- Від літака до вертольота
- Від птиці до комахи
- Від Москви до Торонто
- Від гри до науки
- Від практики до теорії
Чому люди не літають як птахи? Ще як літають: аеродинаміка у літака майже та ж, що і у пернатих, хоча над повністю «морфіруемим», змінним крилом люди ще працюють. У польоті ми досягли великих висот. Якщо перерахувати на кілограми маси і кілометри польоту, сучасний авіалайнер витрачає енергії менше, ніж птах. Аналога вертолітного принципу польоту в тваринному світі, мабуть, немає зовсім. Але все одно в здібностях людини літати залишається якась неповнота.
Давня, як весь наш рід, мрія літати як птах - тобто вільно махаючи крильми - залишається невтіленою. Мрія ця така сильна, що хоча до цих пір жодна авіакомпанія і жодна армія світу експлуатує жодного орнітоптера, діюча Конвенція про міжнародну цивільну авіацію включає його визначення: «Повітряне судно важчий за повітря, яке підтримується в польоті в основному за рахунок реакцій повітря з його площинами, яким надається махове рух ».
Від літака до вертольота
Втім, у мрії про маховому польоті є і практична сторона. Аеродинамічний якість - відношення підйомної сили до лобового опору, яке визначає ефективність польоту - у літаків виключно високо. Але літаки вимагають дорогих і складних аеродромів, великих злітно-посадкових смуг. Вертольоти в цьому сенсі зручніше, вони злітають і сідають вертикально, не вимагаючи для цього будь-якої інфраструктури. Вони набагато маневреннее і навіть здатні зависати нерухомо. Але аеродинамічна якість вертольотів невисоко, і годину їх польотного часу коштує зовсім недешево.
Спроб схрестити одне з іншим робиться чимало - у гвинтокрилих автожирів і конвертопланів є свої шанувальники. Для вирішення деяких вузьких завдань ці літальні апарати можуть бути навіть незамінні. Але все-таки такі гібриди виявляються не дуже вдалими: відома жарт про те, що вони поєднали не тільки гідності, скільки ключові недоліки і літаків, і вертольотів. Але ось махолети можуть виявитися відповідним рішенням. Теоретично, вони зуміють злітати з місця, будуть маневрені аж до здатності зависати в повітрі і зможуть демонструвати майже літакове аеродинамічна якість.
Але перші незграбні повітроплавці замислювалися, звичайно, не про літаки, яких ще зовсім не було, а про птахів. Здавалося, що досить навчитися відштовхуватися від повітря крилами - і людина полетить. З такими поглядами, звичайно, ніхто з них так і не зміг відірватися від землі. Крилаті механічні пристосування в кращому випадку дозволяли ніяково планувати, як це зробив легендарний монах-бенедиктинець Ейлмера, який близько тисячі років тому стрибнув з вежі Малмсберийского абатства в Англії, отримавши важкі травми.
Від птиці до комахи
Причина численних невдач зрозуміла: саму сутність польоту в ті роки представляли досить смутно. Підйомну силу птахам дає не опора на повітря, а особливий контур профілю крила. Поділяючи потік, що набігає надвоє, він змушує повітря над верхньою кромкою рухатися швидше, ніж над нижньою. Згідно із законом Бернуллі, тиск буде вище в області з більш повільним потоком. Виникає різниця між тиском під крилом і над ним створює підйомну силу. Але варто почати махати крилами - і ця ясна картина повністю змінюється.
Відома приказка говорить, що «за законами аеродинаміки джмелі взагалі не можуть літати». В принципі, це справедливо: з точки зору класичної аеродинаміки комахи і їхні крила - це щось несусвітнє. Навіть в теорії вони нездатні створити підйомну силу і тягу, необхідні для польоту, - якщо тільки ми не перейдемо від класичної аеродинаміки планера до нової, нестаціонарної. Тут все інакше: турбулентні завихрення, з якими конструктори літаків борються не покладаючи рук, стають ключем до польоту і джмеля, і його родичів.
Великі птахи використовують помахи лише зрідка - наприклад, коли необхідно загальмуватися для посадки або злетіти. Ці змахи плюс руху ніг дозволяють їм отримати спрямовану вперед тягу, для того щоб в дію вступила підйомна сила крила. Комахи ж махають крилами постійно, причому за особливою траєкторії, швидше за вперед-назад, ніж вгору-вниз. У поєднанні з гнучкістю крил і достатньою частотою змахів це створює у їх передньої кромки турбулентні завихрення, які «скидаються» з краю крила у верхній і нижній точках. Вони і створюють достатню для польоту джмеля підйомну силу і тягу.
Змінюючи швидкість першої і другої фаз руху, комаха контролює напрямок цих сил, маневруючи в повітрі. І навіть щетинки, горби і нерівності на поверхні крила - відміну від обтічного крила літака - працюють на освіту турбулентних вихорів.
Від Москви до Торонто
Цих тонкощів не знали довго і до кінця не розуміють досі. Але виявилося, що в найпростішому випадку це і необов'язково. Ще до Другої світової війни німецькі авіаконструктори з успіхом запускали невеликі легкі орнітоптери, що використовують для приводу скручений гумовий джгут. Захопленню ними віддав данину навіть знаменитий аеродинамік Олександр Ліппіш, а в 1930-х Еріку фон Хольст вдалося відірвати від землі орнітоптер, на який був встановлений двигун внутрішнього згоряння. Однак створити апарат, який можна було б розглядати як прототип чогось корисного, здатного нести хоча б одну людину або вантаж, тоді так і не вдалося. У 1960-х Персіфаль Спенсер продемонстрував політ «орніплана» з розмахом крил 2,3 м і крихітним (об'ємом 5,7 см3) двотактним двигуном - пілотувався він оператором, по кабелю.
Більший махоліт злетів лише на початку 1980-х, коли професор Московського авіаційного інституту Валентин Кисельов сконструював семикілограмовий апарат, здатний самостійно стартувати і залишатися в польоті. Згодом модель звільнилася від кабелю і управлялася по радіозв'язку. Слідами Кисельова в цій роботі рухався його заокеанський колега Джеймс Делоріер. У 1991 році Делоріер отримав диплом Міжнародної федерації аеронавтики за створення «першого оснащеного двигуном і дистанційно керованого орнітоптера». У 2006 році його модель UTIAS Ornithopter No. 1 злетіла, а незабаром піднявся в повітря і пілотований махоліт Snowbird - за 14 секунд він пролетів близько 300 метрів на мускульною тязі пілота.
«Це не зовсім чесний результат, - пояснює учень професора Кисельова, випускник МАІ Андрій Мельник. - Я знайомий з цими конструкціями, і їх не можна вважати махоліт в повному розумінні цього слова. Перший апарат був оснащений реактивним двигуном для створення тяги і зльоту. А другий продемонстрував ще одну важливу річ: що мускульної сили людини для махають польоту недостатньо. Навіть підготовленим пілотові, спортсмену, і то вдалося пролетіти зовсім небагато ».
Зворотно-поступальний рух поршнів двигуна трансмісія перетворює в обертальний рух зубчастих коліс, а кривошипно-шатунная передача перетворює його знову в зворотно-поступальні помахи крил. Винахідники мріють про те, щоб зробити цю схему ефективніше, безпосередньо передаючи руху поршнів крил.
Від гри до науки
Треба сказати, що якщо «корисний» махає політ не вдається освоїти до сих пір, то ігрова індустрія відчуває себе в цій області вже цілком впевнено. Перші невеликі моделі на гумці з'явилися в продажу ще в кінці XIX століття, а сьогодні одну з популярних іграшок з махають крилами, електромотором і на радіокеруванні пропонує компанія-розробник іграшкових роботів WowWee.
«Я сам починав з авіамоделювання, - говорить Андрій Мельник, - тому уявляю, наскільки вимогливі літаки до майстерності пілота, керуючого ними з землі. Буквально одне незручне рух - і він завалюється в штопор або в крен. І я можу сказати, що мій досвід управління нашим махоліт показує, що з цим апаратом впорається навіть дитина. Він вийшов у нас настільки стійким, що легко прощає всі помилки і залишається в повітрі ».
Кошти в розробку нового типу літальних апаратів при досить сумнівних перспективах вкладають неохоче. Однак Андрію Мельнику і Дмитру Шувалову вдалося переконати інвесторів, що завдяки сучасним технологіям і при належних вкладеннях махоліт можна створити. «Нам вдалося намацати кілька принципових моментів, які колись, у тому числі і коли я працював з професором Кисельовим, розумілися невірно, - додає конструктор. - Перші наші моделі просто розвалювалися, не витримуючи навантаження. Так ось, передбачалося, що таке навантаження на апарат створюють аеродинамічні сили. Однак випробування показали, що це не так, і основний вплив він відчуває через інерцію махають крил ».
З'ясувавши причини невдач, розробники максимально знизили вага крила - до 600 г при площі 0,5 м2 - і демпфірованного його вплив на фюзеляж. «Справжнім сюрпризом для нас стали результати моделювання, які показали, що аеродинамічний центр четирехкрилими апарату знаходиться не десь між передньою і задньою парою крил, а позаду них, - згадує Андрій Мельник. - Щоб вирішити цю проблему, довелося змінити геометрію переднього і заднього оперень. Але в результаті махоліт став впевнено триматися в повітрі ».
Мухолет Крихітні орнітоптери розробляються в різних країнах світу. Як правило, автори їх намагаються з більшою або меншою точністю зімітувати природу, повторивши конструкцію літаючого комахи. У травні 2015 року Пітер Еббіл і Роберт Дадлі з лабораторії биомиметических міллісістем Університету Берклі продемонстрували досить ефектний зліт 13,2-грамового махолета з «пускової установки» на спині шестиногого микроробота.
Від практики до теорії
Перший політ махолета відбувся в 2012 році, коли апарат, ще майже некерований, пролетів близько 100 м. Його жорсткі композитні крила наводилися в рух невеликим двигуном з кривошипно-шатунной передачею. А ще через півроку вдосконалена 29-кілограмова версія залишалася в повітрі вже стільки часу, на скільки вистачало півлітрових паливного бака - 10-15 хвилин. На свій махоліт розробники оформили патент РФ № 2488525.
Передні і задні крила орнітоптера махають в протифазі. Це різко знижує коливання апарату в польоті і навантаження, що виникають під дією інерції рухомих крил.
«Крім іншого, ми зіткнулися ще й з проблемою управління, - продовжує Андрій Мельник. - По вертикалі махоліт відхилявся і управлявся надійно, за допомогою рулів висоти на хвостовому оперенні. А ось щоб міняти курс ще і по горизонталі, нам довелося встановити на крилах додаткові законцовки. Змінюючи їх положення, стало можливим повністю управляти апаратом в польоті, по радіоканалу ».
Треба сказати, що вертикально махоліт все-таки не злітає, хоча для розгону йому потрібно дуже коротка смуга. Всього 5-10 м - і він іде у відрив. Цю цифру можна ще зменшити, проте для створення справжньої повнорозмірною моделі конструкцію доведеться серйозно вдосконалити. За словами Андрія Мельника, перш за все потрібно відмовитися від кривошипно-шатунного механізму, не надто вдалого для створення махають рухів крилами. Він породжує дуже небезпечні інерційні сили, які особливо великі у верхній і нижній «мертвих точках» коливання. «Якщо ми візьмемо інший привід, який здатний накопичувати енергію останніх фаз руху і потім використовувати її для руху в зворотному напрямку, то він буде набагато ефективніше, - каже конструктор. - Це може бути, наприклад, пневматичний механізм, такі задумки у нас є ».
«Найгірше те, що ми так і не розуміємо в точності, як же він літає, - продовжує Андрій Мельник. - І за освітою, і з навичок ми - практики, конструктори, а не теоретики, які не вчені. Але ми точно можемо сказати, що звичайні теоретичні моделі для махолета не підходять, і наші випробування це підтвердили. Зокрема, коефіцієнт підйомної сили у нас виявився в рази більше, ніж у типового літакового крила. Чому? Сподіваюся, хто-небудь розбереться ». Бути може, все дійсно станеться в зворотному порядку: з'ясувавши, як літає махоліт, ми, нарешті, розберемося і в махають польоті птахів і комах.
Стаття «Від мрії» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №12, Листопад 2015 ).
Чому?