Движитель для дирижабля

В журнале "Мотор" №10(6) за октябрь 1996 года есть статья "Махну приветливо тебе крылом...", в которой подробно описывается история развития теории машущего полета, изучавшейся в Московском Авиационном Институте (МАИ) с 1976 года под руководством Валентина Киселева. В статье сообщается об обширной материально-испытательной базе, об углубленном научном подходе, о создании моделей с массой 10 кг и двигателем внутреннего сгорания, а также о расчетном проекте махолета с взлетным весом 450 кг, потолком 4500 метров, размахом крыльев 7.1 метра и скоростью полета 150 км/час. Кроме того, упоминается о теоретической возможности создания махолета массой 5600 кг, способного перевозить 10 пассажиров на 1000 км (или 5 пассажиров на 1800 км) с крейсерской скоростью 800 км/ч.

Дальше (да и глубже в практическом плане) всех в вопросе изучения машущего полета зашел В. Топоров из города Воткинска Удмуртской АССР. Один из его махолетов, "Истина" (с мотором от мотоцикла "Планета-Спорт"), участвовал в смотре-конкурсе СЛА в Тушино в 1987 году. В официальном отчете слета сказано, что махолет резво бегал по полю со скоростью 50 км/час, но полностью оторваться от земли так и не смог.

Махолет "Истина" на слете в Еушино, 1987 год

Практически все махолеты Топорова сделаны по схеме, напоминающей стрекозу, т.е. имеющей 4 крыла, машущих в противовесе. Это позволяет избежать сильных вибраций от ударов крыльями, а также увеличить КПД и полностью избавиться от потерь на торможение/разгон крыла, т.к. энергия ударов крыльями аккумулируется деталями привода на всех режимах. Платой за удовольствие является дополнительная масса крыльев и более сложный привод.

Существуют и другие, более экзотические формы вроде крыла-жалюзи, закрытого при опускании вниз и открывающиеся при поднимании. Перспективы у такого крыла крайне маловероятны из-за аналога каппилярного эффекта - чем меньше отверстие, тем труднее через него пропустить жидкость/газ, т.е. решетка обладает довольно большим аэродинамическим сопротивлением. В этом убеждались еще до изобретения пропеллера при попытках маховым движением плоскостью двигать воздушный шар.

Соображения по поводу мускульных махолетов. Ясно, что геометрический аналог птицы типа голубя человеку не осилить. Не надо забывать, что главная задача махолета -"загребать" воздух наиболее оптимальным образом. Аэродинамической формой крыла тоже не стоит увлекаться - альбатросу крылья, как у планера, нужны для планирования в восходящих потоках воздуха.

Крылья будут больше похожи на крылья летучей мыши, а не на птичьи.

"При всей заманчивости технического применения принципов машущего полёта птиц, эти принципы до сих пор непонятны науке, по которой выходит, что птичий полёт — это какое-то недоразумение Природы. Бесспорный факт: распростёртые и зафиксированные птичьи крылья создают подъёмную силу при достаточной скорости обтекания. Заметим, что эта подъёмная сила мало зависит от того, зафиксированы ли распростёртые крылья в своём среднем положении, или в любом другом положении — в пределах полной амплитуды маха при оптимальном силовом режиме прямолинейного горизонтального полёта. Значит, машущие движения здесь требуются не для создания подъёмной силы, а исключительно для создания тяги. С этим выводом согласуется и такое наблюдение: для увеличения скорости горизонтального .машущего полёта, птица увеличивает частоту машущих движений.

Как же можно "отталкиваться от воздуха" с помощью этих движении? Казалось бы, отброс воздуха назад при машущих движениях крыльев вверх-вниз легко достижим при соответствующих углах атаки. В самом деле, при махе вверх крыльями с положительным углом атаки, воздух бы отбрасывался назад, и возникала бы реактивная сила, которая толкала бы птицу вперёд. Но, при махе вниз теми же самыми крыльями, аналогичная реактивная сила толкала бы птицу уже не вперёд, а назад. Тут бы сделать отрицательный угол атаки но тогда стала бы отрицательной подъёмная сила! Как можно видеть, при варьировании угла атаки машущих крыльев с целью создания тяги, практически невозможно добиться ровного и устойчивого горизонтального полёта. Благодаря создателям телесериалов о живой природе, имеется возможность наблюдать подробности машущих движений крыльев у разных птиц, совершающих прямолинейный горизонтальный полёт в оптимальном силовом режиме. Так вот, действительно: на протяжении машущего цикла никаких изменений угла атаки не просматривается. Кстати, биологи подтвердят, что у птиц попросту нет мышц, которые могли бы выворачивать крылья для изменения угла атаки: грудная мышца производит мах вниз, а подключичная плюс помогающая ей большая дельтовидная - мах вверх. Птица может активно выворачивать лишь оконечности крыльев - причём, в ограниченных пределах; и требуется это для руления (у самолётов аналогично работают элероны). А, чтобы изменить угол атаки, например, увеличить его для торможения в воздухе, птицам приходится изменять положение всего корпуса, "задирая нос". Впрочем, имеет место и небольшое пассивное изменение эффективного угла атаки благодаря гибкости маховых перьев. В этой-то гибкости маховых перьев и заключается, на наш взгляд, секрет создания тяги машущими движениями крыльев.

Вот этот секрет. Стержень махового пера утончается в направлении к кончику, и на кончике практически сходит на нет. Поэтому, чем ближе к кончику, тем больше гибкость махового пера. Это свойство приводит вот к чему: из-за сопротивления воздуха маховым движениям, кончики маховых перьев изгибаются в сторону, противоположную направлению маха. То есть, задние части крыльев, составленные из кончиков маховых перьев, работают как гибкие закрылки которые, при махе крыльями вниз, пассивно отгибаются вверх, и наоборот. При этом, как можно видеть, именно гибкими закрылками машущие крылья "отмахивают" воздух назад. На наш взгляд, это и порождает реактивную силу, толкающую птицу вперёд. Каков курьёз: крылья птиц отмахивают воздух по хорошо известному принципу гибкого дамского веера, зачастую сделанного из... длинных птичьих перьев! [4].

...А вот экспериментальные махолёты с жёсткими крыльями, на наш взгляд, не имитируют птичий полёт. Секрет машущего полёта птиц - в гибких закрылках. При полёте в оптимальном силовом режиме, машущие движения требуются лишь для создания тяги, возникающей при "отмахивании" воздуха назад гибкими закрылками. Что же касается подъёмной силы, то она обеспечивается не машущими движениями, а - как и при планирующем полёте - положительным эффективным углом атаки, благодаря которому, при достаточной скорости обтекания, над крылом воздух разрежается, а под крылом он уплотняется, что и порождает перепад давлений. Причём почти постоянный положительный угол атаки при машущих движениях в значительной степени обусловлен той особенностью сочленения птичьих крыльев с корпусом, из-за которой машущие движения выполняются не строго ортогонально линии полёта, а вниз-вперёд и вверх-назад. И вот ещё что важно: у птиц, приспособленных не к планирующему полёту, как альбатрос, а именно к полёту машущему, гибкие закрылки обычно прорежены.

Для формирования такого "разрезного крыла", оконечные участки опахал маховых перьев бывают даже специально заужены. Конечно, это делается неспроста. На тех скоростях обтекания, которые достижимы при машущем полёте, воздух ведёт себя как среда с малой вязкостью. И если гибкие закрылки были бы сплошными, то они порождали бы сильные завихрения, что снижало бы энергетическую эффективность полёта. Разрезное же крыло, очевидно, снижает силу завихрений до приемлемого уровня."[5].

«Можно предположить, что коэффициент превращения механической энергии маха крыльями в энергию движения составит не более η_M=0,6 КПД воздушного винта самолета лежит в пределах η_BB=(0,7:0,85). Для легкомоторного самолета можно принять этот коэффициент равным η_BB=0,75 КПД. КПД махолета будет меньше, чем у самолета с похожей аэродинамической компоновкой. Таким образом, не оправдываются надежды на создание более экономичного летального аппарата. Тем не менее, махолеты представляют значительный спортивный интерес и обязательно займут свою нишу в авиации будущего.»(6)

В вышеупомянутых разработках махолетов или орнитоптеров, ориентированных, главным образом, на маховые движения стрекозы или птицы, нельзя рассчитывать на достаточно высокую силу тяги, порождаемую крыльями. Дело в том, что такие движения позволяют "опереться о воздух" или отбросить некоторую его порцию. Но и то, и другое, на наш взгляд, является принципиальной ошибкой: эффективно опереться о воздух и откинуть его не удастся в силу его текучести. В лучшем случае будет получен плохой вариант реактивного движения.

Исходя из этого, мы приходим к выводу, что все известные работы по созданию махолётов и орнитоптеров ориентированы только на машущее движения крыла птицы, а потому не могут достигнуть эффективного результата.

Вышеупомянутая гибкость крыла, также как маховое движение, - необходимое, но не достаточное условие. Веероподобное движение, к которому приходят ... не может способствовать эффективному движению крыла, поскольку из-за текучести среды возникают плохоорганизованные первичные и результирующие потоки, на движение которых будет неэффективно затрачиваться энергия движения крыла.

Поверхностными являются представления о роли вихревого движения в процессе махового движения крыльев.

Мы, по-видимому, нашли выход из создавшейся ситуации.

2.2 Наши ранние результаты

В нашей работе "Почему летают птицы" (Ярмарка идей. 2004) [7] мы сообщили результаты исследования пера птицы Оказалось, что расположение ствола пера и опахала может характеризоваться некоторым параметром U, принимающим значения от нуля (для перьев, служащих планирующему полету - перьев хвоста и перьев, ближайших к телу птицы) до 0,4 (для перьев, наиболее удаленных от тела птицы). Большая же часть маховых перьев характеризуется значением параметра U = 0,29.

Рис.4 Фотография чучела Кукши из Дарвиновского музея (г.Москва): а–общий вид, б–фрагмент крыла

Рис.5 Фотография чучела Японского журавля из Дарвиновского музея (г. Москва): а–общий вид, б–фрагмент крыла

На рис.4,а приведена фотография чучела Кукши, сделанная в Дарвиновском музее г. Москвы после оплаты разрешения фотографировать экспонаты музея. На рис. 4,6 укрупненно показано это крыло. Здесь можно видеть, какие перья присутствуют в крыле и где и как они расположены. На фотографиях (рис. 5,а и б) чучела Японского журавля, гиганта по сравнению с Кукшей, в крыле можно видеть аналогичные перья, только очень крупные и расположенные в том же порядке, что и у Кукши. Ранее нами исследовались перья городских ворон и голубей, а также перья сокола, чайки, воробья. У всех птиц значения параметра U вполне определенно характеризовали перо, его функциональную принадлежность.

Но оказалось, что максимальная сила тяги возникает у маховых перьев со значением параметра U=0,29. Перья со значением U=0,4, самые удаленные от тела птицы, легче всего и быстрее остальных перьев разворачиваются в воздухе при ударе крылом вверх или вниз, что привело нас к другой гипотезе, что действует "эффект жалюзи". Этот эффект способствует быстрому развороту или смыканию остальных маховых перьев.

Таким образом возникла наша гипотеза о том, что именно расположение ствола пера и поверхности, образованной опахалом, является основным свойством пера, способствующим возникновению силы тяги крыла. В дальнейшем эта гипотеза получила существенное подтверждение в наших экспериментальных исследованиях.

Но наш вывод будет заключаться в том, что не просто оперение крыла способствует превращению его в движитель, а именно каждое перо несет в себе совершенно определенные функции движителя. Поэтому у птицы в крыле есть, прежде всего, маховые перья и перья для осуществления планирующего полета. Маховые перья служат созданию силы тяги крыльев, причем в стадии планирующего полета они могут складываться или нет в единую крыловую поверхность. А перья планирования служат для осуществления не только этой стадии полета (наиболее определенными в этом смысле перьями являются хвостовые перья), но и стабилизации.

3. НАШИ НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1 Гипотеза

Рис.6 Показан профиль крыла в потоке воздуха: а - вогнутость крыла направлена вниз, что способствует возникновению подъемной силы, направленной вверх; б -вогнутость - вверх, подъемная сила - вниз

Хорошо известно [8], как возникает подъемная сила крыла, находящегося в потоке воздуха. 1^а рис.6 это показано схематически. Подъемная сила^ под направлена перпендикулярно встречному потоку воздуха. На рис.6,а эта сила направлена вверх, а на рис.6,б - вниз. Все зависит от того, как расположен профиль крыла по отношению к встречному потоку воздуха.

Главное наше предположение заключается в том, что крыло как движитель работает таким образом, что сила удара, прикладываемая к крылу вверх или вниз, приводит из-за гибкости и упругости перьев к такой форме крыла, которая вынуждает окружающий воздух к образованию встречных потоков.

На рис.7 показаны положения и форма крыла при ударе, выполняемом вверх или вниз. Цифрами 1,2 и 3 отмечены положения, крыла и соответствующие им вихри. На рис.7 кольцевые вихри показаны в разрезе. Самый ранний вихрь - это вихрь 1, а поздний - 3.

Таким образом, образовав вихри в процессе ударного возвратно-поступательного воздействия на среду, крыло возбуждает встречный поток воздуха. Тогда по закону сохранения импульса крыло будет приобретать движение вперед со скоростью V.

Рис.7 Показаны формы профиля крыла в последовательных положениях 1,2 и 3 при ударах, выполняемых вверх, вниз и вверх соответственно. Вихривыми линиями показаны возникающие потоки воздуха

На рис. 8 показано, как совместное действие силы удара г и порожденная ей сила реакции среды п приводит к результирующей силе R действие которой на крыло приводит к движению крыла вперед.

Рис.8 Показан профиль крыла АСВ при ударе вверх (а) и вниз (б). Сила удара F и сила реакции опоры N создают результирующую силу R

В отличие от всех ранее известных подходов к рассмотрению картины возникновения подъемной силы новизна нашего подхода заключается в том, что, искусственно замещая подъемную силу крыла прикладываемой силой, мы приводим крыловую поверхность в силу её гибкости к форме, близкой к форме крыла птицы.

Тогда в этих условиях должен возникать поток воздуха, поведение которого должно соответствовать поведению встречного потока воздуха в обычной картине возникновения подъемной силы крыла.