Шагоход

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Четвероногий шагоход — экспонат Военно-транспортного музея Армии США.

Шагоходы, или шагающие машины — разнообразные машины, передвигающиеся при помощи сгибающихся или вращающихся на шарнире опорных конструкций («ног-педипуляторов»), методом их синхронизированной поступательной перестановки (внешне напоминающей шаг человека или животного, т. е. машины на «шагающем» ходу) с гидравлическими, механическими, электрическими и другими приводами указанных конструкций и их комбинациями — электромеханическими, гидромеханическими и т. д. Ввиду конструктивной сложности исполнения, неясности целевого предназначения, и как следствие, неопределённости сферы практического применения с одной стороны, а с другой стороны — дешевизны, надёжности и простоты в эксплуатации сухопутных машин на традиционных вариантах подвижной платформы (в первую очередь, колёсной, гусеничной, рельсовой, канатно-тросовой, а также фрезерно-кольцевой, магнитно-левитационной и др.), шагающие машины пока не получили в реальной жизни большого распространения. Из используемых на практике механизмов можно назвать шагающие экскаваторы. Другими немаловажными факторами, препятствующими внедрению их в промышленность и народное хозяйство (как, впрочем, и внедрению в качестве военной техники) и требующими решения, являются энергозатраты, относительно высокие сами по себе и возрастающие по мере увеличения массы перемещаемого тела машины, длины подвижных опорных конструкций (шагающих «конечностей») и амплитуды шага, а также вестибулярные нагрузки на человека-оператора (водителя) ввиду неустойчивого положения кабины оператора в «двуногих» и «четвероногих» моделях (поэтому основное направление работ, реализующее такие варианты конфигурации шагающих опорных конструкций — робототехника, не требующая нахождения человека в машине и управляемая дистанционно или бортовым компьютером с заложенным алгоритмом действий).

Шагоходы весьма популярны в научной фантастике как возможные примеры наземной техники (в том числе боевой), — в частности встречаются в аниме и манге, где активно используются в качестве жанровой особенности меха-сэнтай.

В сравнении с колёсной и гусеничной техникой шагоходам свойственна повышенная проходимость по пересеченной местности. Главной проблемой в создании шагоходов является соотношение цены и эффективности (в том числе маршевой скорости движения), а также отсутствие достаточно энергоемких и при этом компактных источников энергоустановки и быстродействующих приводов для ходовых ног. Однако сейчас уже ведутся разработки по созданию полноценных шагающих машин.

История[править | править код]

Images.png Внешние изображения
Шагоходы Шигли
Image-silk.png Предложенный Шигли «пантоход» с гидравлическим приводом конечностей

Создателем первого шагохода в современном понимании этого слова можно считать русского учёного П. Л. Чебышёва, который в 1860-х1870-х гг. ставил эксперименты с шагающими механизмами различной конфигурации[1] Тем не менее, ни промышленность, ни наука тех лет не востребовали такого рода устройства и они ещё долгое время существовали в виде причудливых изобретений, игрушек и т. п. Об их практическом применении для решения промышленных или военных задач речи не шло. Первое рационализаторское предложение использовать шагоходы для военных целей относится к 1940 году, — на начальном этапе Второй мировой войны, под впечатлением от успехов Вермахта во Франции, британские учёные, сотрудники инженерной компании «Аллен & Ко» А. Хатчинсон и Ф. Смит предложили создать тысячетонный ходячий танк (1000-ton walking tank) на четырёх опорных конечностях, чтобы эффективно противостоять немецким Панцерваффе. Под их руководством инженерами компании была составлена подборка чертежей и технической документации для промышленного производства указанного изобретения. Подвесная система ходячего танка теоретически обеспечивала ему устойчивость в движении по неровной поверхности. Заинтересовать британские имперские органы управления военной промышленностью и наукой данным проектом не удалось и замысел в планируемом виде не был реализован, Военное министерство прекратило финансирование проекта в пользу более практичных направлений работы и учёным лишь удалось сконструировать опытный прототип ходячего танка меньших размеров (без вооружения) который имел зооморфный вид, некое подобие вращающихся тазобедренных и коленных суставов (rolling thigh joint), управляемых системой гибких кабелей, опутывавших опорные конечности машины и сходившихся в консоли оператора. Оператор управлял машиной усилием рук и ног на рычаги и педали соответственно. Рычаги приводили в движение передние конечности, педали — задние конечности. Механические усилия оператора передавались на сгибы опорных конечностей посредством гидроусилителей. Машина успешно взбиралась на возвышения типа кучи книг[2].

Начало развитию шагающих машин было положено в послевоенное время, в 1950-е годы. В 1954 году в США была инициирована программа проведения фундаментальных исследований и научно-исследовательских работ по тематике создания «природных машин», реализующих в своей конструкции естественные формы и способы локомоции живых существ. За пределы чертежей и обоснования нецелесообразности технического воплощения подобного рода затеи дело тогда не пошло. Дальше всех среди задействованных научных учреждений продвинулся Ратгерский университет, группа учёных которого под руководством заведующего кафедрой машиностроения, профессора Р. К. Бернарда фактически задала направление всех последующих работ в этом направлении. Учёные как следует проработали теоретическую сторону вопроса разработки биомеханических движителей и проэкзаменировали миниатюрные модели шагающих, бегущих, скачущих, галопирующих, прыгающих и ползучих устройств. Из всех исследованных форм именно «рычажная машина» (levered vehicle) в подпрыгивающем или шагающем варианте реализации, по мнению учёных в наибольшей степени подходила для выполнения различных военных задач. При этом именно подпрыгивающая машина была признана идеальным вариантом такого рода, за образец для копирования конечностей и движений среди представителей фауны конструкторским учреждениям предлагалось брать обыкновенных кузнечиков. Тем не менее, было признано и то, что такой вариант является наиболее сложным для технической реализации, поскольку непременно требует для себя дополнительных средств корректирования траектории полёта (те же кузнечики имеют для этого крылья, позволяющие им корректировать траекторию полёта и увеличивающие точность приземления, а кенгуру пользуются хвостом), не говоря о динамических нагрузках на опорные конечности в момент толчка и особенно приземления. Поэтому, несмотря на то, что подпрыгивающие машины превосходили шагающие в скорости и маневренности, последние были признаны более простыми для технической проработки. Машиностроительному факультету Мичиганского университета под руководством декана факультета, профессора Джозефа Шигли было поручено разработать модели трансмиссии и передач для такого рода машин. Собственно, именно перед проф. Шигли и его коллективом научных работников было поставлено то, что можно назвать тактико-техническим заданием из десяти пунктов вполне конкретных по сути (8 из 10 пунктов соответствовали принципам передвижения живых существ и только 2 имели явно искусственное происхождение), поскольку все предыдущие работы носили абстрактный характер. Коллектив Мичиганского университета создал машину на 16 конечностях с ручным управлением оператором из кабины, расположенной на становой несущей части («спине») конструкции машины. Именно мичиганский прототип и работы, проведенные под руководством проф. Шигли дали богатый объём эмпирических данных относительно реализуемости/нереализуемости более ранних конструкторских замыслов шагающих машин. Чуть позже, Шигли опубликовал в сжатом виде выводы по итогам проведённых им исследований в журнале «Нью сайентист». В начале 1960-х гг. паукообразное шагающее устройство с кривошипным механизмом преобразования энергии вращения двигателя в поступательные движения опорных конечностей было сконструировано Лабораторией сухопутной локомоции (Land Locomotion Laboratory) Детройтского арсенала в Уоррене, штат Мичиган[3].

Images.png Внешние изображения
Шагоходы Детройтского арсенала
Image-silk.png Шагающее устройство с кривошипным механизмом преобразования энергии

Тем не менее, все перечисленные эксперименты скорее предназначались не для подтверждения, а наоборот, для опровержения научно-практическим способом разнообразных завиральных теорий и идей, и осуществлялись либо на малых фондах, либо на самофинансировании. Интенсификация работ по созданию шагающих машин (преимущественно зооморфного вида, на четырёх и шести опорах) в США пришлась на середину 1960-х гг. и совпала по времени с интенсификацией американского военного вмешательства в Юго-Восточной Азии в ходе Второй Индокитайской войны. В связи с обнаружившейся на начальном этапе эскалации военных действий во Вьетнаме неподготовленностью Вооружённых сил США к действиям в тропических и субтропических лесах, предприятия американской военной промышленности бросились спешно восполнять выявленный пробел, наперебой предлагая командованию сухопутных компонентов различных видов вооружённых сил свои проекты сухопутных и амфибийных машин, отличавшихся повышенной проходимостью в сравнении с традиционными колёсными и гусеничными машинами, что дало толчок развитию машин со шнекороторным движетелем, машин с гибким шасси (flexible frame vehicles), сочленённых машин (articulated vehicles), машин с эллипсоидными колёсами (elliptical wheeled vehicles), гусеничным движителем с надувными катками, боевых и транспортных машин на воздушной подушке, разного рода подлетающих машин и «летающих джипов», средств индивидуальной аэромобильности на реактивной и винтовой тяге. Получили развитие и шагоходы.

«Ленд-Уокер» (живопись)

21 апреля 1964 года на Нью-Йоркской всемирной выставке был открыт павильон Департамента армии США «Армейская мобильность: Взгляд в будущее» (Army Mobility Looks to the Future), где среди восьми перспективных концептов футуристических средств обеспечения подвижности сухопутных войск в виде эскизов и картин был представлен шагоход «Ленд-Уокер» (Army Landwalker) на четырёх опорных конечностях («ногах») с четырьмя рычажными манипуляторами («руками»), офицеры транспортно-логистической службы разъясняли посетителям выставки направления работы научно-исследовательских учреждений Транспортного управления Армии США на перспективу и потенциал для применения указанного типа машин[4].

Агентство по перспективным научно-исследовательским разработкам США (ДАРПА), традиционно покровительствовавшее разного рода революционным идеям, инициировало программу «Эджайл» (AGILE), в рамках которой финансировался целый ряд проектов транспортных средств с нетрадиционными вариантами движителя, проходивших испытания в континентальных штатах, а также в контролируемой американским военным контингентом зоне Панамского канала (известно, что испытания прошло свыше тридцати опытных прототипов машин с различным типом движителя, однако, достоверно неизвестно были ли среди них образцы шагающей техники). Спектр потенциального применения шагоходов предусматривал их задействование для противопартизанских мероприятий, форсирования водных преград с крутыми берегами и быстрым течением, марш-бросков в горно-скалистой местности. В целом, сама атмосфера 1960-х годов, обилие достижений научно-технического прогресса того периода внедрённых в повсеместный обиход, благоприятствовали освоению разнообразных революционных направлений развития техники военного и невоенного назначения, — ни до, ни после того десятилетия ничего подобного по масштабу и размаху не имело места в мировой истории. Полёт технической фантазии проектировщиков был ограничен только реальными возможностями шагающей техники (которые были весьма ограничены), существующей производственной базой и органами бюджетного контроля, которые нещадно «рубили» перспективные направления работ, «выбивая» финансирование из-под любых проектов такого рода и возвращая их обратно в стадию бумажного проектирования. Логика рационализаторов, подводивших под проекты такого рода финансовое и производственно-техническое обоснование, была достаточно простой и опиралась на суждения о высокой проходимости данного типа техники:[5] «На определённых типах местности лошадь стоимостью пятьдесят долларов превзойдёт танк стоимостью четверть миллионов долларов».[6]

«Ходячий грузовик» выходит на берег (макет)

Проблема с технической реализацией указанного суждения заключалась в том, что варианты воплощения «механических лошадей» в металле обходились не намного дешевле танков за четверть миллионов долларов. Кроме того, промышленное лобби, кормившееся от танковых заводов, выпускавших гусеничную бронетехнику и связанное с высшими политическими кругами, не дало бы ни под каким предлогом посягнуть на застолблённые им сектора федерального бюджета, поэтому даже речи о принятии на вооружении и серийном производстве шагающей военной техники в обозримой перспективе не шло. Тем не менее, промышленному гиганту «Дженерал электрик» удалось монополизировать направление развития шагающей техники (свои собственные проекты индустриальной робототехники велись «Дженерал электрик», «Дженерал моторс», «Вестингауз»)[7] и получить ряд заказов на проведение опытно-конструкторских работ отделом вооружения подразделения военной электроники (Ordnance Department of the Defense Electronic Division) в Питсфилде, штат Массачусетс. В немалой степени, «двигателями» этого процесса выступали сами же сотрудники компании, длительное время занимавшиеся в частном порядке опытами с шагоходами, главным идейным вдохновителем которых можно назвать Ральфа Мошера, который посвятил много лет работе над этой тематикой. Параллельно с «Дженерал электрик» проект собственного «шагающего грузовика» (с кузовом как у обычного грузовика) разрабатывался под руководством Рональда Листона подразделением сухопутной локомоции Лаборатории средств обеспечения подвижности (Land Locomotion Division, Mobility Systems Laboratory) Автобронетанкового управления Армии США в Уоррене, штат Мичиган. Тогда же, упомянутый учёный — Листон получил специальную премию Министра армии США на проведение исследований по заданной тематике совместно с научными работниками Мичиганского технологического университета[en], что подчёркивало важность и приоритетность данного направления исследований для военного руководства[8] Тем не менее, работы не продвинулись дальше создания инженерами деревянных макетов в натуральную величину и одного незавершённого опытного прототипа Автобронетанкового управления, а также одного опытного прототипа компании «Дженерал электрик» прошедшего испытания, но не пошедшего в серию[6][9]. К началу 1970-х гг. действия американских войск на сухопутном театре военных действий Вьетнамской войны стали сходить на нет, переместившись в плоскость нанесения авиаударов по крупным административно-промышленным центрам противника и действиям тактической авиации в собственном тылу. В этих условиях сухопутные машины повышенной проходимости стали не нужны и практически все проекты такого рода ведшиеся до того момента были прекращены, многие навсегда. Советские опыты в этот же период, в направлении создания некоего подобия шагоходов для практического использования под водой ограничились серией необитаемых телеуправляемых аппаратов (информационно-управляющих комплексов) «Манта», разработанных Институтом океанологии АН СССР и испытанных в 1971—1973 гг.[10]

Images.png Внешние изображения
Шагоходы ДАРПА
Image-silk.png Габаритный макет ходячего танка в гористой местности

Оставшиеся в виде чертежей, макетов и кадров документальной кинохроники образцы шагающей техники инспирировали писателей-фантастов и деятелей американского кинематографа включить оную в свои художественные труды. Второе рождение шагающей техники в США произошло на волне завершения периода Детанта и повторного нарастания международной напряжённости в период очередного витка американо-советской конфронтации. На волне инициированной Президентом США Рональдом Рейганом программы Стратегической оборонной инициативы («Звёздных войн») получил развитие целый ряд проектов создания оружия на новых принципах. Среди прочих, в июле—августе 1983 года Университет штата Огайо в Колумбусе получил не много, ни мало, как контракт на разработку «ходячего танка» (walking tank). В научной прессе этот эпизод прокомментировали скорее в шутку, что военное командование насмотрелось фильмов из цикла «Звёздные войны» (где присутствовали весьма реалистические батальные сцены с «имперскими шагоходами» на двух- и четырёх конечностях). Основанием для вложения бюджетных средств была всё та же проблема повышения проходимости сухопутной техники, поскольку в агентстве настаивали на том, что половина земной поверхности принципиально непроходима для колёсной и гусеничной техники[11]. Третье рождение шагающей техники, теперь уже роботизированной, без оператора внутри, пришлось на период американского военного вмешательства в странах третьего мира, но опять не продвинулось дальше создания опытных прототипов.

Гибриды[править | править код]

Пропоненты создания и широкого внедрения шагающих машин, в частности тот же Мошер, понимая, что внимание высшего руководства ушло безвозвратно, пытаясь реанимировать саму идею шагоходов, предлагал промежуточные и комбинированные варианты движителей: колёсно-шагающие, гусенично-шагающие, шагающие-плавающие и т. д. Во всех перечисленных вариантах, машина имела основной и вспомогательный движители. Шагающим конечностям отводилась роль вспомогательного движителя, предназначенного, например, для движения по мягким, зыбким и вязким грунтам,[12] самостоятельного извлечения машиной себя самой из вязкого грунта,[13] буксировки, подталкивания и выталкивания других застрявших машин,[14] придания машине устойчивого положения на неровном грунте для более точного наведения вооружения и выполнения другой полезной работы,[15] создания дополнительных точек опоры для компенсации силы отдачи ствольного оружия, массы перемещаемого груза при погрузочно-разгрузочных работах,[16] обслуживания подводных военных объектов и баз,[17] а также для других нужд. Альтернативным вариантом были машины с модульными рычажными устройствами (modular legs), позволяющими машине выполнять функции подъёмного крана, буксира и др. В таком виде, речь уже шла не о шагающих, а о рычажных машинах, где рычаг(и) мог использоваться для различной механической работы, в том числе и для передвижения машины-носителя[18]. Кроме уже описываемых выше машин с опорными конечностями, предлагались варианты колёсных шагоходов (wheel walker), где в качестве опор использовались продольные колёсные пары на гибкой независимой подвеске, шагающие методом проворота колёсной пары вокруг своей оси[19].

Роботизированные машины[править | править код]

Роботы BigDog

Во второй половине 1980-х гг. компании «Мартин-Мариэтта Денвер Аэроспейс» удалось подвести финансирование ДАРПА под очередную программу создания автономных сухопутных машин (Autonomous Land Vehicle Project) с различным типом движителя[20]. В данном случае под «автономными» понимались роботизированные машины без операторов и без кабины, действующие в полностью автономном режиме по заложенной программе, либо в полуавтономном режиме по командам с пульта дистанционного управления. Начальным этапом программы стало компьютерное моделирование передвижения животных (Computer Simulation of Animal Navigation, CSAN),[21] для чего был разработан специальный программно-аппаратный комплекс с различными типами моделируемой местности[22]. Насколько далеко удалось продвинуться инженерам из «Мартин-Мариэтта» остаётся неизвестным.

Хронология[править | править код]

Images.png Внешние изображения
Ранние шагоходы
Image-silk.png Механизм Чебышёва
Image-silk.png Механический конь Льюиса Рюгга (чертёж автора)

Ниже перечислены основные вехи в развитии шагающих машин:

Предыстория
История

В научной фантастике[править | править код]

Одно из первых появлений шагающих машин состоялось в книгах классиков фантастики: Жюля Верна, в его романе «Паровой Дом», и у Герберта Уэллса «Война миров» (словосочетание «боевые треножники» стало нарицательным).

В массовой культуре[править | править код]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 González de Santos et al., 2006, p. 13.
  2. Shaker & Wise. War Without Men, 1988, p. 17.
  3. Shigley, Joseph E. The theory of walking vehicles. // New Scientist, 8 June 1961, v. 10, no. 238, pp. 584-585.
  4. Army Joins With DoD, NASA in Arranging World’s Fair Exhibit. // Army Research and Development, April 1964, v. 5, no. 4, p. 36.
  5. Shaker & Wise. War Without Men, 1988, p. 73.
  6. 1 2 Liston, Ronald A. Walking Machine Studies. // Army Research and Development, April 1967, v. 8, no. 4, pp. 22-24.
  7. Miller. Robotic Applications, 1991, p. 37.
  8. ATAC Executive Selected for SARS Fellowship. // Army Research and Development, April 1967, v. 8, no. 4, p. 29.
  9. Gundel, B. H. Glamour in Cross-Country Mobility Equipment. // Army Research and Development, March 1968, v. 9, no. 3, pp. 26-27.
  10. Shaker & Wise. War Without Men, 1988, pp. 42-43.
  11. Enter the walking tank. // New Scientist, 4 August 1983, v. 99, no. 1369, p. 348.
  12. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 108-109.
  13. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 108, 111.
  14. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 112-113.
  15. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 112, 114.
  16. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 112, 117.
  17. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 125-127.
  18. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 127-131.
  19. Mosher. Applying Force Feedback, 1973, pp. 121-125.
  20. ERIM. Planning Systems for ALV, 1989, A-2.
  21. ERIM. Planning Systems for ALV, 1989, p. 6.
  22. ERIM. Planning Systems for ALV, 1989, p. 10.
  23. 1 2 González de Santos et al., 2006, p. 6.
  24. González de Santos et al., 2006, pp. 3-7.
  25. Mechanical horse. US Patent No. 491927, 14 February 1893.
  26. González de Santos et al., 2006, pp. 6-8.
  27. González de Santos et al., 2006, pp. 6-9.
  28. 1 2 3 González de Santos et al., 2006, p. 9.
  29. Todd. Walking Machines, 1985, pp. 16-18.
  30. Todd. Walking Machines, 1985, p. 171.
  31. González de Santos et al., 2006, pp. 8-9.
  32. Shaker & Wise. War Without Men, 1988, p. 42.
  33. 1 2 González de Santos et al., 2006, p. 4.
  34. Ayres Robert ; Miller, Steve. The Impacts of Industrial Robots, Carnegie Mellon University, 1981, p. 48.
  35. González de Santos et al., 2006, pp. 10-11.
  36. Todd. Walking Machines, 1985, p. 160.
  37. González de Santos et al., 2006, p. 23.
  38. Miller. Robotic Applications, 1991, p. 138.
  39. Todd. Walking Machines, 1985, pp. 24-26.
  40. Todd. Walking Machines, 1985, p. 151.
  41. González de Santos et al., 2006, pp. 8-11.
  42. Miller. Robotic Applications, 1991, p. 53.
  43. 1 2 3 Raibert et al. Dynamic Legged Locomotion, 1995, p. 2.
  44. Boston Dynamics: Changing Your Idea of What Robots Can Do

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]