRLD с испытателем Дэвидом Стивенсоном

 Джетпак на открытии Олимпиады 1984 года.

В рамках этой концепции Управление в 1959 году заключило с компанией «Аэроджет» («Aerojet-General») 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» («Bell Aerosystems») 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.

  Ракетный ранец «Bell Rocket Belt». 

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. В испытательных «полётах» участвовал сам Венделл Мур и другие члены его группы. Первые полёты были больше похожи на короткие и резкие прыжки, но дальнейшие эксперименты оказались весьма успешными — в 1958 году на «сборке» удалось добиться стабильного полёта на высоте до 5 метров в течение трёх минут. Именно эти успехи впечатлили военных, предопределив выбор в пользу компании «Белл». Контракт с Управлением транспортных исследований предусматривал изготовление, полётные испытания и демонстрацию готового SRLD.

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. Двигательная установка крепилась шарнирно и управлялась подплечными рычагами. Тяга двигателя изменялась регулятором, соединённым с рукояткой на правом рычаге. Рукоятка на левом рычаге управляла отклоняемыми соплами (jetavators). Пилот был пристёгнут к корсету ремнями.

В ходе испытаний ранца Венделл Мура были достигнуты следующие максимальные показатели:

продолжительность полёта — 21 секунда;

дальность полёта — 120 метров;

высота — 10 метров;

скорость — 55 км/ч.

Гарольд Грэм с обслуживающей командой объездили многие города США, побывали в Канаде, Мексике, Аргентине, Германии, Франции и других странах, каждый раз с огромным успехом демонстрируя ракетный ранец в действии перед широкой публикой.

Армия же была разочарована. Максимальная продолжительность полёта ракетного ранца составляла 21 секунду, дальность 120 метров. При этом ранец сопровождала целая команда обслуживающего персонала. За один двадцатисекундный полет расходовалось до 5 галлонов (19 литров) дефицитной перекиси водорода. По мнению военных, «Bell Rocket Belt» был скорее эффектной игрушкой, нежели эффективным транспортным средством. Расходы армии по контракту с «Белл Аэросистемс» составили 150 000 долларов, ещё 50 000 долларов потратила сама «Белл». От дальнейшего финансирования программы SRLD военные отказались, контракт был закончен.

Устройство и принцип действия ракетного ранца

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 (сопло Лаваля), где сначала ускоряются, а затем расширяются, приобретая сверхзвуковую скорость и создавая реактивную тягу. Вся конструкция проста и надёжна, ракетный двигатель не имеет ни одной движущейся части.

Все существующие ракетные ранцы основаны на конструкции ранца «Bell Rocket Belt», разработанной в 1960—1969 годах Венделлом Муром. 

Особенности полётов на ракетном 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 предупреждающий об окончании топлива).

При работе ракетного двигателя сверхзвуковая реактивная струя издаёт оглушительно громкий звук (силой до 130 дБ), больше напоминающий пронзительный визг, чем рёв реактивного двигателя. Ракетный ранец — очень шумный летательный аппарат.

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. 

Современные версии ранца

В 1995 году конструкция ранца была усовершенствована. Трое инженеров из Техаса, Брэд Баркер, Джо Райт и Ларри Стэнли, пригласив профессионального изобретателя Дуга Малевики (Doug Malewicki), построили новую версию ракетного ранца, который они назвали «RB 2000 Rocket Belt». Ранец «RB 2000» в основном повторяет конструкцию Венделла Мура, но сделан из лёгких сплавов (титан, алюминий) и композитных материалов, имеет увеличенный запас топлива и повышенную мощность. В результате максимальная продолжительность полёта увеличена до 30 секунд.

Турбореактивный ранец (Bell Jet Flying Belt)

В 1965 году «Белл Аэросистемс» заключила новый контракт с военным агентством ARPA — на разработку ранца, который по полному праву назывался бы реактивным, — ранца с настоящим турбореактивным двигателем. Проект получил название «Jet Flying Belt», или просто «Jet Belt». Над проектом нового, турбореактивного ранца работали Венделл Мур и Джон Налберт (John K. Hulbert), специалист по газовым турбинам. Специально для нового ранца компания «Williams Research Corp.» по заказу «Белл» спроектировала и изготовила турбореактивный двигатель WR-19, с силой тяги 195 кгс и весом 31 кг. К 1969 году новый ранец был создан.

7 апреля 1969 года на аэродроме Ниагара Фоллз состоялся первый свободный полет турбореактивного ранца «Jet Belt». Пилот Роберт Куртер (Robert Courter) пролетел около 100 метров по кругу на высоте 7 метров, достигнув скорости 45 км/ч. Следующие полёты были более продолжительными, до 5 минут. Теоретически новый ранец мог находиться в воздухе до 25 минут и развивать скорость до 135 км/ч.

Несмотря на успешные испытания, армия снова не проявила заинтересованности. Ранец был сложным в обращении и слишком тяжёлым. Приземление пилота с таким грузом на плечах было небезопасным. Кроме того, при повреждении двигателя лопатки турбин могли разлетаться с высокими скоростями, угрожая жизни пилота.

Ранец «Bell Jet Flying Belt» так и остался экспериментальным образцом. 29 мая 1969 года Венделл Мур умер от болезни, и работы по турбореактивному ранцу были свёрнуты. Единственный экземпляр ранца «Белл» продала компании «Williams» вместе с патентами и технической документацией. Этот ранец в настоящее время находится в музее «Williams Research Corp.»

В 1991 году на экраны вышел Диснеевский фильм «Ракетчик». В котором главный герой летал на реактивном ранце.

Ещё одно знаменитое появление ранца произошло на открытии Летних Олимпийских игр в Лос-Анджелесе в 1984 году. Пилотировал ранец всё тот же Билл Сьютор, легендарная личность (всего на его счету свыше 1200 полётов — больше, чем у любого другого пилота по сей день). Билл взлетел из-за трибун, пролетел над рядами зрителей, которые от неожиданности прикрывали головы руками, и приземлился напротив президентской трибуны, где сидел Рональд Рейган. Полет наблюдали 100 000 зрителей на трибунах и около 2,5 миллиардов телезрителей по всему свету (кроме СССР, который бойкотировал Олимпиаду).

В 2001 году пилот Эрик Скотт заявил, что ему удалось подняться на ранце на высоту 46 метров. Однако подтверждения этому рекорду не последовало.

Ракетный ранец в наше время

В последние годы ракетный ранец становится популярен у энтузиастов, которые строят его своими силами. Конструкция ранца довольно проста, но секрет пригодного для полётов ранца заключается в двух ключевых узлах: газогенераторе и клапане-регуляторе тяги. Именно их когда-то доводил до ума Венделл Мур в ходе долгих испытаний.

Распространение ранцев сдерживается и дефицитом концентрированной перекиси водорода, которая уже не производится крупными химическими компаниями. Ракетчики-любители строят собственные установки по её производству методом электролиза.

Выход с положения нашел Реймонд Ли сконструировавший реактивный ранец, работающий на воде, а не на топливе. Инженеры считали что невозможно управлять массой воды и добиться стабильности в воздухе. Ли, тем не менее, вычислил, что если он прикрепит брандспойт к его рюкзаку и расположит двигатель и водный насос на отдельном судне, которое будет тащится за ним, он сможет значительно уменьшить вес и следовательно тягу, необходимую чтобы оставаться в полете. Теоретически жесткий брандспойт, наполненный тяжелой водой под давлением должен также добавлять стабильности реактивному ранцу и улучшить управление полетом вперед.

Было создано 4 прототипа и совершено более 200 полетов, прежде чем все стало на свои места. Теперь, с весом всего лишь 13,61 кг реактивный ранец Jetlev-Flyer почти готов к массовому производству. Реактивный ранец вырабатывает тягу 195,04 кг и позволяет Ли летать вперед со скоростью 35,41 км/ч на трех уровнях. Его следующая цель развить скорость 56,33 км/ч. Хотите себе один такой? В конце этого года реактивный ранец поступит в продажу, приготовьтесь выложить за него 130 тыс. долларов.

  На настоящий день в мире насчитывается не более 5 успешно летающих ракетных ранцев. За сорок с лишним лет со дня первого полёта Гарольда Грэма лишь одиннадцать человек (включая его самого) летали на ранце в свободном полёте (без страховочной привязи). 

Характеристики полета:

Полет подразумевает один взлет и одно приземление.

Обученный пилот может двигаться вперед, назад, в стороны, вверх и вниз, аналогично вертолету, но без опасных вращающихся лопастей.

Реактивный ранец извергает "супергорячий" поток, совершенно отсутствуют взрывы или огонь.

Пилоты могут приземлиться в точку с точностью до нескльких сантиметров, хотя это и зависит от квалификации пилота.

Взлет осуществляется буквально за секунду.

Пилоты могут летать в дождь.

  

Максимальная дистанция:

Во время тренировок пилоты пролетали около 400 метров.

Пилот может летать над землей, водой и строениями.

В основном, наиболее зрелищны выполнения пируетов, разворотов и ускорения до 35 миль в час (56 км/час).

Высота полета:

Обычно полеты проводятся на высоте от 20..30 м.

Наиболее реальный практический диапазон высот: от 6..100 м.

Проводились также полеты от одного здания к другому (взлет с одного, приземление на другое).

Время полета:

Максимальное время полета 30 секунд.

Обычно время полета от 24 до 27 секунд, а зависимости от мастерства пилота.

Скорость полета:

Максимальная скорость полета 120.7 км/час.

  Но обычно во время выполнения воздушных трюков скорость до 56 км/час.

Другие характеристики:

  Мощность: 800 л.с. (лошадиных сил).

Топливо: перекись водорода.

От автора.

 Я утром вышел на балкон. Опять пробки. Привычным движением надел рюкзак. Перемахнул через балкон и понесся над застрявшими в пробках машинах, автобусами. Через 7 минут я был уже в офисе...