Патент США № 1 394 450

Патент США № 1 394 450 — это охранный документ, выданный Патентным ведомством США (USPTO) 18 октября 1921 года на изобретение, озаглавленное «Способ и устройство для управления самолётом» (Method and Apparatus for Controlling Aircraft). Автором патента является американский изобретатель и инженер Элмер Амброуз Сперри (Elmer Ambrose Sperry), основатель компании Sperry Corporation. Данный патент считается одним из ключевых в истории авиации, так как в нём впервые был детально описан принцип работы гироскопического автопилота — устройства, позволяющего автоматически стабилизировать полёт летательного аппарата без постоянного вмешательства пилота.

История создания

Предпосылки

К началу XX века авиация переживала бурное развитие, однако управление самолётом оставалось исключительно сложной задачей. Пилоту приходилось непрерывно корректировать положение машины в трёх плоскостях (тангаж, крен, рыскание), что приводило к быстрому утомлению и ограничивало дальность и продолжительность полётов. Особенно остро эта проблема стояла при полётах в условиях плохой видимости, ночью или в облаках, когда визуальный контроль за горизонтом был невозможен.

Элмер Сперри, уже известный к тому времени своими работами в области гироскопических приборов (в частности, гирокомпаса для морского флота), заинтересовался возможностью применения гироскопа для стабилизации летательных аппаратов. В 1910-х годах он совместно с сыном Лоуренсом Сперри провёл серию экспериментов, в ходе которых были созданы первые прототипы автоматических стабилизаторов.

Разработка и подача заявки

Заявка на патент была подана Элмером Сперри в Патентное ведомство США 28 июля 1916 года. В описании изобретения подробно излагалась конструкция, основанная на использовании трёх гироскопов, каждый из которых отвечал за стабилизацию по одной из осей. Гироскопы, вращающиеся с высокой скоростью, обладают свойством сохранять ориентацию своей оси в пространстве (гироскопическая стабильность). При отклонении самолёта от заданного положения гироскоп вырабатывал сигнал, который через сервомеханизмы (пневматические или электрические) воздействовал на рули высоты, направления и элероны, возвращая машину в исходное положение.

Рассмотрение заявки заняло более пяти лет, что было связано с необходимостью доработки документации и проведения дополнительных испытаний. Патент был выдан 18 октября 1921 года под номером 1 394 450.

Устройство и принцип действия

Основные компоненты

Согласно описанию патента, устройство включало в себя три ключевых элемента:

1. Гироскопический датчик — массивный ротор, вращающийся в карданном подвесе. Для каждого канала управления (крен, тангаж, рыскание) предусматривался отдельный гироскоп.
2. Сервомеханизм — устройство, преобразующее слабый сигнал от гироскопа в механическое усилие, достаточное для перемещения рулевых поверхностей. В ранних версиях использовались пневматические сервоприводы, работающие от сжатого воздуха.
3. Исполнительные органы — тяги и тросы, соединяющие сервомеханизм с рулями самолёта.

Принцип работы

Принцип действия основывался на свойстве гироскопа сопротивляться изменению ориентации своей оси в пространстве. Если самолёт начинал, например, крениться на правое крыло, связанный с ним гироскоп оставался в прежнем положении относительно земли. Возникающее относительное смещение между корпусом самолёта и осью гироскопа регистрировалось специальным контактом или клапаном, который открывал доступ сжатого воздуха к сервомотору. Сервомотор, в свою очередь, отклонял элерон на противоположном крыле, создавая восстанавливающий момент. Как только самолёт возвращался в горизонтальное положение, сигнал прекращался, и рули возвращались в нейтраль.

Аналогично работали системы стабилизации по тангажу (продольная ось) и рысканию (вертикальная ось). Для задания курса полёта использовался дополнительный механизм, позволяющий «задать» гироскопу определённое направление.

Значение и влияние

Первый в мире автопилот

Патент № 1 394 450 считается первым в мире полным описанием автопилота, пригодного для практического использования. Хотя отдельные попытки автоматизации управления самолётом предпринимались и ранее (например, в России инженер Г. А. Ботезат в 1914 году предложил конструкцию стабилизатора), именно система Сперри была реализована в металле и прошла лётные испытания.

Практическая реализация

Уже в 1914 году, за два года до подачи заявки, Лоуренс Сперри демонстрировал прототип автопилота на конкурсе безопасности полётов во Франции. Самолёт, оснащённый системой, совершал полёты с поднятыми руками пилота, что наглядно доказывало работоспособность устройства. В 1920-х годах автопилоты Сперри начали устанавливаться на почтовые и пассажирские самолёты, что позволило значительно увеличить продолжительность и безопасность полётов, особенно в ночное время и при плохой погоде.

Влияние на развитие авиации

Изобретение Сперри заложило основы современной автоматики летательных аппаратов. Последующие поколения автопилотов, от электромеханических до современных цифровых систем управления (fly-by-wire), базируются на тех же принципах, что и описанные в патенте 1921 года. Без автопилота стали бы невозможны трансатлантические перелёты, полёты на сверхзвуковых скоростях и современная коммерческая авиация, где пилоты выступают скорее в роли операторов, контролирующих работу автоматики.

Интересные факты

• Элмер Сперри получил более 350 патентов на различные изобретения, включая дуговую лампу, электролитический щелочной аккумулятор и гирокомпас. Патент на автопилот стал одним из его самых известных.
• Первоначально автопилот назывался «механическим штурманом» или «гироскопическим пилотом». Термин «автопилот» вошёл в обиход позже.
• В патенте № 1 394 450 описывалась также возможность использования автопилота для автоматической посадки, однако на практике эта функция была реализована лишь спустя несколько десятилетий.
• В 1916 году, в год подачи заявки, Сперри основал компанию Sperry Gyroscope Company, которая впоследствии стала одним из ведущих производителей авиационного и навигационного оборудования в мире.

Источники

• Патент США № 1 394 450, выданный 18 октября 1921 года, заявитель Элмер А. Сперри.
• Hughes, Thomas P. Elmer Sperry: Inventor and Engineer. Johns Hopkins University Press, 1971.
• Hallion, Richard P. Taking Flight: Inventing the Aerial Age, from Antiquity through the First World War. Oxford University Press, 2003.
• The Sperry Gyroscope Company: A History. Sperry Gyroscope Company, 1950.