Игорь Азарьев - Машущий полёт. Мифы и реальность

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 <10 5) 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?

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.