Орнитоптеры – полетим как птицы?

Когда человек вглядывается в небо и видит птиц в свободном полете, у него невольно возникает мысль: «А почему я так не умею?». Поэтому неудивительно, что попытки подняться в воздух с помощью машущих крыльев известны на протяжении всей истории нашей цивилизации. Начиная с фиаско мифического Икара, неудачи на этом поприще сопровождали человека постоянно. Даже в Средневековье у Леонардо да Винчи, предвидевшего вертолет, с машущим аппаратом ничего не получилось. Казалось бы, нужно поставить крест на этом деле – но нет! В ХХ веке стали появляться реальные результаты, да и в XXI идею не оставляют в покое.

Начало

К теории машущего полета приложил свою руку Циолковский, опубликовав еще в 1890-м году свой труд «К теории летания». Гений космонавтики изучал сложные движения птиц в атмосфере, научно обосновывая полет и возможность реализации фигур высшего пилотажа. Через 22 года русский летчик Нестеров проверил на практике изыскания ученого, совершив знаменитую «петлю».

Пока одни развивали теорию, другие создавали замысловатые конструкции и проводили первые опыты. Первая реальная удача улыбнулась советскому конструктору Черановскому Б. И., с 1921 по 1936 годы проводившему опыты с планерами-орнитоптерами. К 1937-му при участии ОСОАВИАХИМа ему удалось построить мускульный махолет БИЧ-18.


Это биплан с подвижными крыльями, приводимыми в действие педалями, которые крутил пилот. Пустая машина весила 72 кг. Аппарат сначала испытывался в роли планера. Первые взлеты он совершал с помощью резинового амортизатора на десятиметровую высоту. Длина «пройденного» пути составила 125 м. В дальнейшем пилот, поднявшись в воздух, совершил 6 взмахов. Аппарат пролетел уже 430 м – прогресс налицо!


Однако выяснилось: слишком толстые крылья не создавали тяги в ходе взмахов. Тогда их сделали гибкими, но нужного результата не добились и проект забросили.

Сегодня

В 50-е годы минувшего века установили: натренированный человек способен развить мощность до 1 кВт только с помощью мускулов. Через 30 минут она упадет вдвое: т. е. взлететь можно, но потом придется планировать.



До конца прошлого века у человечества не было легких и мощных двигателей, материалов, которые помогли бы орнитоптеру летать. Но сегодня ситуация иная и эксперименты с махолетами возобновились. В 2002-м американец ДЖ. Делоуриер построил аппарат с машущими крыльями, который успешно испытал в 2006-м. В 2010-м студенты из Торонто при участии аэрокосмического института построили аппарат Snowbird. По сути, это первая машина с машущими крыльями, способная уверенно лететь горизонтально при помощи мускульной силы человека.


Snowbird имеет размах крыльев 32 м при массе в 42 кг. Конструкция изготовлена из полимеров, а крылья – из бальсы. Последние приводятся в движение мускульной силой пилота через тросы. При этом совмещались силы аэродинамики и инерции. Махолет, поднятый в воздух посредством авто-буксировщика, пролетел 145 м за 19,3 сек. В общем-то недалеко ушли испытатели от советского БИЧ-18 тридцатых годов. Гораздо успешнее проходили эксперименты с орнитоптерами на беспилотной «основе».

Колибри

Эта крошечная птичка вдохновила конструкторов и, понаблюдав за ее полетами, разработчики создали нечто похожее. В 2009-м специалисты из AeroVironment (США) сделали такой аппарат, способный не только летать, но и зависать и маневрировать. Энтузиасты из университета Делфта тоже пошли по этому пути и создали свою птичку – DelFly Explorer весом 20 г с крыльями в 280 мм. Аппарат безостановочно летает 9 мин.


Орнитоптер имеет контроллер, предупреждающий столкновение с преградами. Полностью скопировать полет живой птицы удалось инженерам из FlappingFlight.


Механическая игрушка уже могла изменять направление движения, высоту и скорость, используя только взмахи крыльев. Однако практическое применение подобных конструкций вызывает сомнение. Ну разве что военным пригодится для разведки, шпионажа.

AlbatrossOne

А вот эта концепция от Airbus уже очень близка к практическому применению. Речь идет о законцовках крыла, которые наверняка многие видели. Например, у Boeing 777X они используются всего лишь для того, чтобы самолет помещался в ангар.


В данном же случае инженеры построили масштабную модель для изучения возможности использования подвижных законцовок. В качестве примера был взят альбатрос, имеющий наибольший размах крыльев среди птиц, о чем свидетельствует название проекта.


Аэродинамическое качество живой «конструкции» составляет 1:22. Это значит, что альбатрос способен пролететь при планировании 22 м, потеряв метр высоты. Узкие и жесткие крылья птицы «умеют» фиксироваться при помощи сухожилий, чтобы не тратить мышечные усилия на горизонтальный полет. Кончики крыльев при необходимости отклоняются в разные стороны, в ходе выполнения маневров или при порывах ветра. Это снижает нагрузку на «плоскость» и повышает устойчивость.


Построенная модель, похожая на самолет А321, имеет шарниры, позволяющие 25 % площади крыла двигаться. Если на обычный самолет резко воздействует ветер, его плоскости передают корпусу повышенную нагрузку, что требует усиления каркаса. А если кончики крыльев будут сгибаться, конструкцию можно значительно облегчить. Да, это сложнее, но экономия горючего, увеличение дальности, скорость, перевесят этот минус. В течение ближайших лет Airbus собирается перейти к испытаниям на полноразмерной модели.

Совершенствуя возможности перемещения по небу, человек смотрит не только на птиц – летать умеют и насекомые. Например, стрекоза – чрезвычайно маневренное существо. Почему бы не поучиться и у нее?

Serenity

Это уже российская штуковина, имеющая длину в 3 м и столько же «комплектов» крыльев. Механизм, заставивший подняться конструкцию в небо, достаточно сложный. Однако факт: аппарат с электродвигателем летает и даже маневрирует.


Конечно, вряд ли создадут пассажирское воздушное судно с такими «махалками». Но вот альтернативой реактивным ранцам Serenity, учитывая его высокую маневренность, станет запросто. Казалось бы, для полета у птиц можно взять разве что крылья – и опять нет! Почему бы не взглянуть повнимательнее на …лапы? Именно так и поступили конструкторы из ЮАР.

Macrobat

Это интересный концепт, на электрической тяге, который в перспективе станет, по замыслу конструкторов, одноместным аэротакси, личным транспортом или дроном-грузовиком с дистанционным управлением.


Учитывая сложный рельеф Африки и плохие дороги, появление «конечностей» на летательном аппарат вполне понятно. «Ноги» помогают взлетать (обеспечивается наклон на 45°) и садиться; в полете они убираются. Технические данные Macrobat не такие и плохие: при полезной нагрузке в 150 кг он преодолеет 150 км, развивая скорость до 150 км/ч. Машина взлетает, используя вертикально расположенные двигатели, которые при горизонтальном полете поворачиваются продольно.

Резюме

Человек упорно стремится извлечь максимальную пользу из всего, что его окружает. И природа – отличный образец для подражания. Другой вопрос, как этого добиться и стоит ли?