Как московский инженер построил махолет (4 фото + 1 видео)
Категория: Авиация
28 июля 2017
Древняя, как весь наш род, мечта летать как птица — то есть свободно махая крыльями — остается невоплощенной. Мечта эта так сильна, что хотя до сих пор ни одна авиакомпания и ни одна армия мира не эксплуатирует ни единого орнитоптера, действующая Конвенция о международной гражданской авиации включает его определение: «Воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полете в основном за счет реакций воздуха с его плоскостями, которым придается маховое движение».
От самолета до вертолета
Впрочем, у мечты о маховом полете есть и практическая сторона. Аэродинамическое качество — отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, которое определяет эффективность полета — у самолетов исключительно высоко. Но самолеты требуют дорогих и сложных аэродромов, больших взлетно-посадочных полос. Вертолеты в этом смысле удобнее, они взлетают и садятся вертикально, не требуя для этого какой-либо инфраструктуры. Они намного маневреннее и даже способны зависать неподвижно. Но аэродинамическое качество вертолетов невысоко, и час их полетного времени стоит совсем недешево.
Попыток скрестить одно с другим делается немало — у винтокрылых автожиров и конвертопланов есть свои поклонники. Для решения некоторых узких задач эти летательные аппараты могут быть даже незаменимы. Но все-таки такие гибриды оказываются не слишком удачными: известна шутка о том, что они соединили не столько достоинства, сколько ключевые недостатки и самолетов, и вертолетов. Но вот махолеты могут оказаться подходящим решением. Теоретически, они сумеют взлетать с места, будут маневренны вплоть до способности зависать в воздухе и смогут демонстрировать почти самолетное аэродинамическое качество.
Но первые неловкие воздухоплаватели задумывались, конечно, не о самолетах, которых еще вовсе не было, а о птицах. Казалось, что достаточно научиться отталкиваться от воздуха крыльями — и человек полетит. С такими взглядами, конечно, никто из них так и не смог оторваться от земли. Крылатые механические приспособления в лучшем случае позволяли неловко планировать, как это проделал легендарный монах-бенедиктинец Эйлмер, который около тысячи лет назад сиганул с башни Малмсберийского аббатства в Англии, получив тяжелые травмы.
Крошечные орнитоптеры разрабатываются в разных странах мира. Как правило, авторы их пытаются с большей или меньшей точностью сымитировать природу, повторив конструкцию летающего насекомого. В мае 2015 года Питер Эббил и Роберт Дадли из лаборатории биомиметических миллисистем Университета Беркли продемонстрировали весьма эффектный взлет 13,2-граммового махолета с «пусковой установки» на спине шестиногого микроробота.
От птицы до насекомого
Причина многочисленных неудач понятна: саму сущность полета в те годы представляли достаточно смутно. Подъемную силу птицам дает не опора на воздух, а особый контур профиля крыла. Разделяя набегающий поток надвое, он заставляет воздух над верхней кромкой двигаться быстрее, чем над нижней. По закону Бернулли, давление будет выше в области с более медленным потоком. Возникающая разница между давлением под крылом и над ним создает подъемную силу. Но стоит начать махать крыльями — и эта ясная картина полностью меняется.
Известная поговорка гласит, что «по законам аэродинамики шмели вообще не могут летать». В принципе, это справедливо: с точки зрения классической аэродинамики насекомые и их крылья — это нечто несусветное. Даже в теории они неспособны создать подъемную силу и тягу, необходимые для полета, — если только мы не перейдем от классической аэродинамики планера к новой, нестационарной. Здесь все иначе: турбулентные завихрения, с которыми конструкторы самолетов борются не покладая рук, становятся ключом к полету и шмеля, и его родственников.
Крупные птицы используют взмахи лишь изредка — например, когда необходимо затормозиться для посадки или взлететь. Эти взмахи плюс движения ног позволяют им получить направленную вперед тягу, для того чтобы в действие вступила подъемная сила крыла. Насекомые же машут крыльями постоянно, причем по особой траектории, скорее вперед-назад, чем вверх-вниз. В сочетании с гибкостью крыльев и достаточной частотой взмахов это создает у их передней кромки турбулентные завихрения, которые «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 движения, насекомое контролирует направление этих сил, маневрируя в воздухе. И даже щетинки, бугры и неровности на поверхности крыла — отличие от обтекаемого крыла самолета — работают на образование турбулентных вихрей.
От Москвы до Торонто
Этих тонкостей не знали долго и до конца не понимают до сих пор. Но оказалось, что в простейшем случае это и необязательно. Еще до Второй мировой войны немецкие авиаконструкторы с успехом запускали небольшие легкие орнитоптеры, использующие для привода скрученный резиновый жгут. Увлечению ими отдал дань даже знаменитый аэродинамик Александр Липпиш, а в 1930-х Эрику фон Хольсту удалось оторвать от земли орнитоптер, на который был установлен двигатель внутреннего сгорания. Однако создать аппарат, который можно было бы рассматривать как прототип чего-нибудь полезного, способного нести хотя бы одного человека или груз, тогда так и не удалось. В 1960-х Персифаль Спенсер продемонстрировал полет «орниплана» с размахом крыльев 2,3 м и крошечным (объемом 5,7 см3) двухтактным двигателем — пилотировался он оператором, по кабелю.
Более крупный махолет взлетел лишь в начале 1980-х, когда профессор Московского авиационного института Валентин Киселев сконструировал семикилограммовый аппарат, способный самостоятельно стартовать и оставаться в полете. Со временем модель освободилась от кабеля и управлялась по радиосвязи. По следам Киселева в этой работе двигался его заокеанский коллега Джеймс Делориер. В 1991 году Делориер получил диплом Международной федерации аэронавтики за создание «первого оснащенного двигателем и дистанционно управляемого орнитоптера». В 2006 году его модель UTIAS Ornithopter No.?1 взлетела, а вскоре поднялся в воздух и пилотируемый махолет Snowbird — за 14 секунд он пролетел около 300 м на мускульной тяге пилота.
«Это не совсем честный результат, — поясняет ученик профессора 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 создания тяги и взлета. А второй продемонстрировал еще одну важную вещь: что мускульной силы человека для машущего полета недостаточно. Даже подготовленному пилоту, спортсмену, и то удалось пролететь совсем немного».
Возвратно-поступательное движениепоршней двигателя трансмиссия преобразует во вращательное движение зубчатых колес, а кривошипно-шатунная передача превращает его снова в возвратно-поступательные взмахи крыльев. Изобретатели мечтают о том, чтобы сделать эту схему эффективнее, напрямую передавая движения поршней крыльям.
От игры до науки
Надо сказать, что если «полезный» машущий полет не удается освоить до сих пор, то игровая индустрия чувствует себя в этой области уже вполне уверенно. Первые небольшие модели на резинке появились в продаже еще в конце XIX века, а сегодня 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, — поэтому представляю, насколько требовательны самолеты к мастерству пилота, управляющего ими с земли. Буквально одно неловкое движение — и он заваливается в штопор или в крен. И я могу сказать, что мой опыт управления нашим махолетом показывает, что с этим аппаратом справится даже ребенок. Он получился у нас настолько устойчивым, что легко прощает все ошибки и остается в воздухе».
Средства в разработку нового типа летательных аппаратов при довольно сомнительных перспективах вкладывают неохотно. Однако Андрею Мельнику и Дмитрию Шувалову удалось убедить инвесторов, что благодаря современным технологиям и при должных вложениях махолет можно создать. «Нам удалось нащупать несколько принципиальных моментов, которые прежде, в том числе и когда я работал с профессором Киселевым, понимались неверно, — добавляет конструктор. — Первые наши модели просто разваливались, не выдерживая нагрузки. Так вот, предполагалось, что такую нагрузку на аппарат создают аэродинамические силы. Однако испытания показали, что это не так, и основное воздействие он испытывает из-за инерции машущих крыльев».
Выяснив причины неудач, разработчики максимально снизили вес крыла — до 600 г при площади 0,5 м2 — и демпфировали его воздействие на фюзеляж. «Настоящим сюрпризом для нас стали результаты моделирования, которые показали, что аэродинамический центр четырехкрылого аппарата находится не где-то между передней и задней парой крыльев, а позади них, — вспоминает Андрей Мельник. — Чтобы решить эту проблему, пришлось изменить геометрию переднего и заднего оперений. Но в результате махолет стал уверенно держаться в воздухе».
Крылья орнитоптера машут в противофазе. Это резко снижает колебания аппарата в полете и нагрузки, возникающие под действием инерции движущихся крыльев.
От практики до теории
Первый полет махолета состоялся в 2012 году, когда аппарат, еще почти неуправляемый, пролетел около 100 м. Его жесткие композитные крылья приводились в движение небольшим двигателем с кривошипно-шатунной передачей. А спустя еще полгода усовершенствованная 29-килограммовая версия оставалась в воздухе уже столько времени, на сколько хватало полулитрового топливного бака — 10?15 минут. На свой махолет разработчики оформили патент РФ №?2488525.
«Помимо прочего, мы столкнулись еще и с проблемой управления, — продолжает Андрей Мельник. — По вертикали махолет отклонялся и управлялся надежно, с помощью рулей высоты на хвостовом оперении. А вот чтобы менять курс еще и по горизонтали, нам пришлось установить на крыльях дополнительные законцовки. Меняя их положение, стало возможным полностью управлять аппаратом в полете, по радиоканалу».
Надо сказать, что вертикально махолет все-таки не взлетает, хотя для разбега ему требуется очень короткая полоса. Всего 5?10 м — и он уходит в отрыв. Эту цифру можно еще уменьшить, однако для создания настоящей полноразмерной модели конструкцию придется серьезно усовершенствовать. По словам Андрея Мельника, прежде всего требуется отказаться от кривошипно-шатунного механизма, не слишком удачного для создания машущих движений крыльями. Он порождает слишком опасные инерционные силы, которые особенно велики в верхней и нижней «мертвых точках» колебания. «Если мы возьмем другой привод, который способен накапливать энергию последних фаз движения и затем использовать ее для движения в обратном направлении, то он будет гораздо эффективнее, — говорит конструктор. — Это может быть, например, пневматический механизм, такие задумки у нас есть».
«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 точно можем сказать, что обычные теоретические модели для махолета не подходят, и наши испытания это подтвердили. В частности, коэффициент подъемной силы у нас оказался в разы больше, чем у типичного самолетного крыла. Почему? Надеюсь, кто-нибудь разберется». Быть может, все действительно произойдет в обратном порядке: выяснив, как летает махолет, мы, наконец, разберемся и в машущем полете птиц и насекомых.
