Как мы все знаем из культовой кинотрилогии «Назад в будущее», в этом году мы должны очень необычно одеваться, летать на автомобилях, заправляемых мусором, смотреть в голографических кинотеатрах «Челюсти 19». И главное — не забудьте сменить скейтборды на ховерборды, парящие в нескольких сантиметрах над полом!
Ховерборд своими руками: строим макет левитирующей доски
Дмитрий Горячкин

Сложно сказать насчет остального, но вот ховерборд — парящая доска — похоже, в этом году действительно поступит в продажу: осенью стартап Hendo представил публике прототип настоящего магнитного ховерборда. Увы, летать он умеет только над толстыми медными листами, причем заряда аккумуляторов хватает лишь на несколько минут. Но и этого достаточно, чтобы почувствовать себя Марти Макфлаем!

Защита от землетрясений

Летающая доска оказалась побочным продуктом вполне серьезного проекта. Ее создатель Грег Хендерсон на протяжении двадцати лет работал над системой сейсмической защиты зданий. Сейсмические волны различных типов способны разрушить здание при землетрясении, и один из основных методов сейсмозащиты — это тем или иным способом изолировать здание от фундамента. В идеале, как предположил Хендерсон, — заставить здание левитировать в нескольких сантиметрах от земли: при угрозе землетрясения специальное устройство должно поднять все здание в воздух! Увы, идея оказалась слишком масштабной для практической реализации. А вот создать устройство, способное поднять над полом одного человека, оказалось изобретателю вполне по силам.

Описание летающего устройства, опубликованное в интернете, весьма расплывчато: некие дискообразные магнитные «ховер-двигатели» индуцируют в проводящем полу отталкивающее магнитное поле. Дополнительные комментарии разработчиков ясности не вносят: там магниты, которые создают поле только на одной своей стороне, объединены с другими магнитными полями для фокусирования их силы… Однако, применив свои знания в области электромагнетизма, «Популярная механика» все же сумела выжать из этого туманного описания устройство ховерборда Hendo.

Простой макет ховерборда

Роторы на фрезерованной из стеклотекстолита основе приводятся в движение небольшими коллекторными двигателями недорогого квадрокоптера через его штатный редуктор.
Вместо цилиндрической сборки Халбаха, выполнить которую не так-то просто, мы расположили обычные дисковые магниты переменно то северным, то южным полюсом в сторону пола. По восемь дисков диаметром 20 мм на каждый ротор. Такое решение тоже создает сильно неоднородное поле, хоть оно и вдвое слабее, чем в случае с полноценной сборкой Халбаха.

На вихрях поля

Поняв, что в ховерборде применяется сборка Халбаха, легко разобраться и в устройстве дискообразного магнитного ховер-двигателя. Сборка Халбаха может быть как линией, так и замкнутым кольцом. Если это кольцо начать вращать вокруг его оси, то с одной стороны от него будет не только очень сильное, но и непрерывно меняющееся во времени поле. А переменное магнитное поле наводит в проводниках вихревые электрические токи, рождающие собственное поле, которое и будет отталкивать наше кольцо, создавая подъемную силу. При быстром вращении и высокой проводимости магниты в кольце как бы будут «видеть» свое отражение, и, соответственно, сила отталкивания от проводника будет равна силе отталкивания двух одинаковых магнитных сборок, направленных друг к другу одноименными полюсами. Это теоретический предел, на практике сила оказывается несколько меньше из-за потерь на сопротивление проводника.

Конечно, переменное магнитное поле можно создать и проще: подать переменный ток на магнитную катушку. В технических вузах на лекциях демонстрируют такой опыт: магнитную катушку кладут на толстый металлический лист, а затем включают в розетку — катушка немедленно взлетает. На нее даже можно положить солидный груз, она все равно будет висеть в воздухе. Но показывают этот опыт весьма недолго, иначе катушка просто сгорит… Потери энергии на сопротивление длинного провода катушки, способной создать огромное поле, необходимое для подъема человека, были бы абсолютно несовместимыми с автономным питанием ховерборда. Конечно, вращающаяся магнитная сборка тоже не идеальна, но потерями энергии в подшипниках можно вообще пренебречь, а КПД современных электродвигателей превышает 90%.

Сборка Халбаха

Фото
Не существует магнитов, которые создавали бы магнитное поле только с одной стороны от себя. Однако существуют так называемые магнитные сборки Халбаха. В них один за другим стоят магниты с полем, направленным вниз, направо, вверх, налево, снова вниз и т.?д. Такая конфигурация постоянных магнитов создает с одной стороны от себя поле, многократно превышающее поле с другой. Происходит своего рода «фокусировка поля» с одной стороны сборки. Причем это сфокусированное поле оказывается сильно неоднородным в пространстве: если двигаться вдоль сборки, то оно будет направлено то вниз, то налево, то вверх, то направо и т.?д.

Магниты вместо пропеллеров

Впрочем, описанное выше — это лишь наши догадки. Полетит ли такая конструкция в реальности? Чтобы проверить наше предположение на практике, редакция решила изготовить свой небольшой действующий макет ховерборда. За его основу мы взяли недорогой квадрокоптер, заменив его винты на магнитные роторы. Более того, возникла мысль, что квадрокоптер после такой переделки сохранит управляемость: если роторы спереди замедлить, а сзади ускорить, то конструкция наклонится вперед и, по идее, вперед же полетит. Аналогично и с движением в других направлениях. А замедляя роторы, вращающиеся в одну сторону, одновременно ускоряя вращающиеся в противоположную, можно заставить макет поворачиваться вокруг вертикальной оси. У доски Hendo такой возможности нет, и ее даже не планируют в будущем!

Наверняка у многих читателей сразу возник вопрос: а зачем делать ховерборд магнитным, почему бы не сделать доску-квадрокоптер и летать над любой поверхностью на любой высоте? Все дело в том, что подъемная сила даже у идеального винта пропорциональна лишь квадратному корню из мощности. Если на подъем 70-граммового квадрокоптера тратится 10 Вт мощности, то для человека весом 70 кг потребуется уже 10 МВт! Даже если бы у нас была такая мощность, ни один винт не выдержал бы такой нагрузки. А если бы и выдержал, скорость движения лопастей оказалась бы гиперзвуковой, вся мощность уходила бы не на создание тяги, а на ионизацию воздуха. Как же тогда летают вертолеты? Очень просто: у идеального винта при неизменной мощности подъемная сила прямо пропорциональна диаметру. Именно огромный диаметр винтов позволяет вертолетам летать при приемлемой мощности двигателей. Конечно, для подъема одного человека потребовались бы винты не столь большого размера, как у полноценных вертолетов, но их диаметр все равно должен быть порядка метров. Представляете себе ховерборд с четырьмя винтами метрового диаметра? Это уже было бы что угодно, но не ховерборд. Магнитная же система позволяет получить высокую подъемную силу при относительно небольшой мощности и, главное, при малом диаметре роторов — как раз то, что нужно.

Технические тонкости

Надо отметить, что свой макет мы решили упростить: вместо цилиндрической сборки Халбаха, выполнить которую не так-то легко из-за необходимости использовать нестандартные магниты в форме трапеции и противостоять их взаимному отталкиванию, мы расположили обычные дисковые магниты переменно то северным, то южным полюсом в сторону пола. По восемь дисков диаметром 20 мм на каждый ротор. Такое решение тоже создает сильно неоднородное поле, хоть оно и вдвое слабее, чем в случае с полноценной сборкой Халбаха.

Магниты надо как-то соединить вместе и насадить на ось. Нужна некая основа, но первая попытка изготовить ее оказалась предельно печальной. Поначалу показалось хорошей идеей напечатать основу на 3D-принтере из легкого ABS-пластика, ведь тут нужен минимальный вес. Но такая конструкция при высоких оборотах буквально взорвалась (к счастью, обошлось без травм и разрушений). Поэтому роторы должны быть не только легкими, но и весьма прочными, чтобы выдерживать огромные центробежные силы. В итоге в качестве материала был использован стеклотекстолит.

Ограничения

Другой серьезной проблемой стали вибрации: даже небольшая несимметричность и несбалансированность роторов приводит к тому, что устройство во время работы буквально разваливается на части: моторы просто срываются с креплений и вместе с роторами улетают в произвольном направлении. Пришлось заказывать фрезеровку основы роторов на станке с ЧПУ. Впрочем, даже это не обеспечило идеальной центровки, вибрации остались значительными, но конструкция не разваливалась на части. По всей видимости, и в Hendo столкнулись с такой проблемой, об этом говорит гул, который слышен на видеозаписях работы их парящей доски.

Кроме того, вместо плиты из меди мы использовали алюминиево-магниевый сплав, проводимость которого заметно меньше. А проводимость здесь весьма важна: как читатели уже могли прочесть в «ПМ» №?11'2014, над сверхпроводниками магниты летают, вовсе не потребляя энергии. Чем меньше проводимость — тем больше мощности потребуется вложить для той же подъемной силы. Так что наш макет заведомо должен был оказаться не слишком эффективным.

Наконец, каждый ротор, несмотря на применение магнитов толщиной всего 3 мм, оказался почти в полтора раза тяжелее всего исходного квадрокоптера в сборе! На такие нагрузки его двигатели никак рассчитаны не были. Пришлось побороться с электронными ограничителями: слишком умная система управления считала, что вращение двигателей чем-то заблокировано, и отключала их раньше, чем роторы вообще успевали начать вращаться. Но, увы, это оказалось возможным только вдали от нашей алюминиевой пластины, рядом с ней мощности двигателей хватало лишь на десяток оборотов в минуту, ни о каком полете при этом не могло быть и речи.

И все-таки… она летает!

Тем не менее нам удалось заставить эту конструкцию летать! Пусть всего на несколько секунд. Плавно, чтобы не перегружать двигатели, раскрутив роторы до максимальных оборотов вдалеке от металлической плиты, мы просто бросали наш ховерборд на нее. Инерция роторов поддерживала их обороты, обеспечивая нужную подъемную силу. Принципиальная работоспособность такой схемы левитации экспериментально подтвердилась. Увы, сказать что-то определенное относительно идеи управления полетом мы пока не можем: для экспериментальной проверки полет должен длиться куда дольше.

Что нужно изменить для этого? Во‑первых, конечно, двигатели. Они должны быть раз в десять мощнее, и желательно, чтобы это были более эффективные бесколлекторные движки. Разумеется, одновременно и аккумулятор нужно заменить на более мощный. Не помешает все-таки соорудить полноценную сборку Халбаха и найти толстый медный лист.

Как заявляют руководители Hendo, показанный публике ховерборд — это 18-й прототип. Так что, видимо, и у Грега Хендерсона доска взлетела далеко не сразу. Но теперь, вооружившись их и нашим опытом, целеустремленные читатели вполне могут попробовать создать свою летающую доску или хотя бы ее действующий макет. В конце концов, события фильма происходят в октябре 2015 года. Чтобы довести конструкцию до ума, у нас и у вас еще есть целых полгода.

Левитация на всем готовеньком

Фото
Hendo, кроме полномасштабного ховерборда, предлагает заказать у них the Whitebox — небольшую и относительно недорогую коробку, также летающую над проводящей поверхностью, хотя и неспособную поднять большой вес. По задумке компании, это устройство может стать основой для множества самоделок. Нужно просто установить коробку внутрь какого-либо корпуса.

Статья «Назад в будущее» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2015).