Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №06 за 1975 год
Слишком много секретов
Лет сорок тому назад в зарубежной печати много писали об одном немецком инженере, который изготовил несколько механических птичек. Они были маленькие, совсем как настоящие, и, представьте себе, летали! Окрыленный успехом, этот инженер задался целью построить орнитоптер. Нашлись последователи и в других странах. Строили орнитоптеры, или, как их еще называют, махолеты, самых различных конструкций. Один из таких махолетов весил более полутонны, площадь его крыльев достигала 30 квадратных метров, они делали от 25 до 90 взмахов в минуту. По расчетам, подобный аппарат должен был поднять не одного, а нескольких пассажиров. Однако взлететь ему так и не удалось: не хватило подъемной силы. Другие махолеты с поршневым бензиновым мотором, едва оторвавшись от земли, неизменно тотчас же падали...
Почему же изобретатели и конструкторы потерпели в своих первых попытках создания махолета полную неудачу? Все дело в том, что они поверхностно пытались копировать природу, не зная, не понимая истинной природы машущего полета. Они механически переносили формулы аэродинамики самолета на орнитоптер. А это неизбежно вело к неудачам. Да иначе и не могло быть, ибо подъемная сила крыла, жестко закрепленного, и машущего крыла образуется по-разному. Если крыло самолета плавно обтекается струями воздуха, то при взмахах крыла птицы имеет место так называемое срывное обтекание. Однако почти все изобретатели и конструкторы орнитоптеров до сравнительно недавнего времени не учитывали этой принципиальной разницы.
Раскрыть секреты феноменальной подъемной силы птичьего крыла, постигнуть закономерности полета пернатых, переложить их на инженерный язык, взять у летающих «конструкций» живой природы все самое эффективное в аэродинамическом отношении, найти новые законы для постройки махолетов — этим сейчас увлечены бионики многих стран. Правда, далеко не все авиаконструкторы разделяют идею перспективности машущего полета, однако число приверженцев махолетов с каждым годом непрерывно растет. Над созданием орнитоптеров работают в СССР, США, Англии, ФРГ, Франции, Японии.
Однако есть основания и для скептицизма, и связаны они с трудностью самой проблемы. Насколько они велики, свидетельствует хотя бы такая история. В нашей стране после второй мировой войны был создан Комитет машущего полета Федерации авиационного спорта СССР. Летчики, биологи, инженеры, орнитологи, аэродинамики в содружестве с учеными Института морфологии животных имени А. Н. Северцева — доктором биологических наук Г. С. Шестаковой, кандидатами наук Т. Л. Бородулиной, В. Э. Якоби, И. В. Кокшайским занялись изучением механики полета птиц. За многие годы исследований большой коллектив энтузиастов выявил более десяти ранее неизвестных закономерностей феноменальной подъемной силы машущего крыла. (В частности, выяснилось, почему птицы, потеряв в веере крыла чуть не половину перьев, продолжают благополучно летать.)
Обнаружились любопытные вещи. Оказалось, что поверхность крыла должна быть не гладкой, а, как ни странно, шероховатой и в определенном направлении волнистой. Что крыло, сделанное не сплошным, а из отдельных перьев на конце при скорости 8 метров в секунду увеличивает свою подъемную силу вдвое! И так далее.
В результате солнечным осенним днем 1962 года на одном из подмосковных аэродромов можно было видеть такую картину...
По бетонной дорожке, плавно взмахивая гибкими крыльями девятиметрового размаха, мчался необычный летательный аппарат. Сильная струя воздуха, отбрасываемая машущими крыльями, заставляла никнуть траву по краям дорожки. Набрав скорость 25—30 километров в час, аппарат начал подпрыгивать. А еще через несколько секунд его колеса повисли в воздухе. Аппарат летал над аэродромом недолго, так как программа испытаний была рассчитана только на проверку тяги и подъемной силы. Однако первый же экспериментальный полет показал, что даже при очень небольшой скорости — вдвое меньшей, чем требуется самолету, — махолет с маломощным моторчиком в 18 лошадиных сил легко отрывается от земли.
Спустя полтора года, точнее, 19 апреля 1964 года, на стадионе «Динамо» в Москве были проведены соревнования уже нескольких моделей аппаратов с машущими крыльями. Присутствующие на соревнованиях воочию убедились, что полет на таких аппаратах абсолютно безопасен, так как махолет может садиться при нулевой поступательной скорости. А если вдруг в воздухе откажет двигатель? Это не страшно: махолет плавно спланирует на распластанных крыльях...
Бесспорно, это был успех. Но одновременно стало ясно, что знание нескольких десятков (десятков!) секретов, закономерностей и эффектов машущего полета еще далеко не приблизило к цели — созданию орнитоптера, который мог бы летать на трассах, перевозить пассажиров и груз.
Сколько же еще надо выяснить секретов и закономерностей птичьего полета, чтобы приблизиться к идеалу? Десять, сто, больше? Этого никто не знает, потому что строгой теории машущего полета нет до сих пор... И, как видим, дело тут не в недостатке усердия.
Все же для любого, глубоко изучившего проблему исследователя нет сомнений, что орнитоптер не фантастика. Это вполне осуществимый и весьма перспективный летательный аппарат будущего.
Вероятно, формула крыла орнитоптера не будет в точности повторять формулу крыла птиц — даже подражая, человек не копирует, а творит. Некоторые ученые при этом утверждают, что будущий махолет «...будет полнее отвечать требованиям человеческой практики, чем меньше он будет представлять собой точную копию птиц».
К этому мы еще вернемся. А пока скажем, что, помимо изучения полета птиц, у человека имеется еще один путь решения проблемы машущего полета.
Перспектива энтомоптера
Подавляющее большинство видов живых существ — это насекомые. Их полет — чудо и загадка природы. Так, например, согласно всем законам современной аэродинамики майский жук летать не должен. Однако, ниспровергая всю нынешнюю теорию полета и сбивая с толку специалистов по аэродинамике, это насекомое все же летает. И как! Жук то степенно сидит на земле, то вдруг отрывается от нее, в какое-то мгновение распрямляет крылья — и прямо ввысь по вертикали!
Полет майского жука был темой специального исследования (или, может быть, расследования...). Вот к какому выводу пришел руководитель этих изысканий, американский ученый
Леон Беннет: «Если мы сумеем определить аэродинамику полета майского жука, мы или обнаружим какое-то несовершенство современной теории полета насекомого, или откроем, что майский жук обладает каким-то неизвестным нам способом создания высокой подъемной силы».
Конечно, далеко не все насекомые хорошие воздухоплаватели, не все задают нам столь волнующие загадки. Но всякий раз, когда мы узнаем что-то новое в летательных способностях насекомых, нас охватывает изумление. Вот, скажем, крыло мухи. На первый взгляд это нечто простое, безжизненное. Но давайте приглядимся. Каркас из тончайших полых жилок. Ячейки затянуты прозрачной мембраной. Все вместе напоминает распущенный зонт с материей, натянутой на стальные прутья. Такое строение обеспечивает крылу большую гребную поверхность при минимальной затрате материала и минимальном весе. При всей кажущейся эфемерности конструкция позволяет осе делать от 165 до 247 взмахов в секунду, шмелю — до 233, комнатной мухе — до 300, комару — около 600! Но и это не предел: комары-дергуны и комары-мокрецы делают до 1000 взмахов в секунду. Столь напряженный ритм работы крыльев убедительно говорит об их колоссальной прочности.
Но изумительно не это. Изумительно то, что «простое», «безжизненное» на вид крыло являет собой своего рода аэродинамическую лабораторию с множеством приборов, которые регистрируют скорость встречного потока воздуха, крутящие моменты, осязают и так далее и тому подобное. А многие из них без лупы и разглядеть-то нельзя... Можно только пожелать, чтобы самолеты будущего располагали комплексом столь же точных, малогабаритных и надежных в работе приборов!
В 1937 году в одном из солидных американских журналов появилось сообщение о том, что определенный вид мух способен летать со скоростью до 1554 километров в час. Публикация была воспринята по-разному: одни читатели были ошеломлены сообщением, другие приняли сенсацию восторженно. Но все это длилось недолго — возмущенные физики заявили, что в рамках элементарных законов природы полет мухи со сверхзвуковой скоростью невозможен. Достоверные сведения о скорости полета насекомых далеко не столь сенсационны... Хотя с какой точки зрения посмотреть! То, что бабочка олеандровый бражник покрывает расстояние в 1200 километров менее чем за сутки, может быть, и не слишком впечатляет. Больше изумляет способность стрекозы-дозорщика подолгу сопровождать учебный самолет, летящий со скоростью 144 километра в час. Однако удивление наше возрастет еще больше, если мы сравним не абсолютную, а относительную скорость перемещения самолетов, птиц и насекомых. Первенство в абсолютной скорости держит, разумеется, самолет. Для примера сопоставим полетные характеристики пассажирского лайнера, стрижа и шмеля: соответственно будет 900 километров в час, 100 километров в час, 18 километров в час. Но если сравнить их относительные скорости, то есть подсчитать, сколько раз за единицу времени самолет, стриж и шмель успеют отложить длину своего тела в полете, то выяснится, что относительная скорость больше всего у шмеля и меньше всего у самолета!
