Ювелирное обозрение

Впервые летающий скейтборд появился в фильмах Роберта Земекиса «Назад в будущее — 2» и «Назад в будущее — 3». По сюжету, это была доска, у которой вместо колес имелись 2 антигравитатора. Она парила над землей на высоте 7 см. В 2010-х гг. в качестве рабочих прототипов были сконструированы первые летающие доски.

Конструкция и принцип действия летающих скейтов

Первый действующий прототип летающего скейта был разработан и продемонстрирован Джейми Хайнеманом, одним из ведущих телепередачи «Разрушители легенд». Конструкция аппарата представляла собой судно на воздушной подушке, сделанное из доски для серфинга и насоса для уборки листьев. Эффективность аппарата была слабая.

Впоследствии несколько изобретателей пытались повторить эту конструкцию, внося в нее свои усовершенствования. Большинство получившихся изобретений были несамоходными и неуправляемыми.

Лишь одно изобретение Джейсона Бредбери могло передвигаться своим ходом и осуществлять повороты. Этот скейт был создан на основе 2 мощных насосов для уборки листьев и приводился в движение компактным реактивным двигателем.

В 2011 г. во Франции рабочая команда из сотрудников Парижского университета создала выставочный образец летающего скейтборда, который парил на высоте 3 см над магнитными рельсами. В конструкции использовались сверхпроводники, а полет достигался за счет эффекта Мейснера. Доска могла нести полезную нагрузку до 100 кг.

В 2014 г. американский изобретатель Фрэнк Сапата разработал летающую доску на основе 4 реактивных двигателей по 250 л.с. каждый. Площадки удерживались в горизонтальном положении при помощи комплекса гироскопов. Топливный бак с керосином привязывался к спине пилота. Управление происходило с помощью радиопульта, повороты осуществлялись наклоном корпуса влево или вправо. Садилось устройство на специальное шасси в виде 4 стоек, закрепленных под днищем скейта.

В 2015 г. автомобильная корпорация Lexus анонсировала первую коммерческую модель летающего скейта Lexus Hoverboard. Первый недостаток модели — на ней можно кататься только над металлической поверхностью — специально построенным роллердромом. Второй минус — аппарату необходима периодическая заправка жидким азотом для охлаждения сверхпроводников.

В конце 2015 г. американская компания ARCA представила летающую доску, оснащенную 36 подъемными и толкающими винтами. Устройство способно осуществлять полеты длительностью до 6 минут и нести 1 или нескольких человек общей массой не более 110 кг. Суммарная мощность всех использованных в нем двигателей — 272 л.с. Аппарат может не только парить над землей, но и перемещаться на расстояние до 1,5 км.

Обзор моделей и цены на них

Первая в мире летающая доска Hendo Hoverbord продавалась по цене более 10000 долларов за штуку. Аппарат был создан на основе 4 электромагнитов с переменно чередующимися полями. При парении над металлической поверхностью в ней индуцируется вихревой ток. Магнитное поле этого тока, в свою очередь, отталкивает скейт от поверхности. Так устройство удалось заставить парить на высоте 2,5 см от пола.

Первые модели были неуправляемыми и только парили над поверхностью, кроме того, они издавали сильный шум при работе и требовали зарядки аккумуляторов через каждые 7 минут работы. Несмотря на это, в покупателях недостатка не было. По последним данным, продажи изделий закончились.

По утверждениям специалистов Hendo, они готовят к выпуску усовершенствованную серию летательных скейтов с более мощными аккумуляторами.

Аэроборд ArcaBoard от компании ARCA с 2016 г. считается единственным в мире аэроскейтом, который можно купить. Первые модели продавались по цене 19900 долларов за штуку. Но с течением времени стоимость за счет установки более дешевых комплектующих удалось снизить до 14900 долларов.

Продажи осуществляются по предварительным заказам на официальном сайте компании.

В качестве дополнительного оборудования компания предлагает своим покупателям запасной набор аккумуляторов, который можно установить в считанные минуты и продолжить полет.

В интернет-магазинах можно встретить и летающую доску дизайнера Нилса Гуэдагнина. Ее стоимость составляет всего 69 долларов. Скейт выглядит точной копией летающего скейтборда из фильма «Назад в будущее». Каждый экземпляр изготавливается вручную и может парить над землей при помощи электромагнитов и лазерной системы позиционирования. Никакой полезной нагрузки доска нести не может.

Летающие доски Lexus Hoverboard, несмотря на обещания производителя, в серийное производство и в продажу так и не поступили. Причина в том, что пролететь на них несколько метров сложно даже для опытных испытателей. По утверждениям профессиональных скейтбордистов, участвовавших в испытании аппарата, тренировки для его освоения заняли около 5-6 месяцев.

Как сделать летающий скейтборд своими руками?

Еще в 2018 г. все специалисты по вопросу, как сделать летающий скейтборд своими руками, утверждали, что подобное устройство слишком сложно, поэтому сконструировать его самостоятельно нельзя.

Но в 2019 г. американец Райан Крейвен создал рабочий аэроскейт у себя дома и выложил для широкого доступа инструкцию по его самостоятельной сборке.

У него получилось самодельное устройство, парящее в нескольких сантиметрах от земли и работающее по принципу аппарата на воздушной подушке. На скейтборд устройство не похоже. Оно неуклюжее, громоздкое, а при работе издает сильный шум и поднимает клубы пыли.

Конструкция основана на 4 нагнетателях воздуха фирмы Black&Dacker, работающих от напряжения 20 В. Их он позаимствовал от садовых насосов для уборки листьев. Каркас и «юбки» воздушных подушек выполнены из подручных материалов. По утверждению изобретателя, бюджет для постройки летательного скейта укладывается в сумму 250-500 американских долларов.

Основная сложность при постройке — это нахождение необходимого баланса воздушного потока под доской, позволяющее ей не опрокидываться в сторону.

В первую очередь изготавливается длинная и широкая доска — основа конструкции. Достаточно прочная, чтобы выдержать вес человека и комплектующих, но в то же время — легкая. Самый удачный материал — толстая фанера.

На каждом из 4 углов крепится воздуходув. Вместе они должны создавать воздушное давление под доской, которое и будет поднимать в воздух аппарат со стоящим на нем человеком.

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.

Сборка Халбаха 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 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

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.

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.

Простой макет ховерборда Роторы на фрезерованной из стеклотекстолита основе приводятся в движение небольшими коллекторными двигателями недорогого квадрокоптера через его штатный редуктор.

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%.

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!

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.

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.

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.

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.

Летающий скейтборд, как и большинство других изобретений – телевизор, телефон, самолет, космическая ракета и многие другие – сначала появился в форме фантастической идеи. В 1989 г. в фильме Роберта Земекиса «Back to Future 2» не только была продемонстрирована левитирующая доска для передвижения, но и поставлен предположительный дедлайн ее изобретения – 2015 г. То ли действительно пришло время, то ли инвесторы и инженеры, выросшие на фильме Земекиса, решили отдать должное замыслу и не сорвать дедлайн – но именно к 2015 г. три производителя продемонстрировали свои ховерборды в действии.

Ховерборд Arx Pax от Hendo

Первой была компания Hendo, которая к 2016 г. создала целую серию левитирующих скейтбордов.

Первая версия летающей доски была показана в 2013 г. Правда ее внешний вид мало напоминал скейтборд: это были две окружности, соединенные узкой основой. Внутри окружностей вращались силовые установки – магниты, которые и создавали отталкивающую от земли силу. Аппарат сильно шумел и мог нести на себе не более 27 кг веса. В тот же году был представлен ховерборд, способный держать над землей небольшого взрослого человека.

В конце 2014 г. компания показала две новые версии:

• Первая напоминала фантастический агрегат, достаточно крупный, по форме – более квадратный. Он продемонстрировал хорошую устойчивость и был первым аппаратом, который тестировался профессиональными скейтбордистами в условиях специального построенного роллердрома.
• Вторая – концепт-вариант – в большей степени соответствовала общепринятым канонам скейтборда, но была плохо управляема.

В 2015 г. конструкторы компании создали Hendo 2.0 – футуристичную конструкцию на основе 4 силовых установок, которые по схеме колес разместились по сторонам от самой доски. Конструкторы пытаются найти оптимальное соотношение внешнего вида и качеств, отвечающих за поведение доски под человеком. Пока цель не достигнута: более устойчивые варианты не являются внешне скейтами и не похожи на ховерборд из фильма. Между тем, работа продолжается. В 2016 г. Хендо обещает показать новую версию аппарата, которая по предположениям должна продемонстрировать лучший компромисс между курсовой устойчивостью и внешним соответствием.

Все скейты Arx Pax летают на расстоянии 2 см от земли. Так как с земным притяжением данные ховерборды борются магнитным способом, обязательное условие для «полета» – металлическая поверхность по ходу следования аппарата.

Ховерборд Slide от Lexus

В Lexus не стали выпускать версии летающий скейтов, а потом совершенствовать их, как это сделали в Hendo. Компания сразу презентовала созданное в единственном экземпляре устройство. Оно покорило всех поклонников «Назад в будущее». Потому, что было даже лучше своего фантастического прототипа.

Скейтборд Лексус также использует магнитный принцип. Однако, в отличие от устройств Hendo, внутри Slide размещена конструкция из сверхпроводящих материалов. Сверхпроводники при соблюдении некоторых условий имеют нулевое сопротивление, а проходящий сквозь них ток создает мощнейшее магнитное моле. Это позволило создать настоящий ховерборд: внешне он не отличается от скейтборда по форме и размеру.

Специалисты Lexus справились со своей задачей на отлично. Однако аппарат имеет одно существенно «но». Сверхпроводники очень греются, и их нужно охлаждать фантастической температурой – минус 200°C. Slide требует периодической заправки жидким азотом. Но как со всем этим быть рядового пользователю? Ведь жидкий азот небезопасен: он не продается в магазине! В общем, Lexus создал великолепное устройство. Но, к сожалению, в таком виде оно не может быть использовано людьми массово. Оно может претендовать только на роль pr-акции, благодаря которой все запомнят, кто создал настоящий ховерборд.

Даже если и предположить, что в недалеком будущем жидкий азот станет массово доступен, то изобретение Lexus все равно имеет одно существенное отличие от фантастического прототипа. Оно может левитировать только над металлическим «путем». Это потребует прокладки дополнительной инфраструктуры – металлических дорожек – по которым ховербордеры смогут ездить по городу. Стоит ли оно того – большой вопрос!

Ховерборд ArcaBoard от Arca Space

Компания Arca Space последней (в конце 2015 г.) представила свой оригинальный взгляд на концепцию ховерборда. Несмотря на то, что из рассмотренных вариантов он имеет наименьшее сходство со своим прототипом, используемый конструкторами подход заслуживает уважения.

Arca Space является представителем американской космической индустрии.

Эта специализация отразилась и на конструкции летающего аппарата. Над землей его держат 36 небольших вентилятора, управляемых высокоскоростными моторами. Заявленная производителем мощность устройства — 272 л.с. То есть ArcaBoard мощнее, чем большинство автомобилей. Всю эту силу конструкторам удалось вложить в легкий и относительно тонкий корпус. Габариты аппарата – порядка 1 метра в длину, полметра в ширину, десяток сантиметров в высоту (размеры указаны приблизительно, т. к. официальной спецификации не выходило).

В общем, штука от Arca Space громоздкая. Еще она плохо управляемая. Если на ховербордах Arx Pax и Slide можно заниматься чем-то похожим на скейтбординг, то на ArcaBoard можно только парить над землей, прилагая максимальные силы, чтобы с него не свалиться. На настоящее время не просматривается даже намека на практическое применение доски от Arca Space.

Таким образом, над реализацией концепции левитирующего над землей скейтборда, не первый год работают команды высококвалифицированных инженеров трех компаний. Успехи в этом направлении имеются.

Lexus создала аппарат Sl >Для любителей мастерить что-нибудь в гараже следует отметить, что ховерборд – технологически сложный аппарат. Поэтому летающий скейтборд своими руками сделать нереально.