Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Итак, за последние годы в нашей стране несомненно достигнуты определенные успехи в моделировании полета птиц. Но это отнюдь не значит, что проблема машущего полета уже решена и мы можем завтра приступить к созданию орнитоптеров, которые будут более экономичными и маневренными, чем самые лучшие современные самолеты. Для эффективного моделирования полета птиц необходимо не только убедиться в том, что наша модель обладает теми или иными свойствами или особенностями, но и разработать методы расчета заранее заданных технических характеристик устройства, а также методы их синтеза, обеспечивающие достижение требуемых в поставленной задаче показателей. Иными словами, чтобы успешно моделировать полет птиц, необходимо располагать теорией их полета. А такой теории, к сожалению, пока нет.

Разработка теории машущего полета — задача чрезвычайно трудная. Не говоря уже об очень большой сложности физической схемы исследуемого процесса, здесь, в отличие от аэродинамики обычного самолета с неподвижными крыльями, приходится сталкиваться с массой новых величин и функциональных зависимостей, которые следует соответствующим образом учитывать. Например, рассматривая машущее крыло, мы встречаемся с такими новыми по сравнению со случаем неподвижного крыла показателями, как угловая скорость, число взмахов, амплитуда взмаха, ускорение в разных фазах взмаха; переменными становятся такие бывшие константами в случае неподвижного крыла величины, как установочный угол, угол атаки, сами аэродинамические силы в разных фазах взмаха и т. д. Отсюда неизбежно вытекают сложность в осуществлении экспериментальных исследований и затруднения в теоретическом обобщении их результатов.

Однако в наше время имеется немало совершенных технических средств и методов, позволяющих в значительной степени облегчить или даже обойти ряд трудностей, встречающихся при исследовании различных летных показателей птиц. Достаточно упомянуть, например, радары, используемые для определения высоты полета птиц, скоростные кинокамеры, применяемые для определения частот, амплитуд и скоростей взмахов крыльев, телеметрическую аппаратуру, используемую для измерения физиологических показателей летящей птицы, и др. Благодаря этой технике надежность и точность экспериментальных исследований в последнее время значительно повысились. Очень многое дает при изучении закономерностей полета птиц применение методов сравнительных исследований (разумеется, в том случае, когда внимание в равной степени обращено на морфологию, физиологию и экологию сравниваемых биологических объектов). В природе существует огромное многообразие типов полета птиц. Это многообразие определяется не только количеством видов птиц, но и тем, что каждый вид может использовать несколько типов полета. При сопоставлении птиц разных видов, различающихся теми или иными особенностями полета, выявляется взаимосвязь между изменением искомых параметров или конструктивных особенностей летательного аппарата. Конкретными примерами успешного применения упомянутого подхода могут служить выяснение значения аллометрии крыльев птиц и расшифровка механизма бессрывного обтекания, связанного с управлением пограничным слоем.

До реактивной авиации мы практически не управляли пограничным слоем воздуха, обтекавшим крылья. Ставили, правда, закрылки на аэродинамические гребни, чтобы воздушные потоки не перетекали по крылу. Но ведь у птиц нет никаких "аэродинамических гребней". Как они управляются без этих приспособлений? Ведь пограничный слой возникает и у птичьих крыльев.

Для объяснения этого появилась очень смелая и, можно даже сказать, дерзкая гипотеза: птицы обладают "чувством потока", активно управляют пограничным слоем. Они умеют направлять поток в любую нужную им сторону. Однако для того, чтобы гипотеза стала достоверной научной истиной, нужны веские, убедительные доказательства. Их поисками занялась Т. Л. Бородулина. Она обследовала и сравнила строение крыльев многих хороших и плохих летунов и установила следующее:

"Плавность обтекания птицы потоком воздуха при полете в большой степени зависит от микроструктуры перьев. У быстро и много летающих птиц лучи второго порядка (или бородочки) имеют широкую основную часть в виде тонкой пластинки, переходящую в длинную тонкую нить (пенулу). В месте перехода обычно бывает несколько шипообразных зубцов. Благодаря такому строению перьев происходит дробление воздушного потока по телу птицы на многочисленные мельчайшие потоки и бессрывное и плавное их стекание, что имеет существенное значение для уменьшения лобового сопротивления. Кроме того, пластинки основной части луча второго порядка расположены под положительным углом атаки к направлению полета и можно предположить, что это обеспечивает отсос части воздуха, препятствует отрыву ламинарного слоя и образованию турбулентных потоков.

Рельеф поверхности крыла — бороздчатый, что обеспечивает требуемое направление потоков воздуха, обтекающих крыло. На верхней стороне крыла у всех птиц бородки расположены более или менее веерообразно: они расходятся к заднему краю крыла, что увеличивает скорость прохождения потоков воздуха по крылу. На нижней же стороне бородки направлены иначе. У птиц с быстрым полетом (например, у уток) линии рельефа на нижней стороне крыла S-образно изогнуты и сходятся к основанию крыла. Это вызывает торможение потоков воздуха или их завихрение на нижней поверхности крыла. Вследствие различия скоростей прохождения воздушных потоков сверху и снизу крыла увеличивается подъемная сила последнего.

Предварительное продувание крыла с наклеенными шелковинками убедило нас в том, что на нижней поверхности крыла воздушные потоки отклоняются соответственно направлению бородок".

В настоящее время учеными изучено 14 различных характеристик живого крыла (влияние структуры перьев, уравновешивание крыла в движущемся потоке и др.). Дальнейший успех в разрешении множества вопросов, связанных с практическим осуществлением машущего полета, сейчас, очевидно, в значительной мере будет зависеть от того, насколько биологам, аэродинамикам, математикам, физикам и механикам удастся совместить результаты, добываемые при морфо-экологическом исследовании птиц, с современными теоретическими представлениями аэродинамики.

Однако уже сегодня ясно, что формула крыла орнитоптера не будет похожей на формулу крыла птицы. Иначе крыло махолета должно было бы иметь бороздки. По-видимому, кое-какие особенности будут отличать и другие элементы крыла. Некоторые ученые утверждают, что будущий птицелет "...будет тем полнее отвечать требованиям человеческой практики, чем меньше он будет представлять собою точную копию птицы...". Но не будем забегать слишком далеко вперед, строить прогнозы о том, что будет и чего не будет в махолете от летательного аппарата птицы. Сегодня, нам думается, важно другое: наметился путь, идя по которому ученые, несомненно, разгадают тайну полета птиц. И когда будет создана стройная физическая теория машущего полета, адекватная высокой сложности явления, инженеры, безусловно, построят махолеты — неприхотливые, экономичные, маневренные машины. Человек будет летать, как голубь или альбатрос, а может быть, и лучше.