Как московский инженер построил махолет
Старая, как целый отечественный род, мечта летать как птица — другими словами вольно махая крыльями — остается невоплощенной. Мечта эта так сильна, что не смотря на то, что до сих пор ни одна компания и ни одна армия мира не эксплуатирует ни единого орнитоптера, действующая Конвенция о интернациональной гражданской авиации включает его определение: «Воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полете по большей части за счет реакций воздуха с его плоскостями, которым придается маховое перемещение».
От самолета до вертолета
Но, у грезы о маховом полете имеется и практическая сторона. Аэродинамическое уровень качества — отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, которое определяет эффективность полета — у самолетов только высоко. Но самолеты требуют дорогих и сложных аэропортов, громадных взлетно-посадочных полос.
Вертолеты в этом смысле эргономичнее, они взлетают и садятся вертикально, не требуя для этого какой-либо инфраструктуры. Они намного маневреннее а также способны зависать без движений. Но аэродинамическое уровень качества вертолетов невысоко, и час их полетного времени стоит совсем недешево.
Попыток скрестить одно с другим делается много — у конвертопланов и винтокрылых автожиров имеется собственные поклонники. Для решения некоторых узких задач эти летательные аппараты смогут быть кроме того незаменимы. Но все-таки такие гибриды выясняются не через чур успешными: известна шутка о том, что они соединили не столько преимущества, сколько главные недочёты и самолетов, и вертолетов.
Но вот махолеты могут быть подходящим ответом. Теоретически, они сумеют взлетать с места, будут маневренны впредь до способности зависать в воздухе и смогут демонстрировать практически самолетное аэродинамическое уровень качества.
Но первые неловкие воздухоплаватели вспоминали, само собой разумеется, не о самолетах, которых еще вовсе не было, а о птицах. Казалось, что достаточно обучиться отталкиваться от воздуха крыльями — и человек полетит. С этими взорами, само собой разумеется, никто из них так и не смог оторваться от почвы.
Крылатые механические приспособления в лучшем случае разрешали неудобно планировать, как это проделал легендарный монах-бенедиктинец Эйлмер, что около тысячи лет назад сиганул с башни Малмсберийского аббатства в Англии, получив тяжелые травмы.
- Мухолет Маленькие орнитоптеры разрабатываются в различных государствах мира. В большинстве случаев, авторы их пробуют с большей либо меньшей точностью сымитировать природу, повторив конструкцию летающего насекомого.
В мае 2015 года Питер Эббил и Роберт Дадли из лаборатории биомиметических миллисистем Университета Беркли показали очень эффектный взлет 13,2-граммового махолета с «пусковой установки» на пояснице шестиногого микроробота.
От птицы до насекомого
Обстоятельство бессчётных неудач понятна: саму сущность полета в те годы воображали достаточно смутно. Подъемную силу птицам дает не опора на воздушное пространство, а особенный контур профиля крыла. Разделяя набегающий поток надвое, он заставляет воздушное пространство над верхней кромкой двигаться стремительнее, чем над нижней. По закону Бернулли, давление будет выше в области с более медленным потоком. Появляющаяся отличие между давлением под крылом и над ним формирует подъемную силу.
Но стоит начать махать крыльями — и эта ясная картина всецело изменяется.
Узнаваемая поговорка гласит, что «по законам аэродинамики шмели по большому счету не смогут летать». В принципе, это справедливо: с позиций хорошей аэродинамики их крылья и насекомые — это что-то несусветное. Кроме того в теории они неспособны создать подъемную силу и тягу, нужные для полета, — в случае если лишь мы не перейдем от хорошей аэродинамики планера к новой, нестационарной.
Тут все в противном случае: турбулентные завихрения, с которыми конструкторы самолетов борются не покладая рук, становятся ключом к полету и шмеля, и его родственников.
Большие птицы применяют взмахи только иногда — к примеру, в то время, когда нужно затормозиться для посадки либо взлететь. Эти взмахи плюс перемещения ног разрешают им взять направленную вперед тягу, чтобы в воздействие вступила подъемная сила крыла. Насекомые же машут крыльями неизменно, причем по особенной траектории, скорее вперед-назад, чем вверх-вниз.
В сочетании с достаточной частотой и гибкостью крыльев взмахов это формирует у их передней кромки турбулентные завихрения, каковые «сбрасываются» с края крыла в верхней и нижней точках. Они и создают достаточную для полета шмеля подъемную силу и тягу.
Меняя скорость первой и второй фаз перемещения, насекомое осуществляет контроль направление этих сил, маневрируя в воздухе. А также щетинки, неровности и бугры на поверхности крыла — отличие от обтекаемого крыла самолета — трудятся на образование турбулентных вихрей.
От Москвы до Торонто
Этих тонкостей не знали продолжительно и до конца не знают до сих пор. Но оказалось, что в несложном случае это и необязательно. Еще до Второй мировой германские авиаконструкторы с успехом запускали маленькие легкие орнитоптеры, применяющие для привода скрученный резиновый жгут.
Увлечению ими дал дань кроме того известный аэродинамик Александр Липпиш, а в 1930-х Эрику фон Хольсту удалось оторвать от почвы орнитоптер, на что был установлен двигатель внутреннего сгорания.
Но создать аппарат, что возможно было бы разглядывать как прототип чего-нибудь нужного, способного нести хотя бы одного человека либо груз, тогда так и не удалось. В 1960-х Персифаль Спенсер показал полет «орниплана» с размахом крыльев 2,3 м и маленьким (количеством 5,7 см3) двухтактным двигателем — пилотировался он оператором, по кабелю.
Более большой махолет взлетел только в начале 1980-х, в то время, когда доктор наук Столичного авиационного университета Валентин Киселев сконструировал семикилограммовый аппарат, талантливый самостоятельно стартовать и оставаться в полете. Со временем модель освободилась от кабеля и управлялась по связи. По следам Киселева в данной работе двигался его заокеанский сотрудник Джеймс Делориер.
В первой половине 90-ых годов двадцатого века Делориер взял диплом Интернациональной федерации аэронавтики за создание «первого оснащенного двигателем и дистанционно управляемого орнитоптера». В 2006 году его модель UTIAS Ornithopter No.?1 взлетела, а скоро поднялся в воздух и пилотируемый махолет Snowbird — за 14 секунд он пролетел около 300 м на мускульной тяге пилота.
«Это не совсем честный итог, — поясняет ученик доктора наук Киселева, выпускник МАИ Андрей Мельник. — Я знаком с этими конструкциями, и их нельзя считать махолетами в полном понимании этого слова. Первый аппарат оснащался реактивным двигателем для тяги и взлета. А второй показал еще одну ответственную вещь: что мускульной силы человека для машущего полета не хватает.
Кроме того подготовленному пилоту, спортсмену, да и то удалось пролететь очень мало».
- Возвратно-поступательное перемещение поршней двигателя трансмиссия преобразует во вращательное перемещение шестеренок, а кривошипно-шатунная передача превращает его опять в возвратно-поступательные взмахи крыльев. Изобретатели грезят о том, дабы сделать эту схему действеннее, напрямую передавая перемещения поршней крыльям.
От игры до науки
Нужно заявить, что в случае если «нужный» машущий полет не удается освоить до сих пор, то игровая индустрия чувствует себя в данной области уже в полной мере с уверенностью. Первые маленькие модели на резинке показались в продаже еще в конце XIX века, а сейчас одну из популярных игрушек с машущими крыльями, электромотором и на радиоуправлении предлагает компания-разработчик игрушечных роботов WowWee.
«Я сам начинал с авиамоделирования, — говорит Андрей Мельник, — исходя из этого воображаю, как требовательны самолеты к мастерству пилота, управляющего ими с почвы. Практически одно неловкое перемещение — и он заваливается в штопор либо в крен. И я могу заявить, что мой опыт управления отечественным махолетом говорит о том, что с этим аппаратом справится кроме того ребенок.
Он оказался у нас таким устойчивым, что легко прощает все неточности и остается в воздухе».
Средства в разработку нового типа летательных аппаратов при достаточно вызывающих большие сомнения возможностях вкладывают нехотя. Но Андрею Дмитрию и Мельнику Шувалову удалось убедить инвесторов, что благодаря современным разработкам и при должных вложениях махолет возможно создать. «Нам удалось нащупать пара принципиальных моментов, каковые прежде, среди них и в то время, когда я трудился с доктором наук Киселевым, понимались неверно, — додаёт конструктор. — Первые отечественные модели , не выдерживая нагрузки.
Так вот, предполагалось, что такую нагрузку на аппарат создают аэродинамические силы. Но опробования продемонстрировали, что это не верно, и главное действие он испытывает из-за инерции машущих крыльев».
Узнав обстоятельства неудач, разработчики максимально снизили вес крыла — до 600 г при площади 0,5 м2 — и демпфировали его действие на фюзеляж. «Настоящим сюрпризом для нас стали результаты моделирования, каковые продемонстрировали, что аэродинамический центр четырехкрылого аппарата находится не где-то между передней и задней парой крыльев, а сзади них, — вспоминает Андрей Мельник. — Дабы решить эту проблему, было нужно поменять геометрию переднего и заднего оперений. Но в следствии махолет стал с уверенностью держаться в воздухе».
- задние крылья и Передние орнитоптера машут в противофазе. Это быстро снижает колебания аппарата в полете и нагрузки, появляющиеся под действием инерции движущихся крыльев.
От практики до теории
Первый полет махолета прошёл в 2012 году, в то время, когда аппарат, еще практически неуправляемый, пролетел около 100 м. Его твёрдые композитные крылья приводились в перемещение маленьким двигателем с кривошипно-шатунной передачей. А спустя еще полгода усовершенствованная 29-килограммовая версия оставалась в воздухе уже столько времени, на какое количество хватало полулитрового топливного бака — 10−15 мин.. На собственный махолет разработчики оформили патент РФ №?2488525.
«Кроме другого, мы столкнулись еще и с проблемой управления, — продолжает Андрей Мельник. — По вертикали махолет отклонялся и управлялся надежно, посредством рулей высоты на хвостовом оперении. А вот дабы поменять курс еще и по горизонтали, нам было нужно установить на крыльях дополнительные законцовки. Меняя их положение, произошло всецело руководить аппаратом в полете, по радиоканалу».
Нужно заявить, что вертикально махолет все-таки не взлетает, не смотря на то, что для разбега ему требуется весьма маленькая полоса. Всего 5−10 м — и он уходит в отрыв. Эту цифру возможно еще уменьшить, но для настоящей полноразмерной модели конструкцию придется без шуток усовершенствовать.
По словам Андрея Мельника, в первую очередь требуется отказаться от кривошипно-шатунного механизма, не через чур успешного для машущих перемещений крыльями. Он порождает через чур страшные инерционные силы, каковые особенно громадны в верхней и нижней «мертвых точках» колебания. «В случае если мы заберём второй привод, что способен накапливать энергию последних фаз перемещения и после этого применять ее для перемещения в обратном направлении, то он будет значительно действеннее, — говорит конструктор. — Это возможно, к примеру, пневматический механизм, такие задумки у нас имеется».
«Хуже всего то, что мы так и не понимаем в точности, как же он летает, — продолжает Андрей Мельник. — И по образованию, и по навыкам мы — практики, конструкторы, а не теоретики, не ученые. Но мы совершенно верно можем заявить, что простые теоретические модели для махолета не подходят, и отечественные опробования это подтвердили. В частности, коэффициент подъемной силы у нас был в разы больше, чем у обычного самолетного крыла. Из-за чего?
Надеюсь, кто-нибудь разберется». Возможно, все вправду случится в обратном порядке: узнав, как летает махолет, мы, наконец, разберемся и в машущем насекомых и полёте птиц.
Статья «От грезы» размещена в издании «Популярная механика» (№158, декабрь 2015).
<
h4>