Человек всегда мечтал летать, как птица. Не получилось — аэродинамика птиц оказалась сложней, чем кажется. Поэтому мир завоевали самолёты, вертолеты, квадрокоптеры и множество других летательных аппаратов.
Все они используют для создания подъемной тяги и перемещение силу установленных двигателей (иногда в совокупности с крылом), и ни один не способен «махать» несущей поверхностью крыла, как это делают летающие животные.
А ведь именно такой принцип полета представляли себе ученые прошлого, к нему не раз возвращались инженеры современности. Неужели ничего не вышло?
Вышло. Но эффективность оказалась сомнительной, практичность довольно низкой. Да и времена были трудные для России, чтобы хотя бы продолжать исследования.
Что такое орнитоптер?
Первые летательные аппараты задумывались как имитаторы полета птиц
Махолёт или орнитоптер — аэродинамический летательный аппарат, движителем которого является машущее крыло. Именно оно позволяет летать птицам, насекомым и летучим мышам, а так же вымершим птерозаврам.
Человек издавна мечтал имитировать их полёт, создавая крылья для полета. Раз за разом, век за веком.
В научных целях орнитоптеры создают массово, но никакого практического применения они не имеют: они необходимы для исследований машущего полета, и на данный момент цели грузоперевозок не ставится.
Полет птицы — очень сложный процесс
Все дело в том, что создание более крупных махолётов сталкивается со значительными трудностями. Множество конструкций на практике подтвердили этот вывод, хотя в ряде случаев позволяли перемещать значительные нагрузки.
Тем не менее, интерес к орнитоптерам не угасает: теоретически они могли бы иметь значительно более высокий КПД, чем самолёты, использующие пропеллеры или реактивные двигатели для создания тяги.
Дело в том, что их подъёмная сила и горизонтальная тяга создаётся за счет взмаха крыла, поэтому на малых скоростях махолёт может взлетать с места, с нулевым углом атаки.
У самолета эти процессы разделены — для одного используется крыло, для второго — двигатель.
Диаграмма сил во время полета птицы
Поэтому ему необходимо задрать нос и крыло, а такой взлёт увеличивает затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха. На малых скоростях, ведь уже после взлета и набора высоты достаточно маленького крыла.
Впрочем, ситуация переворачивается при увеличении скорости: машущему крылу нужна большая площадь, а это снижает его «летучесть» из-за возрастания сопротивления воздуха, а для создания достаточной силы тяги махолёта нужны большие крылья.
Первый шаг — провал. Второй — ещё один
Леонардо придумал множество технических систем. Махолет тоже был
Впервые махолет спроектировал Леонардо да Винчи. Вероятно, до него какие-то попытки создать устройство, копирующее полет птицы, тоже были, но именно он оставил после себя чертежи орнитоптера, приводимого в действие силой человека.
Ученый даже оставил комментарии для испытателя летательного аппарата в 1485–1487 годах:
«Этот прибор ты испытаешь над озером и наденешь в виде пояса длинный мех, чтобы при падении не утонуть.
Надобно также, чтобы опускание крыльев производилось силою обеих ног одновременно, дабы ты мог задерживаться и балансировать, опуская одно крыло быстрее другого, смотря по надобности, так, как ты видишь это делают коршуны и другие птицы.
И при том, опускание посредством двух ног всегда бывает более мощным, чем посредством одной.
А поднимание крыльев должно совершаться силою пружины или, если хочешь, рукой, а еще лучше поднятием ноги, это лучше, потому что руки у тебя тогда свободны».
Еще один мифический аппарат
Результаты испытаний его конструкции неизвестны — по всей видимости, сам Леонардо не осуществил задумку. Однако известно о более поздних попытках испытания. Увы, конструкция оказалась неспособна к полету.
Подобные аппараты строились и в других странах. Даже в России известно не менее десятка документов, описывающих полеты на махолётах с мускульной тягой (мускулолётах).
Подобие птицы пытались построить несколько веков
Наиболее детализированное — «Дело воеводы Воейкова 1730 года», гласит, что попытка оказалась удачной, хотя и беcперспективной:
»1729 года в селе Ключе, недалеко от Ряжска, кузнец, Черная Гроза называвшийся, сделал крылья из проволоки, надевал их как рукава; на вострых концах надеты были перья самые мягкие как пух из ястребков и рыболовов, и по приличию на ноги тоже как хвост, а на голову как шапка с длинными мягкими перьями; летал так мало дело ни высоко, ни низко, устал и опустился на кровлю церкви, но поп крылья сжег, а его едва не проклял».
Развитие теории в России
Легендарный теоретик аэродинамики — Николай Жуковский
Первым теоретиком машущего полета стал наш соотечественник Н.Е. Жуковский, который, изучая полеты птиц, разрабатывал свои аэродинамические теории.
Его первой работой, связанной с происхождением подъемной силы, стала «К теории летания», обнародованная в 1890.
На следующий год ученый опубликовал статью «О парении птиц» с подробным анализом основ динамики полета самолета, а также впервые рассматривались принципы расчета траекторий полета птиц и воздушных судов.
Здесь же впервые появилось решение задачи о парении в спокойной и неспокойной атмосфере, в горизонтальной плоскости, со снижением и набором высоты. Эту работу стоит рассматривать как первое научное обоснование полета и создание теории фигур высшего пилотажа.
Именно Жуковский описал физику полета живых существ
Обоснование возможности сложных движений самолета в воздухе, в том числе, «мертвой петли» дало свой результат спустя 22 года: именно тогда знаменитый русский летчик Петр Нестеров на практике выполнил выполнил замкнутую петлю в вертикальной плоскости, названную в последствии «петлей Нестерова».
В 1920–1930 годах попутно с основной работой Михаил Тихонравов, создатель первой жидкостной советской ракеты, провел объемное исследование способов полета живых существ — птиц и жуков, а так же попытался разработать модель махолета.
Результатом стала вышедшая в 1937 году выходит книга «Полет птиц и машины с машущими крыльями», которая долгое время оставалась единственной работой, рассматривающей вопросы создания орнитоптеров.
Создатель первого искусственного спутника Земли тоже интересовался махолетами
К сожалению, впоследствии ученый оставил сферу, сконцентрировавшись на ракетных снарядах «Катюш» и первого искусственного спутника Земли, запущенного ракетой Р-7 4 октября 1957 года.
К теме махолетов он смог вернуться только в 1981 году, когда группа студентов под его руководством осуществила и продемонстрировала машущий полет с помощью нескольких радиоуправляемых моделей махолетов весом 7–10 кг.
Ими же были созданы проекты больших пилотируемых машущекрылых летательных аппаратов различного назначения, в том числе пилотируемого человеком махолета, способного перелететь через Ла—Манш.
Одновременно с ними коллектив В.А. Киселева создал завершенную аэродинамическую теорию машущего полета и ряд летающих моделей с машущим крылом, наибольшая из которых была весом 12 кг.
Первые опыты. Успешные и не очень
Арт-объект «Летатлин» был призван вдохновлять и летать не умел
Пока одни развивали теорию машущего (и обычного) полета, другие лица России активно строили конструкции, по мнению разработчиков, способные перевозить человека.
Одним из первых в 1895 году был продемонстрирован незаконченный орнитоптер конструкции А.Н. Костикова-Алмазова с высотой около 4 метров. Создатель попытался собрать средства для завершения изготовления и проведения экспериментов, но спонсоры так и не были найдены.
Работавшему примерно в эти же годы В.А. Татаринову повезло чуть больше — ему удалось получить правительственное финансирование, которое использовалось для постройки орнитоптера зонтичными крыльями с самостоятельно открывающимися клапанами. Однако и эта работа не была окончена.
А вот аппараты Татаринова должны были, по мнению самого автора
Первый махолёт, построенный в России в начале ХХ века больше известен как орнитоптер Смурова. Аппарат имел мотоциклетный двигатель в 3,5 л.с., от которого имелся привод на крылья и колёса.
По замыслу автора, аппарат должен был разгоняться на старте тяговым усилием своих передних колёс от двигателя, а после переключения двигателя на крылья — взлетать.
Зато орнитоптер Смурова смог совершить полет
Аппарат был испытан в 1913 году на московском аэродроме в присутствии Н.Е. Жуковского, но не взлетел.
В 1908 году, в городе Тифлис на Махатской горе, состоялась серия из тридцати успешных полётов мускульного орнитоптера-планера с ножным педальным приводом А.В. Щиукова. Однако, этот аппарат не получил развития.
Советский мускулолёт, который почти взлетел
После революции к махолетам не возвращались длительное время. Только в 1936 году Осавиахим провёл успешные стендовые испытания пилотируемого орнитоптера с ручным приводом (мускулолета) П.И. Смирнова, в ходе стендовых испытаний которого пилот М.И. Чекалин скользил по тросу с горы на планерной станции.
Действительно удачной стала конструкция Б.И. Черановского, который в 1921, 1934 и 1935 годах проводил опыты по полётам на орнитоптерах-планёрах.
Его идеи легли в основу первого научно проработанного пилотируемого планера-орнитоптера на мускульной тяге БИЧ-18 с предельно облегченным планером, построенного в 1936–1937 годах при поддержке ОСОАВИАХИМа.
Архивные фото орнитоптера Черановского не блещут качеством,
Планер был выполнен в виде биплана с двумя подвижными крыльями, которые приводились в движение посредством тяг при действии пилота на подвесные педали. Крепление крыльев к фюзеляжу осуществлялось с помощью специальных шарниров, верхние крылья были снабжены элеронами. Хвостовое оперение выбрали обычное, что позволило сконцентрировать все управление в одной ручке.
Конструкция должна была при маховых движениях крыльев должно было препятствовать колебаниям фюзеляжа.
Аппарат массой всего 72 кг (с пилотом — 130 кг) получил размах крыла 7 м, удлинение при горизонтальном положении крыльев — 7 при общей их площади в 8 квадратных метров. Таким образом, нагрузка на несущую поверхность составила смешные даже по меркам авиации того периода 13 кг/м2.
Испытывался БИЧ-18 по специально разработанной М.К. Тихонравовым программе, предусматривавшей испытания его сначала как планера, а затем как орнитоптера.
Четыре первых полета БИЧ-18 прошли 10 августа 1937 на аэродроме в подмосковном поселке Тайнинка. Аппарат выходил при помощи резинового амортизатора на высоту 7–10 м. Первые два планирующих полета без взмахов нижнего крыла орнитоптер совершил на расстояние 120–130 м. В четвертом полете пилот сделал 6 взмахов и пролетел 430 м на высоте 7–10 м.
Всего было совершено около 150 полетов. Заметно было небольшое увеличение дальности полета при взмахах крыльев.
Аппарат Черановского стал первым успешным махолетом
Последующие исследования БИЧ-18 при помощи дыма показали, что толстые несущие крылья планера не создавали тяги при взмахах, поскольку Черановский считал, она будет появляться за счет деформации крыла. Однако на практике этого не произошло.
Поэтому позднее были спроектированы и построены «гибкие» крылья такой же формы и площади, которые при попытке планирующего полета показали невозможность применения: подъемная сила не появилась, зато на лицо были признаки флаттера.
Так вполне успешный проект остался в истории.
И до наших дней
Топоров развил серию махолётов и развил теорию полёта
Большой вклад в изучение машущего полета и создание махолетов внес инженер В.М. Топоров. Команда под его руководством создала несколько моделей махолетов.
Так, в 1983 году была разработана модель «Илона» весом 3,5 кг. Она отрывалась от земли, взлетала, но сразу же падала.
Годом позже была сконструирована еще одна резиномоторная модель РМ-4 для полета с меньшими скоростями, чем у «Илоны». Малые скорости позволяли страховать модель при полете несложным приспособлением типа удочки рыболова. Однажды модель оторвалась от асфальта и пролетела 17,5 секунд.
В 1987 году создали полноразмерный махолет «Истина» с мотором от мотоцикла «Планета-Спорт», с сосновыми крыльями и хвостовым колесом. Её испытывал на авиасалоне в Тушино летчик-испытатель Владимир Макагонов.
Аппарат все же оторвался от земли и на малых скоростях разворачивался «задом — наперед», несмотря на свой вес в 170 кг, что было зафиксировано на видеокамеру.
Зимой 1988–1989 года махолет «бегал» ровно, не задевал на пруду рыбаков и в конце зимы два раза оторвался от земли где-то на полметра, но в ходе одного из испытаний провалился в воду и был потерян.
Возможен ли махолёт в принципе?
Современные данные подтверждают, что крупный махолёт не получится успешным
Ещё в пятидесятые годы прошлого столетия исследования, проведенные специалистами ЦАГИ, показали, что тренированный человек может развить мощность 1,36 л. с. (1 кВт) в первую секунду.
После получасовой работы его мощность будет примерно в два раза меньше: с помощью мускулов можно взлететь, но потом потребуется использование планерных свойств аппарата.
Которое, в свою очередь, зависит от аэродинамического качества — отношения подъемной силы к силе лобового сопротивления.
А вот крохи вполне могут выполнять определенные задачи
Авиаконструктор О.К. Антонов пояснял:
«Так, например, если качество равно 25, то с высоты одного километра планер может, постепенно снижаясь, пролететь в спокойном воздухе 25 километров вдаль. Качество лучших современных планеров близко к 40».
Известно также, что у человека на грудные мышцы приходится всего лишь около 1% массы тела, тогда как у у птиц этот показатель — 17%. Именно поэтому человек, махая руками с пристегнутыми к ним крыльями, летать не может — приходится использовать ноги или другой двигатель.
А вот его использование до последнего момента не представлялось возможным: у инженеров просто не было высокомощных и лёгких силовых установок.
Будущее машущего полёта: Airbas и другие
Комбинированный движитель орнитоптера Делоуриера позволил аппарату взлететь
Несмотря на выводы теории и множество неутешительных экспериментов, разработки мускульных и других махолетов продолжаются.
В 2002 году появились сообщения, что американский конструктор Джеймс Делоуриер построил пилотируемый махолет, полет которого состоялся только в 2006, после того, как аппарат оснастили вспомогательным реактивным двигателем.
В рамках проекта Human-Powered Ornithopter аэрокосмического института университета Торонто (UTIAS) при помощи студентов из университетов Пуатье и Делфта в 2010 совершил полёт аппарат Snowbird, который стал первым успешным пилотируемым махолётом на мускульной тяге, способным на устойчивый горизонтальный полёт.
Сверхлёгкий Snowbird так же способен перевозить человека
Аппарат весом 42 кг получил размах крыльев 32 м и был выполнен только из углеволокна, полимеров и бальсы — легкой авиационной древесины.
Длинные гибкие крылья приводятся в движение силами пилота; для этого используются тросы. Управление взмахами осуществлялось автоматической упругой конструкцией, использующей только комбинацию аэродинамических и инерционных сил.
Аппарат разогнали с помощью автомобиля-буксировщика, после чего Snowbird полетел со стабильной скоростью и высотой, преодолев за 19,3 сек расстояние в целых 145 метров.
Более удачным оказался проект того же технологического университета Делфта DelFly Explorer: крошечный махолёт массой всего 20 грамм с размахом крыльев в 28 сантиметров не только летает 9 минут без остановки, но и умеет самостоятельно ориентироваться в воздухе, избегая столкновений с преградами.
Впрочем, аналогичный миниатюрный робот-махолёт американской компании AeroVironment размером с колибри в 2009 и вовсе научился выполнять различные фигуры высшего пилотажа, показав способность к зависанию и маневрированию с высокой точностью.
Полностью повторить движение птицы удалось только на малых моделях
Ещё дальше пошли разработчики орнитоптера проекта FlappingFlight под собственным названием Park Hawk научили полностью повторять движения живой птицы, меняя высоту, скорость и направление полета с помощью интенсивности взмаха крыльями.
Наконец, авиастроительный концерн Airbus в 2019 провёл испытания прототипа беспилотного самолёта под названием AlbatrossOne с несущими поверхностями, на которые инженеров вдохновило крыло альбатроса: самолёт получил подвижные законцовки, способные зафиксироваться при необходимости.
Подвижная часть занимает около трети крыла. Конструкция реагирует на турбулентность и порывы ветра, улучшает аэродинамические свойства, снижает нагрузку на фюзеляж.
Концепт движущегося крыла оказался полезен для самолётов. Результаты от Airbus скоро узнаем
Испытания прошли успешно — теперь компания собирается внедрить идею в серийных пассажирских лайнерах, повысив устойчивость полета и в очередной раз снизив удельный расход топлива.
Поэтому, хотя мускульные орнитоптеры для человека так и не вошли в обиход, идеи русских конструкторов остаются живее всех живых, возрождаясь в новых проектах для новых, ранее невиданных сфер применения.
Кто знает, возможно уже через пару десятков лет именно машущие крыльями дроны заменят привычные нестабильные квадрокоптеры, беспилотные вертолеты. Да и на больших самолетах мы их точно увидим ещё не один раз.
