Бесплатный фрагмент - Машущий полёт. Мифы и реальность

Per aspera ad astra
Через тернии к звездам

ДЕДАЛ И ИКАР

Овидий, «Метаморфозы» (1 век до н. э.)

Величайшим художником, скульптором и зодчим Афин был Дедал, потомок Эрехтея. О нем рассказывали, что он высекал из белоснежного мрамора такие дивные статуи, что они казались живыми. Много инструментов изобрел Дедал для своей работы; им были изобретены топор и бурав. Далеко шла слава о Дедале.

Много дивных произведений искусства изготовил Дедал для царя Крита. Он выстроил для него и знаменитый дворец Лабиринт, с такими запутанными ходами, что раз войдя в него, невозможно было найти выхода.

Не хотел отпустить его царь с Крита; только один хотел он пользоваться искусством великого художника. Словно пленника, держал Минос Дедала на Крите. Дедал долго думал, как бежать ему, и, наконец, нашел способ освободиться от критской неволи.

Если не могу я, — воскликнул Дедал, — спастись от власти Миноса ни сухим путем, ни морским, то ведь открыто же для бегства небо! Вот мой путь! Всем владеет Минос, лишь воздухом не владеет он!

Принялся за работу Дедал. Он набрал перьев, скрепил их льняными нитками и воском и стал изготовлять из них четыре больших крыла. Пока Дедал работал, сын его Икар играл около отца. Мальчик беспечно резвился, его забавляла работа отца. Наконец, Дедал кончил свою работу; готовы были крылья. Дедал привязал крылья за спину, продел руки в петли, укрепленные на крыльях, взмахнул ими и плавно поднялся на воздух. С изумлением смотрел Икар на отца, который парил в воздухе, подобно громадной птице. Дедал спустился на землю и сказал сыну:

Слушай, Икар, сейчас мы улетим с Крита. Будь осторожен во время полета. Не спускайся слишком низко к морю, чтобы соленые брызги волн не смочили твоих крыльев. Не подымайся и близко к солнцу: жара может растопить воск, и разлетятся перья. За мной лети, не отставай от меня.

Отец с сыном надели крылья на руки и легко понеслись. Те, кто видел их полет высоко над землей, думали, что это два бога несутся по небесной лазури. Часто оборачивался Дедал, чтобы посмотреть, как летит его сын. Они миновали уже острова Делос, Патрос и летят все дальше и дальше.

Быстрый полет забавляет Икара, все смелее взмахивает он крыльями. Икар забыл наставления отца; он не летит уже следом за ним. Сильно взмахнув крыльями, он взлетел высоко под самое небо, ближе к лучезарному солнцу. Палящие лучи растопили воск, скреплявший перья крыльев, выпали перья и разлетелись далеко по воздуху, гонимые ветром. Взмахнул Икар руками, но нет больше на них крыльев. Стремглав упал он со страшной высоты в море и погиб в его волнах. Дедал обернулся, смотрит по сторонам. Нет Икара. Громко стал звать он сына: — Икар! Икар! Где ты? Откликнись!

Нет ответа. Увидал Дедал на морских волнах перья из крыльев Икара и понял, что случилось. Как возненавидел Дедал свое искусство, как возненавидел тот день, когда задумал спастись с Крита воздушным путем!

А тело Икара долго носилось по волнам моря, которое стало называться по имени погибшего Икарийским (Часть Эгейского моря между островами Самосом, Паросом и берегом Малой Азии). Наконец, прибили его волны к берегу острова; там нашел его Геракл и похоронил.

Дедал же продолжал свой полет и прилетел благополучно в Сицилию. Там он поселился у царя Кокала. Долго жил Дедал в Сицилии. Последние же годы провел на родине, в Афинах; там стал он родоначальником Дедалидов, славного рода афинских художников.

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума» Н.Е.Жуковский

Природа создала птиц для полета, и все строение тела, вся совокупность их условных и безусловных рефлексов служат этой цели. Воздушный океан — это среда обитания птиц. За миллионы лет эволюции птицы методом случайного перебора вариантов и естественного отбора смогли приспособиться к жизни в воздушном океане.

Человек создан и оптимизирован в процессе эволюции для передвижения по земле, все строение его тела, стереотипы движений, вестибулярный аппарат и другие системы служат для этой цели. Поверхность земли — это среда его обитания. Не только строение тела, но и отсутствие условных и безусловных рефлексов, навыков и стереотипов препятствовало завоеванию воздушного океана.

Человек, используя силу своего интеллекта, всю совокупностью знаний и опыта предыдущих поколений, начал осваивать воздушный океан, и не далек тот час, когда первые махолеты поднимутся в небо, открывая эру машущего полета.

Начать эту книгу мне хотелось бы с истории машущего полета, но таковой в настоящее время нет. История машущего полета должна начинаться с первых шагов, приведших к первому пилотируемому полету, как, например, история самолетов начинается с первых полетов братьев Райт. Многочисленные неудачные попытки выполнения машущего полета и экзотические конструктивные решения, в том числе и рисунки гениального Леонардо Да Винчи, не могут быть включены в историю пилотируемого махолета, и здесь не рассматриваются.

Ниже представлены материалы автора, напечатанные в различных журналах, посвященные проблемам машущего полета, а также исследованиям аэродинамики машущего полета. Работа над книгой продолжается, и по мере подготовки последующие издания будут пополняться новыми материалами. Автор надеется, что эти исследования помогут энтузиастам машущего полета избежать ошибок и разочарований в этой нелегкой работе и приблизить время первого полета махолета с человеком на борту.

ОБЩИЕ пРОБЛЕМЫ МАШУЩЕГО ПОЛЕТА

Когда человек взглянул на небо с целью его освоения, то первой мыслью было: научиться летать как птица. Первые энтузиасты пытались сделать крылья, подобные крыльям птицы, и полететь как птица. Все эти попытки оказались неудачными, а специальные исследования показали, что иными они не могли быть.

Сначала определимся, что же означает слово махолет.

Махолет — это пилотируемый летательный аппарат, у которого подъемная сила и тяга возникает за счет взмахов крыльями.

Итак, машущий полет с человеком на борту — реальность или беспочвенная фантазия. Из множества проблем, связанних с осуществлением такого полета, рассмотрим основные:

1. Почему?

2. Каким способом?

3. Какие преимущества?

4. Для кого?

Первая реакция обычного гражданина Украины при этом слове: только махолета нам и не хватает. Конечно, для страны, находящейся в таком сложном положении как Украина, даже слово махолет может вызывать недоумение и раздражение. Чтобы занять достойное место в мире Украина должна предложить не только сало или продукцию черной металлургии, но, прежде всего, наукоемкую продукцию, среди которой махолет может найти свое место.

Что нам стоит махолет построить? Вот уже не одну сотню лет энтузиасты пытаются построить махолет и все напрасно. Махолет оказался крепким орешком. Исследования показали, что для практического создания махолета необходимо проведение специальных научных исследований и разработка новейших методик и процессов на базе современных достижений науки и техники. В сарае махолет не построишь, для этого необходимы современные компьютеры, станки и оборудование. Создатели махолета должны уметь генерировать новые идеи на базе высочайшего профессионального опыта работ в авиационной отрасли.

Например, для проведения аэродинамических расчетных исследований потребовалось разработать принципиально новую математическую модель летательного аппарата и создать пакет программ, позволяющий моделировать полет махолета с помощью компьютера.

Энтузиасты машущего полета верят в необычайную экономичность этого летательного аппарата. Специальные исследования этой проблемы, проведенные автором, показали, что махолет будет уступать по экономичности самолету с похожими параметрами почти в два раза, будет иметь небольшую скорость полета, высокую стоимость. Полет на махолете будет напоминать поездку на лошади, мчащейся галопом. Техника пилотирования махолета достаточно сложная, для разбега потребуется длинная взлетно-посадочная полоса и т. д.

Итак, топлива не сэкономишь, мешок картошки из глубинки на базар не привезешь, и даже девушку не покатаешь. Кому он такой нужен? Сегодня в мире сотни тысяч летательных аппаратов бороздят воздушное пространство в любительских, спортивных целях или для удовольствия, не принося никакой прибыли их владельцам. Махолет — это необычно, это интересно, это увлекательно, значит это нужно.

Кому нужно? Прежде всего населению высокоразвитых стран с высоким уровнем жизни, таким, как США, Западная Европа, Япония.

Наука и техника развиваются по своим законам, и остановить прогресс невозможно. Большинство энтузиастов машущего полета пытаются копировать достижения Природы для создания махолета, поэтому рассмотрим проблемы использования бионики в авиации.

Бионика в авиации

100 лет назад самолет братьев Райт совершил свой первый полет. С тех пор авиация достигла замечательных успехов. Человек создал разнообразные летательные аппараты от дирижабля до космических ракет, от планеров до межконтинентальных лайнеров.

Но одна мечта человечества осталась неосуществленной — это создание пилотируемого махолета, который мог бы летать подобно птице без пропеллера, создавая подъемную силу и тягу за счет взмахов крыльями.

Столько сил было потрачено энтузиастами во всем мире и все безрезультатно. Махолет оказался крепким орешком. Но птицы летают, и делают это превосходно.

В чем же дело?

Читая многочисленную литературу по проблемам машущего полета, я хотел бы высказать следующую крамольную мысль: изучение механизмов и принципов полета насекомых и птиц конечно интересно, но ничего не дает для создания махолета.

Дело в том, что у Природы и Человека разные элементная база и технологические возможности.

В распоряжении Природы имеется ограниченный набор элементов: живые клетки, способные выполнять различные функциональные обязанности, кости, сухожилия для сбора и передачи усилий от мускульных клеток к костям, суставы, обеспечивающие взаимную подвижность, нервная система, способная управлять каждой клеткой организма. Природа освоила чрезвычайно экономичные процессы превращения и использования энергии. Используя метод проб и ошибок с помощью законов генетики и естественного отбора, за миллионы лет Природа на своей элементной базе создала удивительные формы живых существ, превосходно приспособленных к самым различным, в том числе и экстремальным, условиям жизни.

У человека совершенно иная элементная база. Это легкие и прочные материалы, совершенные механизмы, устройства для использования и превращения энергии, быстро развивающиеся информационные системы и, это главное, накапливающийся опыт и знания, доступные каждому участнику человеческого сообщества.

Кроме того, Человек использует для своего развития метод целенаправленного перебора вариантов на базе предыдущего опыта и накопленных знаний, позволяющий сократить время разработок до минимума.

Величайшее изобретение человечества колесо и укрощенный огонь Природа на своей элементной базе создать, в принципе, не могла.

Сравнивая элементные базы Человека и Природы, можно отметить, что Человек имеет в своем распоряжении гораздо более прочные материалы, более совершенные механизмы, более мощные энергетические установки. Все это позволило Человеку создать летательные аппараты, превосходящие по взлетному весу, скорости, экономичности и другим параметрам любое создание Природы.

Кроме того, у Человека и летающих существ различные условия существования, поэтому, даже тщательно изучив эти механизмы, человек не сможет ими воспользоваться. На это есть несколько причин принципиального характера.

Учитывая законы аэродинамики, все летательные аппараты и летающие существа можно разделить на три группы:

— насекомые;

— птицы и модели летательных аппаратов;

— махолеты и самолеты.

Аэродинамический параметр, который разделяет эти группы, это число Рейнольдса Re, которое определяется соотношением между силами инерции и силами вязкости, возникающими в обтекающем поверхность потоке воздуха.

Re=V*L / n, где V — скорость потока;

L — хорда крыла;

n — кинематический коэффициент вязкости воздуха.

Я не буду вдаваться в подробности, надеюсь читатель познал основы аэродинамики крыла, и только отмечу, что величина числа Re определяет характер течения воздушного потока над поверхностью крыла. На малых числах Re преобладают силы вязкости и течение ламинарное, на больших — силы инерции и течение турбулентное. Критическое значение числа Re, разделяющее две основные области характеристик потока, составляет для профиля 120 000÷160 000.

Ниже приведены числа Re для различных аппаратов и существ.

Авиация

Транспортные самолеты Re = 1´108 и Re> Reкр

Легкие самолеты Re = (2÷5) ´106 и Re> Reкр

Махолет Re = 1.5´106 и Re> Reкр

Птицы и модели

Модель махолета Re = 50000÷80000 и Re <Reкр

Парящий альбатрос Re = 200 000 и Re> Reкр

Чайка Re = 100 000 и Re <Reкр

Насекомые

Бабочка в планирующем полете Re= 3000÷7 000 и Re <Reкр

Мелкие комары и мушки Re = 20 ‒1000 и Re <Reкр

Число Re в значительной мере определяет форму несущей поверхности. При больших числах Re увеличение несущих свойств и уменьшение сопротивления требует обеспечения плавности обводов профиля.

Птицы летают в той области малых скоростей и размеров, где очень существенны силы вязкости, и которая принципиально не может быть использована человеком. Кроме того, частота маха птиц находится в пределах от 1гц у больших птиц до 200гц у маленьких. В этих условиях влияние нестационарности становится существенным. Самая большая птица — альбатрос летает на сверхкритическом числе Re, и его крыло напоминает самолетное.

Крылья птиц имеют механизмы адаптации к обтекающему их потоку. У основания каждого перышка есть рецепторы, чувствительные к местному потоку, которые помогают головному мозгу, выполняющему функции автопилота, адаптировать крыло и оперение к местному набегающему потоку. Каждым своим перышком птица чувствует поток. Создать такую чувствительную поверхность человеку вряд ли удастся.

Аэродинамика насекомых характерна малыми числами Re и высокой частотой махов. Для этой группы влияние нестационарности на аэродинамические характеристики становится определяющим. Аэродинамика в этой области практически не изучена. Геометрическая форма несущей поверхности насекомых оптимизирована на малые числа Re, где превалируют силы вязкости, и имеет форму пластин. Если увеличить крыло самого совершенного насекомого-летуна до размеров, необходимых для поддержания человека в воздухе, то такое крыло будет обтекаться воздушным потоком с большими сверхкритическими числами Re, где превалируют силы инерции. Такое крыло окажется совершенно непригодным для полета человека.

Механическое перенесение особенностей аэродинамической компоновки живых существ, летающих в области докритических чисел Re, на летательные аппараты, использующие область сверхкритических чисел Re, обречено на неудачу. Никакая муха или птица не может быть прототипом для конструирования летательного аппарата, в том числе, и махолета.

Аэродинамика махолетов характерна большими сверхкритическими числами Re и небольшой частотой маха, менее 1Гц. Влияние нестационарности на аэродинамику не такое большое, и ее можно не учитывать при оценочных расчетах. Аэродинамика для этой группы изучена хорошо, и современный уровень знаний позволяет достаточно точно моделировать процессы и производить расчеты характеристик.

Сравнительная оценка КПД махолёта, самолёта и птицы

Большинство энтузиастов машущего полета уверено в высоком кпд махолета и птиц. Сделаем анализ этой проблемы и сделаем сравнительную оценку кпд превращения энергии топлива или пищи в энергию движения для самолета, махолета и птицы.

Проблема определения кпд махолета есть более сложная, чем для самолета. Дело в том, что кпд изменяется по фазам маха и зависит от характеристик привода. Еще более сложная задача сравнивать кпд самолета, махолета и птицы. Можно высказать некоторые общие соображения.

В природе постоянно происходят процессы превращения энергии, поэтому в полной постановке анализ энергетического совершенства летательных аппаратов и живых существ является чрезвычайно сложным. Рассмотрим более узкую проблему превращения энергии последних звеньев цепочки энергозатрат птицы, самолета и махолета начиная с этапа потребленной пищи у птицы и заправленными топливом баками самолета и махолета.

Общий кпд превращения энергии топлива в энергию движения самолета и махолета можно разделить на три составляющие.

— кпд превращения химической энергии топлива в механическую энергию вращающегося вала двигателя,

— кпд редуктора, понижающего обороты коленвала,

— кпд движителя (у самолета — это воздушный винт, у махолета -крылья), который превращает энергию, вращающегося вала редуктора в энергию движения летательного аппарата.

Самолеты и махолеты используют одни и те же двигатели, поэтому кпд превращения химической энергии в механическую энергию вращающегося вала двигателя одинаков для рассматриваемых летательных аппаратов.

Кпд поршневого двухтактного двигателя, устанавливаемого на легких самолетах, составляет, примерно, hдв=0.25.

Кпд воздушного винта легкого самолета равен hв=0.75.

Кроме того, часть энергии теряется в редукторе. Одноступенчатый шестеренчатый редуктор имеет кпд

hр=0.98.

Таким образом, кпд превращения механической энергии двигателя в энергию движения самолета равен

h = hр «hв = 0.98‘0.75=0.73,

а общий коэффициент превращения химической энергии топлива в энергию движения легкомоторного самолета с двухтактным двигателем составляет

h = hдв‘hр «hв = 0.25‘0.98‘0.75=0.18.

А если учесть затраты энергии на добычу нефти, ее переработку и транспортировку, то коэффициент использования химической энергии нефти составит менее 0.1. Человек распоряжается запасенной для него энергией нерационально.

Махолет.

Кпд превращения химической энергии в механическую энергию вращающегося вала двигателя такой же, как у самолета.

У махолета сложный и энергоемкий редуктор, необходимый для преобразования быстрого вращения вала двигателя n=75 об/с в медленные махи крыльями n=0.7 мах/с. Для махолета «Дедал-1», проект которого разработан фирмой «АНКОМ», кпд редуктора составляет hр=0.92. В будущем, возможно, появятся силовые установки, не требующие редуктора, что приведет к уменьшению потерь.

Рассмотрим кпд превращения энергии поступающей к машущему крылу в энергию тяги. При махе все параметры изменяются в зависимости от фазы маха, поэтому сложно определить кпд. Сделаем качественный анализ, для этого рассмотрим потери энергии при махе крыльями вниз и вверх.

При махе вниз наиболее эффективно используется энергия двигателя: вектор полной аэродинамической силы крыла наклонен вперед, и его проекции создают подъемную силу и тягу. В этой фазе маха кпд максимален, и можно ожидать, что он близок к кпд самолета.

При махе вверх для обеспечения необходимой подъемной силы угол атаки на несущих поверхностях крыльев положителен, а вектор полной аэродинамической силы наклонен назад. При этом проекция полного вектора на горизонтальную ось направлена назад, создавая сопротивление. Для компенсации этого сопротивления концевые отсеки должны создавать тягу, для чего угол атаки должен быть отрицательным. Подъемная сила этих отсеков направлена вниз и для компенсации потерь подъемной силы нагрузка на несущие отсеки крыла должна быть увеличена.

Полностью все потери тяги и подъемной силы в течении цикла маха можно компенсировать за счет увеличения потребной мощности двигателя, поэтому в этой фазе кпд меньше, чем у самолета.

При использовании двух пар крыльев можно ожидать некоторое увеличение кпд, однако, это будет связано со значительным усложнением конструкции махолета и другими потерями, поэтому здесь не рассматривается.

Кроме того, часть энергии тратится на преодоление моментов инерции при разгоне и торможении крыльев при махе (у самолета этого нет), что также снижает общий кпд махолета.

Можно предположить, что коэффициент превращения механической энергии маха крыльями в энергию движения составит не более hм=0.6.

Таким образом, кпд превращения энергии вращения вала двигателя в энергию движения у махолета равен

hр «hм=0.65 * 0.6=0.39,

и общий кпд превращения энергии топлива в энергию движения махолета равен

hдв * hр «hм=0.25 * 0.65 * 0.6=0.1.

Таким образом, качественная оценка показывает, кпд махолета будет почти в два раза меньше, чем самолета, так что не оправдываются надежды энтузиастов машущего полета на высокий кпд махолета.

Теперь рассмотрим кпд птицы.

Птица в полете совершает махи крыльями, используя биохимическую энергию, которую получил ее организм, усвоив пищу, в механическую энергию маха крыльями. Кпд превращения биологической энергии определить достаточно сложно, можно высказать только некоторые качественные оценки, не претендующие на большую точность. Меня интересует порядок величин.

Начнем рассматривать процесс превращения энергии, начиная с того момента, когда птичка поклевала зернышки или съела червяка. Энергию употребляемой пищи нельзя измерить в калориях путем сжигания пищи. Организм животного (и человека) — это не топка паровоза, в нем происходят сложные биохимические процессы, которые позволяют более полно использовать имеющуюся в пище энергию. Часть энергии птица расходует на процесс переваривания пищи, на поддержания своей жизнедеятельности и на регулирование температуры тела. Для оценочного расчета можно принять, что, примерно, 25% энергии пищи расходуется на эти цели. Следует заметить, что эта цифра нуждается в уточнении, и автор будет благодарен тем, кто сможет привести более точные и обоснованные данные.

Рассмотрим кпд превращения энергии маха птицы в энергию движения. Занимаясь параметрическими исследованиями различных вариантов компоновки махолета, я пришел к выводу, что крыло птицы выполняет функции создания тяги и подъемной силы менее оптимально, чем может это делать крыло махолета.

Аэродинамическая компоновка крыла, и кинематика маха птиц оптимизированы на той элементной базе, которая имеется у Природы. Вследствие недостаточной крутильной гибкости концевые части крыла птиц не могут устанавливаться на оптимальные углы атаки. Они обтекаются воздушным потоком с очень большими положительными и отрицательными углами атаки и имеют большое сопротивление. Кроме того, из курса аэродинамики малых скоростей известно, что на малых скоростях (где число Re <105) несущие свойства крыла и его аэродинамическое качество уменьшаются, что приводит к уменьшению кпд превращения энергии маха крыльями в энергию движения птицы.

Можно предположить, что кпд превращения механической энергии маха в энергию движения птицы составит не более 0.6, и общий кпд превращения биохимической энергии пищи в энергию движения у птиц равен

hп = hдв * hв = 0.6 * 0.75=0.45.

У птиц нет потерь на редукцию.

Следует отметить, что приведенные цифры имеют качественный характер, и будут отличаться для конкретных летательных аппаратов и видов птиц, тем не менее, они отражают некоторые общие закономерности.

По результатам анализа можно сделать следующие выводы:

1. Махолет будет иметь низкий кпд.

2. Высокий общий кпд у птиц определяется высокой эффективностью использования биохимической энергии пищи.

Таким образом, не оправдываются надежды на создание более экономичного летательного аппарата. Тем не менее, махолеты представляют значительный спортивный интерес и обязательно займут свое место в авиации будущего.

Ну хорошо, человек в конце концов построит махолет, а может быть Природа уже создавала какую-нибудь большую птицу или ящер типа летающей лошади или хотя-бы собаки? Почему птицы летают, а лошади нет?

Почему птицы летают а лошади нет

«Лишь только юный герой Беллерофонт приближался к крылатому коню Пегасу, как взмахнув своими могучими крыльями, с быстротой ветра уносился конь за облака и парил в них, подобно орлу.» Гомер, «Илиада».

Это красивый миф, а в реальной жизни этого никто не видел. Даже страусы, у которых имеются крылья, не летают. С одной стороны это, конечно, хорошо, мало ли что может случиться — все-таки лошадь, но, с другой стороны, хорошо было бы не только поездить на лошади, но и полетать бы на ней. Это, конечно шутки, но проблема максимальной массы летающего существа тоже интересна.

С другой стороны, посмотрим на жука: он то почему летает? С таким брюхом и какими-то маленькими пластинками используемых в качестве крыльев он должен был сидеть на ветке и даже не помышлять о полете. А он летает.

Известно, что все классы летающих существ умещаются в диапазоне масс от 3 мг у мошки до 12 кг у альбатроса. Но вот тяжелее альбатроса природа никого не создала, хотя времени было достаточно. Значит, есть пределы и у природы, которые она перешагнуть не может. Рассмотрим эти проблемы с точки зрения аэромеханики.

В авиации известна закономерность квадрата-куба, которая гласит.

С увеличением размеров аппарата при сохранении подобия его структуры площадь его поверхности растет пропорционально квадрату линейного размера, а масса — пропорциональна кубу. Математически его можно записать следующим образом:

1 (L) -2 (S) -3 (M)

Таким образом, при увеличении размеров масса растет быстрее, чем площадь. Но одной этой закономерности недостаточно, чтобы объяснить рассматриваемый феномен. Продолжим этот ряд.

В аэродинамике для обеспечения установившегося горизонтального полета летательного аппарата вводится понятие потребной мощности, которая определяется по формуле

Nп = M * V / k, здесь М — масса летательного аппарата; V — скорость полета, k — аэродинамическое качество летательного аппарата.

Аэродинамическое качество — это отношение подъемной силы (при установившемся полете она равна силе тяжести летательного аппарата) к силе его аэродинамического сопротивления. Чем выше аэродинамическое качество, тем совершеннее аппарат, и тем меньше потребная мощность двигателя. Аэродинамическое качество у птиц изменяется в широких пределах. Самое высокое аэродинамическое качество имеют морские птицы, приспособленные к преодолению больших расстояний, а среди них выделяется альбатрос, имеющий наибольшую массу и наиболее совершенные с точки зрения аэродинамики крылья. Аэродинамическое качество с уменьшением размеров птицы несколько уменьшается, но в первом приближении для птиц можно принять его независимым от массы.

Рассмотрим, как изменяется скорость полета при изменении массы птиц.

В соответствие с законом 1-2-3 площадь крыла изменяется медленнее, чем изменяется масса, т.е. с увеличением массы растет удельная нагрузка на единицу площади и наоборот. Изучение влияния удельной нагрузки на скорость полета птиц показывает, что, в общем, имеется определенная закономерность между этими двумя параметрами: чем больше удельная нагрузка на крыло, тем больше скорость полета, и наоборот. Скорость установившегося горизонтального полета определяется по формуле

V = (2*М/r*S*Су) 0.5;

где Су — коэффициент подъемной силы в горизонтальном полете; r — плотность воздуха.

В первом приближении (специальные исследования подтверждают это) можно принять, что Су не зависит от размеров птиц, следовательно, скорость полета пропорциональна (M/S) 0.5, т.е. линейному размеру в степени 0.5. Таким образом, потребная мощность пропорциональна увеличению линейного размера в степени 3.5, и закономерность будет иметь следующий вид

1 (L) -2 (S) -3 (M) -3.5 (Nп).

Конечно, из этого правила много исключений, но нам интересна общая тенденция.

Таким образом, с увеличением размеров существа потребная мощность увеличивается быстрее, чем его масса, и наоборот. Вы обратили внимание, как летают большие и маленькие птицы? Большие птицы совершают, в основном, планирующий полет, используя восходящие потоки воздуха, и машут крыльями, преимущественно, на взлете. Маленькие птички в течение всего полета энергично машут крыльями, и чем меньше птичка, тем частота махов больше. Например, у самой маленькой птички колибри частота маха 200 Гц.

Из этого закона следует, что при уменьшении массы потребная мощность уменьшается быстрее, и Природа позволяет маленьким птичкам не только меньше заботится о своем аэродинамическом совершенстве, но и иметь относительно менее мощную мускулатуру. Маленькие птички компенсируют недостаток аэродинамического качества путем некоторого увеличения относительной мощности за счет увеличения частоты маха. Большие птицы недостаток мощности компенсируют увеличением аэродинамического качества и изменением режимов полета (частота маха уменьшается и большая часть полета — это планирование в восходящих потоках).

Если мы перейдем к насекомым, то здесь масса уменьшается скачкообразно, а потребная мощность оказывается настолько малой, что насекомое легко компенсирует все несовершенство аэродинамики. У больших птиц относительная масса крыльев и мышц составляет больше половины массы птицы, а у насекомых на порядок меньше. Теперь становится понятно, почему летают жуки и прочие насекомые с такой несовершенной аэродинамикой.

Но вот человек создал мускулолет и перелетел пролив Ла-Манш. Что это, может закон не работает? Обратимся к формуле определения потребной мощности: в знаменателе стоит аэродинамическое качество. Изобретателям мускулолета путем применения современных материалов удалось создать настолько аэродинамически совершенное крыло, что мощности человека оказалось достаточной для совершения полета.

Продолжим нашу логическую цепочку.

Рассмотрим конструкцию крыла с точки зрения механики. Опорно-двигательный аппарат большинства животных состоит из сочлененных друг с другом костей, которые поддерживаются мышцами. Кости работают на сжатие, а мышцы и сухожилия на растяжение. Такое строение оптимально для передвижения по земле. Крыло работает как консольная балка и элементная база, имеющаяся в распоряжении Природы, не позволяет создать оптимальную конструкцию. При увеличении массы птицы и ее размеров увеличиваются нагрузки на кости и мышцы, из которых состоит крыло.

В соответствии с приведенной закономерностью, при увеличении размера птицы ее вес увеличивается пропорционально кубу увеличения размера, а плечо приложения силы тяжести пропорционально увеличению размера. Таким образом, нагрузка на мышцы крыла увеличивается пропорционально четвертой степени увеличению размера и закономерность примет следующий вид

1 (L) -2 (S) -3 (M) -3.5 (Nп) -4 (Мх)

и ее определение следующее:

При изменении линейного размера летательного аппарата или летательного существа площадь поверхности изменяется в квадрате, масса в кубе, потребная мощность в степени 3.5, нагрузки на мышцы крыла в четвертой степени от изменения линейного размера.

Для преодоления недостатков опорно-двигательного аппарата Природа сделала гениальное изобретение — это перо. Очень легкое, воздухонепроницаемое и хорошо работает на изгиб. Перья позволили существенно увеличить размах крыльев, от которого зависит его аэродинамическое качество. У меня дома лежит перо орла, которое я нашел в горах Памира, длиной 580 мм.

Продолжим нашу логическую цепочку.

Летающие существа совершают маховые движения крыльями, которые являются возвратно-поворотными. Такое движение связано с большими угловыми ускорениями крыльев, вследствие чего необходимо преодолевать инерционные моменты крыльев. Существо должно затратить дополнительную мощность своих мышц на торможение крыльев, а затем на их ускорение. И так два раза за полный цикл маха. Таким образом, энергия затрачивается не только на создание тяги или подъемной силы, но и на преодоление моментов инерции.

Из курса механики известно, что момент необходимый для торможения и разгона крыла пропорционален угловому ускорению и моменту инерции крыла

Mx = Ix * j, где: Ix — момент инерции крыла относительно оси его маха, j — угловое ускорение крыла при его торможении и разгоне.

Момент инерции определяется по формуле

Ix = Мкр * z2, где М — масса крыла, z — расстояние от центра тяжести крыла до оси маха.

Так как масса изменяется пропорционально кубу линейного размера, то момент инерции изменяется пропорционально 5-й степени линейного размера. С учетом вышеизложенного, общая закономерность будет иметь вид

1 (L) -2 (S) -3 (M) -3.5 (Nп) -4 (Мх) -5 (Ix)

и ее определение следующее:

При изменении линейного размера летательного аппарата или летательного существа площадь поверхности изменяется в квадрате, масса в кубе, потребная мощность в степени 3.5, нагрузки на мышцы крыла в четвертой степени а момент инерции в пятой степени от изменения линейного размера.

Прежде всего, заметим, что этот закономерность имеет качественный характер и отражает общие тенденции. Она дает ответ на многие вопросы, которые без нее кажутся непонятными. Вы обратили внимание, как неуклюжи и медлительны слоны и бегемоты, и как резвы маленькие животные.

Обратимся к мускулолету. У него неподвижное крыло, поэтому проблема моментов инерции для него не столь важна.

Существует много гипотез вымирания динозавров. Можно предложить еще одну. Они были такими большими и поэтому такими медлительными и неповоротливыми, что оказались совершенно беззащитными от своих меньших, более подвижных и агрессивных собратьев, типа тиранозавров, которые их просто скушали.

Следует заметить, что предложена определенная закономерность, а не закон, поэтому рассмотрим, как можно было бы обойти эту закономерность. Проблему уменьшения потребной мощности можно решить, увеличив площадь крыла и его аэродинамическое качество. Но, решив проблему потребной мощности, мы усугубляем проблему с моментами инерции. Дело в том, что при увеличении площади крыла, например, в два раза моменты инерции этого крыла увеличиваются в 7 раз. Кроме того, для повышения аэродинамического качества необходимо увеличить размах крыла, что приведет к еще большему увеличению моментов инерции. Таким образом, на современном уровне технологии создать махолет с мускульным приводом не представляется возможным.

Но Природа изобретательна и в своем развитии использует метод проб и ошибок путем случайного перебора вариантов и закрепления удачных вариантов в генетическом коде, передаваемом по наследству. За миллионы лет она перепробовала огромное количество вариантов, но так и не смогла создать летающих существ более 12—15 кг.

Можно было бы обойти проблему быстрого увеличения моментов инерции крыльев переходом на планирующий полет. Гипотетически можно представить себе летающее существо, которое, взобравшись на высокую гору или дерево, совершает планирующий полет, используя восходящие потоки воздуха. В этом случае моменты инерции не будут играть существенную роль. Сделаем анализ планирующего существа.

Предложенная закономерность объясняет, почему успешно летают модели махолетов. Дело в том, что из-за своей малости моменты инерции и потребная мощность у модели небольшие, что позволяет им летать даже при своей столь несовершенной аэродинамике.

Отсюда следует важный вывод. Летающие модели махолета не могут служить доказательством того, что построенный на их базе натурный махолет будет успешно летать. Они доказывают только принципиальную возможность создания махолета и не более. От модели до натурного махолета слишком большая дистанция, чтобы ее можно было преодолеть простым увеличением размеров. Необходимы глубокие расчеты и исследования.

Рассмотрим проблемы минимальной массы летающего существа. И здесь Природа ставит ограничения.

При уменьшении размеров площадь крыла уменьшается пропорционально квадрату уменьшения размеров, а масса пропорционально кубу. Таким образом, уменьшается удельная нагрузка на крыло а, следовательно, и скорость полета. Аэродинамические исследования показывают, что в области сверхмалых скоростей полета и размеров крыла резко увеличивается аэродинамическое сопротивление, а вместе с ним и потребная мощность для выполнения горизонтального полета. Из-за большого сопротивления, даже не имея крыльев, очень мелкие насекомые будут просто плавать в воздухе, медленно снижаясь. Находясь во власти воздушной стихии, они не способны ей противостоять, поэтому крылья им не нужны.

P.S. Вот пролетела стайка воробьев и одна из птичек капнула на прохожего. Может быть, не так уж плохо, что лошади не летают.

Теперь понятно, почему лошади не летают, но человек такой умный, может быть он сможет создать мускулолет с машущим крылом?

Проблемы создания мускульного махолёта

Постоянно делаются наивные попытки создать махолет с мускульным приводом наподобие уже созданных мускулолетов. Рассмотрим эту проблему с точки зрения аэромеханики. Исследования, проведенные в этой области воздухоплавания, позволяют сделать следующие замечания.

1. КПД превращения механической энергии в энергию движения у махолета меньше чем у самолета при сходной аэродинамической компоновке, так что для мускульного махолета потребуется большая мощность, чем для мускульного самолета.

2. Для уменьшения потребной мощности потребуется увеличить размах крыла, что приведет к увеличению моментов инерции крыла, что приведет к увеличению инерционных нагрузок, что приведет к увеличению напряжений в элементах крыла, что приведет к увеличению массы конструкции, что приведет, в конечном счете, к увеличению потребной мощности. В общем: ваша песня хороша — начинай сначала.

3. Привод маха крыльев — это достаточно сложное устройство для преобразования мускульной энергии человека в махи крыльев с малой частотой, что требует дополнительного веса конструкции, последствия см. п.2.

3. Задача оптимизации углов установки сечений крыла по размаху, фазам маха и режимам полета потребует усложнения и утяжеления конструкции, последствия см. п.2.

Когда Наполеон после битвы спросил своего маршала артиллерии, почему молчали его пушки, тот отвечал, что на то было сто причин:

— Во-первых, не было снарядов.

— Во-вторых… Наполеон прервал его словами: — Довольно, одной этой причины достаточно.

Так и с мускульным махолетом: каждой из причин достаточно, чтобы сделать полет махолета нереальным в настоящее время и в ближайшем будущем.

ИСТОРИЯ МАШУЩЕГО ПОЛЁТА

С чего начинается история машущего полета. Может быть, с рисунков великого Леонардо Да Винчи, который нарисовал картинки, но до него этих картинок было нарисовано бесконечное множество, а его выделяют потому, что он был гениальным творцом, хотя дальше этих картинок дела не было.

А может быть эту попытку следует считать началом истории:

«И по указу великих государей сделал себе крыле слюдяные. Мужик, те крыле устроя, по своей обыкности и перекрестился, и стал меха подымать, и хотел лететь, да не поднялся, и сказал, что

ТЕ КРЫЛЕ СДЕЛАЛ ЧЕЖЕЛЫ

И за то ему учинено наказанье: бит батагом снем рубашку, и те деньги велено доправить на нем и продать животы ево и статки».

Это была Россия 1695 год. До первого полета человека оставалось 170 лет.

Или вот эту:

«Я сделал хороший разбег через железнодорожные пути и прыгнул как обычно. Но, о ужас! Перелетев канаву, я не коснулся земли. Я планировал по воздуху и делал тщетные попытки приземлиться. Я находился на расстоянии только одного фута от земли, но, что бы я ни делал, я не мог достигнуть ее и скользил вдоль, не имея возможности остановиться. Наконец мои ноги коснулись земли. Я измерил расстояние между следами носков моих ног и нашел, что оно равно 138 футам (42 м)». Так описывает Л. Муйяр один из первых свободных полетов человека на летательном аппарате тяжелее воздуха, совершенный им в 1865 году.

Но это действительное начало истории планирующего, а не машущего полета

Для понимания истории можно вспомнить Указ Ивана Васильевича Рюриковича (Грозного):

«Человек не птица, крыльев не имат.

А ще кто сделает сябе крыла кожаны али слюдяны

Того бить батагом нещадно пока не околеет».

Суровы были наши предки и не всегда справедливы.

Хотя, в истории каждой страны были свои Грозные.

Ни одну из многочисленных попыток совершить машущий полет нельзя включать в истории машущего полета, потому, что они все были неудачны и, хуже того, бесперспективны.

История машущего полета может начаться с разработки теории, которая была использована разработчиками реальной конструкции, или изобретения, открывающего дверь в эру машущего полета.

История машущего полета представляет собой чистые страницы, так что дерзайте, и Ваше имя можете быть вписано в историю.

ЧТО НА СТОИТ МАХОЛЁТ ПОСТРОИТЬ

По команде пилота техники выкатили на старт необычный летательный аппарат. Длинные паукообразные опоры шасси высоко поднимали фюзеляж над землей. Бросались в глаза большие крылья, опущенные вниз и небольшое оперение. Не было видно ни воздушного винта, ни двигателя, и только воздухозаборники, установленные за кабиной пилота, выдавали его присутствие. На высоком борту фюзеляжа можно было прочесть надпись «ДЕДАЛ-1»

Техники суетились возле аппарата, заканчивая последние приготовления. Подошел пилот и по высокой приставной лестнице поднялся в кабину. Все отошли к хвосту аппарата, и воцарилась тишина. Взоры зрителей были устремлены на аппарат.

Вот послышался приглушенный рокот двигателя, и неожиданно крылья ожили и начали подниматься вверх. Достигнув верхней точки, они начали опускаться. Частота махов все увеличивалась, и аппарат неожиданно тронулся с места. Скорость движения постепенно увеличивалась и, пробежав пару сотен метров, аппарат поднялся в воздух. Набрав высоту 100 м, громадная птица выполнила разворот и медленно проплыла перед глазами изумленных зрителей, делая плавные взмахи крыльями.

Шел 20…г, да и надпись на борту может быть иной, но это будет, обязательно будет и слава первопроходцам неизведанного.

Идея создания летательного аппарата с машущим крылом уходит своими корнями в давние времена. Человек пытался освоить воздушный океан, используя машущие крылья, но все безрезультатно. На пороге третье тысячелетие, а проблема машущего полета с человеком на борту не решена до сих пор. И это не смотря на большие достижения науки и техники, наличие огромного количества энтузиастов и громадные средства, потраченные на ее реализацию.

Анализ этой проблемы показал, что для практического создания махолета необходим комплекс определенных условий. В качестве необходимых условий следует признать достаточный уровень развития науки и технологии, обеспечивающий принципиальную возможность создания махолета. Но одного этого недостаточно для реализации идеи. Необходимо, что бы эти знания и возможности соединились бы в конкретной личности конструктора, способного их использовать для достижения цели.

Рассмотрим объективные условия необходимые для создания махолета, которые включают в себя достаточный уровень развития аэродинамики, прочности, в том числе, динамической прочности, материаловедения, конструкции, оборудования и средств вычислительной техники.

Аэродинамика

Ее следует поставить на первом месте. Исследования показали, что здесь корень всех неудач. Изобретатели пытались решить проблему путем механического моделирования птиц, что возможно при создании небольших моделей, но совершенно неприемлемо при создании натурного махолета с человеком на борту.

Аэродинамика машущего крыла оказалась достаточно сложной. Здесь можно выделить несколько аспектов.

1. Обеспечение подъемной силы крыла и необходимой тяги при выполнении маха на разных его фазах. Условия для принципиального решения этой проблемы созрели к 40-м годам нашего столетия. В отличие от неподвижного крыла самолета, задача оптимизации аэродинамической компоновки оказалась многофакторной, для решения которой требуется проведение многочисленных расчетов. Такой большой объем расчетов можно было выполнить только после появления вычислительных машин достаточной мощности, которые стали широко доступными в начале 90-х годов.

2. Особенно сложными для махолета оказались проблемы обеспечения устойчивости и управляемости. Современная аэродинамика еще не встречалась с такими задачами, поэтому автор разработал оригинальный метод моделирования летательного аппарата с подвижным крылом. На базе этой методики был разработан моделятор полета махолета, позволивший с помощью компьютера провести необходимые исследования и отработать аэродинамическую компоновку махолета, кинематику маха, а также решить проблемы устойчивости и управляемости.

3. Аэродинамическая компоновка современных самолетов не может быть использована при разработке махолета, и автор разработал соответствующую компоновку крыла и устройства системы управления, позволяющие махолету выполнять все этапы полета, начиная с момента страгивания с места и до момента остановки на пробеге. Это составляет know how автора.

Конструкция и материалы

Крылья махолета совершают маховые движения, и здесь многократно возрастает проблема преодоления моментов инерции. Суть ее такова: при увеличении размеров летательного аппарата площадь его поверхности возрастает в квадрате от линейного размера, масса — в кубе, потребная мощность в степени 3.5, а моменты инерции в 5-й степени (закономерность 1-2-3-3.5—5). Именно потребная мощность и моменты инерции, а также ограниченность элементной базы, которую использует Природа для своего эволюционного развития, ставят предел увеличению размеров и массы птиц.

Появление сверхпрочных материалов с малым удельным весом в 70-х годах позволяют решить эти проблемы.

Достаточно сложной проблемой является создание крыла с изменяемой круткой по размаху для различных фаз маха. Автор разработал конструкцию такого крыла. Это know how.

Привод маха крыльями

Исследования показали, что создание махолета с мускульным приводом в настоящее время не представляется возможным по причине того же закона 1-2-3-3.5-4-5. Наиболее приемлемым двигателем для привода маха крыла в настоящее время является двухтактный двигатель. Он имеет очень высокую энерговооруженность.

Достаточно сложной проблемой является редуктор, который должен понизить частоту вращения от 75 об/с на валу двигателя до 0.6 мах/с. Такой редуктор кроме дополнительного веса будет отбирать часть энергии на свою работу. Автору удалось решить и эту проблему и разработать такой редуктор. Предварительные оценки показывают. Что кпд редуктора составит приблизительно 0.94.

Предварительные оценки показывают, что потребная мощность двигателя с учетом потерь на редукторе для одноместного махолета с массой 330 кг составит 40 лс.

Система управления и оборудование

Наиболее приемлемой для управления махолетом на первых порах является ручная система. Кроме того, при необходимости нужно подключать автоматику для улучшения характеристик устойчивости и управляемости.

Элементная база разработана в 70-х годах для управления ракетами класса воздух-воздух, земля-воздух и достаточно хорошо представлена на рынке.

Шасси

К шасси махолета предъявляются достаточно противоречивые требования.

Во-первых, оно должно быть высоким для обеспечения необходимого клиренса между концами крыльев и землей на разбеге. Кстати, вы обращали внимание, как взлетают тяжелые птицы? Они энергично работают ногами и крыльями для набора скорости перед отрывом.

Во-вторых, оно должно иметь достаточную базу для исключения опрокидывания при воздействии большого знакопеременного продольного момента на разбеге и капотирования на посадке, и колею для исключения бокового заваливания при воздействии порывов бокового ветра.

В-третьих, жесткость шасси должна быть подобрана таким образом, чтобы исключить продольную и поперечную качку на разбеге в условиях действия знакопеременной подъемной силы, знакопеременной продольной силы, знакопеременного продольного момента и порывов бокового ветра.

Для решения этого вопроса необходимо проведение специальных исследований на компьютере, а также стендовых испытаний.

Таким образом, можно сделать вывод, что хотя проблема создания махолета является достаточно сложной, но цивилизация вплотную подошла к решению проблемы машущего полета.

ТЕОРИЯ МАШУЩЕГО ПОЛЁТА

Ведение

Махолет — это летательный аппарат, предназначенный для полетов с человеком на борту, у которого подъемная сила и тяга, необходимые для выполнения полета от взлета до посадки, возникают за счет махов крыльями.

Ниже представлены разработки автора по аэродинамике махолета. Материалы представлены в популярном изложении и рассчитаны на читателей, интересующихся этим классом летательных аппаратов.

Материалы представлены в виде примеров анализа различных вариантов компоновок крыла и кинематики маха. В настоящем издании не приведены обобщения и рекомендации по разработке пилотируемых махолетов. Материалы будут пополняться по мере накопления опыта и знаний при выполнении специальных исследований и реальных разработок.

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ КРЫЛА

Махолет представляет собой отдельный класс летательных аппаратов тяжелее воздуха, и ему можно предложить следующее определение.

Махолет — это пилотируемый летательный аппарат, у которого подъемная сила и тяга возникают за счет махов крыльями.

В предлагаемой книге рассмотрены основы аэродинамики машущего полета.

Все, что самостоятельно летает или в недалеком будущем полетит, используя махи крыльями, с точки зрения аэродинамики можно разделить на три основных группы:

1. Насекомые.

2. Птицы и летучие мыши.

3. Махолеты.

Летающие модели махолета можно отнести к группе птиц.

Аэродинамика едина, но имеет свои особенности для каждой группы. В настоящей книге рассматриваются проблемы аэродинамики махолета.

Прежде чем мы приступим к изучению летно-технических характеристик, устойчивости и управляемости махолета, рассмотрим некоторые общие понятия аэродинамики машущего полета.

Основные понятия в аэродинамике

Аэродинамика — это раздел механики, в котором изучаются законы движения воздуха и его взаимодействие с обтекаемыми телами.

Махолет, как и любой летательный аппарат, подчиняется общим законам аэродинамики, но по сравнению с другими летательными аппаратами имеет ряд особенностей, основным из которых является машущее крыло.

Обтекание крыла происходит в соответствии с общими законами аэродинамики. Рассмотрим наиболее важные из них.

Массу воздуха, в котором движется махолет, называют воздушным потоком. В результате взаимодействия воздушного потока с обтекаемой поверхностью махолета появляются аэродинамические силы, под воздействием которых происходит движение махолета в пространстве.

Аэродинамические силы, возникающие при взаимодействии поверхности тела с воздушным потоком, не зависят от того, движется ли тело относительно неподвижного воздуха или воздух движется относительно неподвижного тела. Этот принцип обратимости движения широко применяется в аэродинамике. Для удобства в аэродинамике принято рассматривать случай, когда неподвижное тело обтекается воздушным потоком со скоростью, равной скорости полета. При этом воздушный поток рассматривается в виде сплошной среды с непрерывным распределением частиц воздуха в пространстве.

В результате взаимодействия поверхности крыла с воздушным потоком происходит изменение скорости потока, обтекающего поверхность и давления на поверхности. Если эти параметры со временем не изменяются, то такое обтекание называется установившимся, если изменяются — то неустановившимся.

Траектории движения частиц воздуха относительно обтекаемой поверхности называются линиями тока. Линии тока дают наглядное представление о физической картине обтекания тела.

Основные геометрические характеристики крыла

Крыло предназначено для создания подъемной силы и тяги. Следует отметить, что у махолета два крыла. Крылья характеризуются формой в плане, формой профиля, углами установки сечений крыла по размаху. Углы установки могут изменяться в зависимости от фазы маха и режима полета.

Крыло имеет ось маха. Каждое из крыльев может иметь или отдельную ось, или одну общую ось маха. Углы атаки сечений крыла зависят от углов установки этих сечений, расстояния до оси маха, скорости полета и угловой скорости маха. Угол маха крыла измеряется относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ось маха при ее горизонтальном положении. При махе вверх относительно горизонтальной плоскости угол маха j будем считать положительным.

В полете под воздействием аэродинамической и инерционной нагрузок сечения крыла могут изменять свои углы установки, это аэроупругая крутка крыла.

Время, в течение которого происходит полный цикл маха, называется периодом маха. Полный период маха состоит из полупериодов маха вверх и маха вниз. Продолжительности полупериодов могут быть различными.

Характеристики обтекания крыла

Рассмотрим, как поток воздуха обтекает крыло. Частицы воздуха, которые движутся непосредственно возле поверхности крыла, тормозятся этой поверхностью. В результате вблизи поверхности скорость течения меньше, чем на некотором расстоянии от поверхности, из-за влияния вязкости воздуха. Эта область заторможенного потока называется пограничным слоем. Скорость потока в пограничном слое изменяется плавно от нуля непосредственно на поверхности до скорости набегающего потока.

По мере движения частиц воздуха по поверхности тела толщина пограничного слоя увеличивается от нуля на носке крыла, до своего максимального значения на задней кромке. Примерная толщина пограничного слоя на задней кромке крыла составляет около 1% хорды крыла. Хотя толщина погранслоя невелика, он оказывает существенное влияние на характеристики обтекания.

Рассмотрим физическую картину обтекания крыла воздушным потоком.

Обтекание крыла воздушным потоком носит пространственный характер, но для крыла с большим удлинением можно принять для упрощения, что течение происходит в плоскости его профилей. Представим поток в виде тонких струек, которые деформируются в зависимости от формы поверхности тела и его положения относительно набегающего потока.

Форма струйки и площадь ее поперечного сечения при движении около поверхности изменяется. При этом изменяется местная скорость обтекания и давление в струйке. Чем больше скорость течения струйки, тем меньше давление в ней. Это известный закон Бернулли. На носке профиля струйка суживается, скорость увеличивается, а давление уменьшается. Пройдя область наибольшей толщины профиля, струйка расширяется, скорость течения уменьшается, а давление увеличивается.

Точка на носке профиля, в которой происходит разделение потока обтекающего верхнюю и нижнюю поверхности называется критической точкой.

Если измерить избыточное давление по контуру профиля, и результаты изобразить графически, то получим картину распределения давления по профилю. При этом на верхней поверхности профиля формируется разряжение, а на нижней избыточное давление. Это давление действует по нормали к поверхности в каждой его точке.

В критической точке профиля поток полностью тормозится и в этой точке давление максимальное, равное скоростному напору.

Кроме силы давления нормальной к поверхности действую еще силы трения воздуха о поверхность, а так как воздух имеет определенную вязкость, то и между струйками в потоке. Эти силы действует по касательной в каждой точке поверхности. Это распределенные по поверхности силы. Нормальные и касательные силы и определяют аэродинамическую нагрузку, действующую на обтекаемую поверхность тела.

Течение в пограничном слое

Течение воздуха в пограничном слое может иметь различный характер.

Если струйки движутся слоями, не перемешиваясь между собой, то такое течение называется ламинарным. Траектория движения частиц отслеживает форму профиля. Энергия при ламинарном течении расходуется на преодоление только сил трения воздуха о поверхность и сил вязкости.

При определенных условиях плавность течения нарушается, и частицы воздуха интенсивно перемешиваются между слоями, при этом скорости движения частиц воздуха хаотично изменяются по величине и направлению, сохраняя общий характер направления движения. Это турбулентное течение. В этом случае энергия тратится не только на преодоление сил трения, но и на перемешивание воздуха между слоями.

Характер течения воздуха в пограничном слое определяется так называемым числом Рейнольдса, которое определяется по формуле

Re=V * L/n;

Где V — скорость движения воздуха;

L — путь, пройденный частицами воздуха около поверхности тела;

n — кинематический коэффициент вязкости воздуха.

При малых числах Re течение имеет ламинарный характер, при больших — турбулентный. На профиле, как правило, реализуется смешанное обтекание: на передней (лобовой) части профиля до района максимальной толщины течение ламинарное. В этой области скорость потока увеличивается, давление минимально. На задней части профиля скорость потока уменьшается и разрежение уменьшается.

На малых числах Re преобладают силы вязкости, на больших — силы инерции. Критическое значение числа Reкр, разделяющее две основные области характеристик потока, составляет для профиля 120 000÷160 000.

На нижней поверхности поток притормаживается, давление больше атмосферного. Таким образом, формируется подъемная сила на крыле. С увеличением угла атаки разрежение на верхней поверхности увеличивается, что приводит к росту подъемной силы крыла. Следует заметить, что при увеличении угла атаки положительное давление на нижней поверхности увеличивается на небольшую величину. Таким образом, большая часть подъемной силы образуется за счет разрежения на верхней поверхности.

При увеличении угла атаки плавность обтекания на задней части верхней поверхности профиля нарушается, вблизи поверхности появляется обратное течение, струйки, прилегающие к поверхности, начинают интенсивно перемешиваться. Здесь появляется еще один вид обтекания — срывное обтекание или срыв потока. При этом разрежение уменьшается не только в зоне сорванного потока, но и на всей верхней поверхности профиля, и подъемная сила падает.

Угол атаки, на котором появляется срыв потока, называется критическим. У крыла махолета этот угол лежит в пределах 16°- 20°. Срывное обтекание характерно интенсивным перемешиванием воздуха, периодическим изменением давления и сопровождается тряской, которую может ощутить пилот.

Состояние поверхности оказывает существенное влияние на характер пограничного слоя. Гладкая поверхность носка крыла формирует ламинарный погранслой, шероховатость поверхности, наличие неровностей способствует турбулизации погранслоя. Форма крыла также влияет на характеристики обтекания. Стреловидное крыло имеет больший критический угол атаки, чем прямое.

Оси координат

Поскольку у махолета подвижное крыло, то условия обтекания частей крыла (углы атаки и скорости потока) различные, поэтому при анализе сил и моментов, действующих на махолет в полете, рассмотрим следующие основные системы координат:

— полетная;

— местная скоростная;

— связанная;

— связанная с крылом;

— связанная с отсеком крыла.

В полетной системе координат ось абсцисс ОХп направлена параллельно вектору скорости полета летательного аппарата, ось ординат ОУп — перпендикулярно вектору скорости, а ось ОZп перпендикулярно плоскости ХпОУп. Соответственно, проекция вектора полной аэродинамической силы на ось ОХп дает силу сопротивления (или тягу), проекция на ось Оуп — подъемную силу, проекция на ось ОZп — боковую силу.

В местной скоростной системе координат ось абсцисс ОХа направлена параллельно вектору местной скорости потока, обтекающего отсек машущего крыла, ось ординат ОУа — перпендикулярно вектору местной скорости, а ось ОZп перпендикулярно плоскости ХаОУа. Соответственно, проекция вектора полной аэродинамической силы отсека крыла на ось ОХа дает силу сопротивления, проекция на ось ОУа — подъемную силу отсека, проекция на ось ОZа — боковую силу отсека.

Рассмотрим некоторый отсек машущего крыла, среднее сечение которого расположено на расстоянии zi от оси маха. В течение цикла маха вектор местной скорости изменяет свое направление в зависимости от кинематики маха, скорости полета и положения отсека относительно оси вращения крыла.

Если крыло неподвижно, что бывает в крайних точках маха или при остановке маха, эти две системы координат совпадают.

Ниже на рисунке представлены эти системы координат.