Игорь Азарьев - Машущий полёт. Мифы и реальность

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.

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.