Птицы и самолеты. Насекомые и вертолеты

Человек совсем недавно (всего сто лет) как поднялся в воздух. Зато насекомые летают уже больше 180 миллионов лет. Птицы намного меньше, однако у птиц были предки - летающие динозавры. При взгяде на жука, птицу или скелет вымершего птерозаврида глаз авиационного инженера сразу цепляется за множество "знакомых" элементов, которые образовались в результате естественного отбора.

Введение

По всей видимости, насекомые - первые животные на Земле, которые "изобрели" полет. В настоящий момент неясно, каким образом это произошло, однако, освоив воздушный океан, эти летуны достигли совершенства. Тысячи лет человек восхищался этими созданиями, тоже мечтая о полете. Подняться в небо человеку помогла не сила мускулов, а мощь интеллекта. Только после того, как был накоплен экспериментальный материал - наблюдения за полетом птиц, строительство первых неуклюжих планеров и попытки летать на них, возникла и стала бурно развиваться новая отрасль человеческого гения - авиация.

Поскольку законы аэродинамики едины для любого летуна, насекомые, птицы и самолеты чем-то похожи.

Стрекоза и вертолет.

Стрекозы (Odonata) - весьма распространенные хищные насекомые. Кто не видел стрекозу, тот никогда не видел природы. Эти твари очень красивы. В полете они - грозные воздушные бойцы; их способности закладывать виражи позавидует любой реактивный истребитель. По форме тела они больше всего напоминают вертолет - кабина экипажа (голова с огромными фасеточными глазами), фюзеляж (массивное тело), хвостовая балка (удлиненное брюшко), шасси (лапки) .....все на месте! Даже две пары крыльев поразительно напоминают вертолетный несущий винт.

На этом сходство не заканчивается. Форма крыла стрекозы тоже очень напоминает вертолетную лопасть. Костальная и субкостальная жилки крыла до изумления напоминают лонжерон лопасти. Подробнее об анатомии насемомых можно почитать в легко изложенной книжке профессора энтомологии Ю.А. Захваткина. Даже такой элемент лопасти, как противофлаттерный груз, присутствует на стрекозином крыле! Это птеростигма.

Птеростигма

Я не нашел никаких внятных исследований, что такое птеростигма и зачем она нужна. Например, ее считают элементом охотничьей системы стрекозы. Эта гипотеза исходит из следующих фактов: птеростигма пронизана множеством нервных окончаний и содержит зрительный пигмент родопсин. Авторы гипотезы подозревают, что стрекоза может видеть птеростигмами. Пара широко разнесенных дополнительных "глаз" на концах крыльев позволяет стрекозе лучше оценивать расстояние до добычи. Может быть, это действительно так.

Однако могу отметить, что птеростигмы расположены как раз в тех местах крыла, где авиационные конструкторы располагают противофлаттерный груз. Флаттер - очень грозное явление, способное уничтожить летательный аппарат за несколько секунд. Наступает флаттер всегда неожиданно: самолет вдруг начинает бешенно трясти, и он попросту рассыпается. Множество пилотов на заре авиации погибли из-за флаттера, так и не успев понять, что случилось.

Установить причину флаттера удалось лишь в результате множества продувок в аэродинамической трубе. Оказалось, флаттер возникает на том крыле, у которого центр жесткости расположен позади (по полету) центра тяжести. Крыло самолета не может быть абсолютно жестким (иначе оно получится слишком тяжелым). Поэтому оно всегда во время полета слегка колеблется - взмахивает. Если центр жесткости и центр тяжести не совпадают, взмах сопровождается небольшой закруткой крыла (за счет инерциальных сил). Закрутка крыла приводит к небольшому изменению локального угла атаки. Если центр тяжести расположен позади центра жесткости, то взмах крыла вверх увеличивает угол атаки. Взмах крыла вниз угол атаки уменьшает. Колебание угла атаки, в свою очередь, вызывает колебание подъемной силы крыла. Если при этом частота собственных колебаний крыла совпадет с частотой изменения аэродинамической подъемной силы, раступит резонанс....и самолет развалится. Такова краткая сущность флаттера.

Поняв причину флаттера, авиконструкторы придумали способ, как избавится от флаттера раз и навсегда. Для этого крыло проектируется таким способом, чтобы центр тяжести крыла оказался впереди центра жесткости. В этом случае любой взмах крыла вверх будет уменьшать угол атаки, а, следовательно, и подъемную силу. То есть колебания быстро гасятся сами собой, и флаттер не возникает.

При конструировании авиационной (и ракетной) техники на флаттер расчитываются не только крылья. Противофлаттерный расчет выполняется для любого лючка, капота, створки, элерона, стабилизатора, закрылка, триммера и т.д.

Однако не всегда удается сконструировать крыло так, чтобы предохранить его от флаттера. Облик летательного аппарата диктуется прежде всего аэродинамикой. Это накладывает на элементы конструкции очень жесткие ограничения. Поэтому конструкторы просто идут на некоторое утяжеление планера - и в носке профиля крыла, ближе к крайним по размаху нервюрам располагают противофлаттерный груз. То есть в том самом месте, где на крыле стрекозы расположена птеростигма!

Случайное это совпадение или нет, я не знаю. Совсем недавно мне удалось найти упоминание об экспериментах, которые проводил некто Залесский Ю.М. Он удалял стрекозам птеростигмы и отпускал их, чтобы посмотреть, что будет. По его сообщениям, полет стрекоз из прямого стал "порхающим", как у бабочек. Я воздержусь от этической оценки такого варварста (хотя это мне напоминает старый анекдот про "научную" работу с тараканом: "когда таракану оторвали все лапы, он оглох"). Порхающий полет как раз и говорит об очень вероятном возникновении флаттера.

О полете насекомых

Поскольку стрекоза хищник, ее "крылья кормят". Снятый на скоростную камеру полет стрекозы выявил ряд интересных подробностей.

Во-первых, стрекоза крыльями машет не постоянно. Она перемежает активный полет с пассивным, когда она просто планирует. Обычно стрекоза барражирует над водоемом, возле которого живет, питается и выводит потомство.

Во время барражирования соотношение между активной и пассивной фазой полета не превышает 0.05...0.15 - стрекоза не тратит понапрасну силы. В момент планирования крылья ее почти не взмахивают. Продувки в аэродинамической трубе показывают примечательную особенность летательного аппарата, у которого крылья расположены тандемом (как у стрекозы). Вихревая пелена, стекающая с первого крыла, активно взаимодействует со вторым крылом. Существует очень небольшой диапазон тангажа такого летательного аппарата, когда общее аэродинамическое качество значительно увеличивается за счет интенференции крыльев. Именно в таком режиме и планирует стрекоза!

Зато в момент атаки стрекоза включает свою "силовую установку" на полную можность. В это мгновение ее ускорение достигает 15 g! Наблюдая за ней, можно услышать, как крылья стрекозы издают характерный "жестяной" звук.

Во-вторых, характер взмахов тоже весьма примечателен. Крылья движутся в противофазе - когда первое крыло идет вверх, второе идет вниз. С точки зрения аэродинамики такое поведение оправдано. Крылья уравновешивают (взаимно компенсируют) дополнительные аэродинамические силы, всегда возникающие на машушем крыле. Интенференция противофазных крыльев минимальна, что дает дополнительный плюс к маневренности - стрекоза "может быть уверена", что никакие факторы не помешают ее стремительному воздушному броску.

Загадки насекомых

Почему насекомые летают, хотя летать "не должны"

До недавнего времени считалось, что полет насекомых "противоречит" аэродинамике. Высказывалось даже мнение, что поскольку насекомые, с точки зрения аэродинамики, летать не могут, но тем не менее, летают, аэродинамика не является точной дисциплиной. Посмотрим, так ли это на самом деле.

Совсем недавно в журнале "Science" появилась статья "Details of Insect Wing Design and Deformation Enhance Aerodynamic Function and Flight Efficiency". Ее авторы (пять человек) пишут об попытке численного моделирования полета саранчи (Locust). Исследование содержало два этапа.
На первом этапе живую саранчу заставляли "лететь" в аэродинамической трубе, одновременно снимая на видео завихрения воздуха вокруг ее крыльев. Воздушные струйки визуализировались с помощью дыма (см. рисунок ниже).

На втором этапе составлялась сложнейшая "цифровая модель" саранчи, учитывающая все особенности ее геометрии, которая была подвергнута "цифровой продувке". Исследователи убедились, что картина обтекания модели в точности совпадает с реальной продувкой. Затем цифровая модель подверглась упрощению - были выключены элементы, имитирующие различные мелкие детали, шероховатость и т.д. Упрощенная модель тоже подвергалась продувке. Затем результаты сравнивались. Оказалось, что мелкие детали действительно не влияют на картину обтекания, зато шероховатость уже дает небольшое отклонение. Наиболее сильно на картину обтекания повлияла форма крыльев - попытка немного изменить их форму искажала картину сильнее всего.

Вывод оказывается на удивление очевидным. Самолет аэродинамически намного проще птиц или насекомых, поэтому его летные качества легко поддаются расчету. Другими словами, для расчета рукотворных летательных аппаратов используется очень примитивная модель. Такая модель легче строится и легче обсчитывается. Попытка посчитать с помощью этой крайне упрощенной модели что-то сложное - неизбежно приводит к расхождению результатов счета и данных реального объекта. Что, кстати, дает повод невежественным людям немедленно завопить: "Ваша наука ни на что не годна". А дело, как мы видим, не в науке, а в неадекватном выборе модели.

Денег мало, длинный шмель, ты в кибитку не ходи!

Уже около сотни лет законы аэродинамики (и биологии) регулярно "опровергает" шмель (Bombus). Он даже по латыни Бомбис! Еще бы! Такая бомбочка с малюсенькими крылышками. Карлсон (который на крыше) мира насекомых!
Соотношение его веса и площади крыльев даёт совершенно нереальную нагрузку на крыло. Получалось, что шмель просто летать не может!

Напомню (для тех кто не знает), что нагрузка на крыло есть отношение подъемной силы к площади крыла. Если площадь крыла у данного летательного аппарата не меняется (или меняется незначительно, например, при выпуске закрылков), то подьемная сила зависит прежде всего от скорости обтекания и угла атаки. Угол атаки бесконечно увеличивать нельзя - наступают срывные явления, качество крыла падает (а, значит, мощность, необходимая для полета растет).

Это противоречие было снято, когда замерили, с какой частотой шмель машет крыльями. Ведь от скорости обтекания подъемная сила зависит в квадрате. Чем чаще шмель машет крыльями, тем выше скорость обтекания. Однако, чтобы махать крыльями с такой частотой, шмелю необходимо иметь мышцы, по эффективности сравнимые с мышцами птиц с их "бешенным" метаболизмом. Оказалось, что у шмеля именно такие мышцы. Подробнее об этом в этой статье. Более того, наблюдения показали, что в холодную погоду шмель, прежде чем отправится в полет, несколько минут разогревает мышцы "на холостых оборотах".

Еще одна загадка возникла, когда стало ясно, что нервная система насекомого просто не в состоянии обеспечить сокращения и расслабления мышц с такой частотой. Эту загадку разгадали буквально на днях. Японские исследователи, используя синхрофазотрон (sic!) просвечивали зафиксированного шмеля в момент его полета в аэродинамической трубе. Оказалось, что шмель нервной системой для махания крыльями во время полета "не пользуется"! В его мышцах возникают автоколебания.

Стало ясно, что никаких секретов в полете насекомых нет. Они подчиняются законам аэродинамики так же, как любая летающая машина. Утверждение, что насекомые "противоречат" аэродинамике, проистекает от того, что модель для расчета была излишне упрощена и не отражала всех особенностей обтекания насекомого воздушным потоком.

Кстати, Карлсон, который живет на крыше, тоже нонсенс, с точки аэродинамики.

Птица и самолет

Здесь тоже присутствует внешнее сходство. Речь идет, конечно, о самолетах нормальной аэродинамической схемы. Голова птицы соответствует кабине экипажа, тело - фюзеляжу, присутствуют крылья и хвостовое оперение.

Единственное визуальное отличие птиц от самолетов - наличие у самолетов вертикального киля с рулем направления. Руль направления служит для управления самолетом по рысканию. Дело в том, что самолет должен быть устойчивым в полете. Это означает, что он сам, без вмешательства пилота (или автопилота) должен парировать возмущение, вызванное внешними факторами, например, порывом ветра. Теория устойчивости самолета довольно сложна. Например, возник случайный крен влево. Возникает горизонтальная составляющая подьемной силы и самолет начинает "виражить" влево. В результате обтекание самолета становится несимметричным и он стремиться повернуться (как флюгер поворачивается вокруг своей оси) тоже влево. При этом его крен уменьшается, но одновременно он "клюет носом". Его скорость увеличивается, за счет этого увеличивается подьемная сила, позволяя ему "поднять нос" и снова перейти в горизонтальный полет. Траектория, которую выписывает самолет, при этом весьма замысловата. Направление самолета в результате эволюции оказывается отклонено влево от первоначального. Немного теряется высота. Такова цена поперечной устойчивости.

Что произойдет, если у самолета не будет киля? Ничего хорошего. При случайном крене самолет перейдет в пологую нисходящую спираль.

Почему птицы не испытывают подобных неудобств? Потому что обладают мощным "автопилотом" - своим мозгом. Если поручить летчику парировать случайный крен, то возможно построить самолет без киля и руля направления - он будет летать как ни в чем ни бывало. Однако при этом утомляемость летчика возрастет. (В скобках добавлю, такие экспериментальные самолеты строились. Преимуществ они не показали никаких, поэтому их строить перестали). Можно поручить эту функцию автопилоту. Однако техника, как мы знаем, отказывает. Что будет с таким самолетом при отказе автопилота, Вы уже знаете - он свалится в нисходящую спираль.

Между прочим, природа тоже "изобретала" летунов с вертикальным стабилизатором. Полюбуйтесь на скелет птеранодона. Высокий гребень на голове является тем самым рулем направления. Самолеты с рулем направления, который расположен впереди крыла тоже строились и летали. Пример - знаменитый "Флайер-1" братьев Райт, который 13 декабря 1903 года открыл эру авиации! Наличие аэродинамического гребня у древнего летающего ящера, кстати, позволяет сразу сделать еще один вывод, даже не прибегая к сравнительной анатомии птеранодонов и птиц: птеранодон не обладал большим мозгом, позволяющим парировать случайный крен, поэтому вынужден был "отрастить" себе киль!

Как летает пеликан

Не видели как летит пеликан? В полете эта птица держит шею "загзагом", в виде буквы Z. Зачем ему такое чудачество? Ведь остальные птицы с длинными шеями (журавли, аисты, лебеди, утки... да несть им числа!) летают, полностью вытянув шею вперед. Очевидно, при таком способе полета и аэродинамическое лобовое сопротивление меньше! Однако пеликан - птица себе на уме.

Здесь, видимо, придется рассказать о центровках летательного аппарата. Я уже рассказывал об устойчивости летательного аппарата. В данном случае речь пойдет о продольной центровке - координате центра тяжести относительно средней аэродинамической хорды.

У любого летательного аппарата (и у птицы в том числе) центр тяжести во время полета смещается по полету вперед или назад. Это происходит в результате выработки топлива, сброса груза, авиабомб...или птичка покакала в полете. Если центр тяжести смещается вперед, устойчивость самолета возрастает, но при этом ухудшается управляемость. Усилия на ручке управления возрастают, а на отклонение этой ручки самолет реагирует вяло. Центровка, когда управляемость самолета становится неудовлетворительной, называется предельно передней центровкой.

Соответственно, при смещении центра тяжести назад устойчивость самолета ухудшается, зато улучшается управляемость. Самолет начинает нервно реагировать на малейшее отклонение органов управления. Положение центра тяжести, когда устойчивость становится неудовлетворительной, называется предельно задней центровкой.

Самолет расчитывается конструкторами так, чтобы при эксплуатации центровка не выходила за допустимые пределы. А как быть птицам?

Пеликан вынужден использовать клюв с мешком для ловли (и транспортировки) пойманой добычи - рыбы. Чужими птенцами он тоже не брезгует. При полете его центровка может сместиться далеко вперед. Чтобы этого не происходило, пеликан и держит шею буквой "зю"! У остальных птиц такого не наблюдается. Можно возразить: тукан, со своим гиганским "пластмассовым" клювом тоже должен испытывать затруднения в полете! Однако, во-первых, клюв тукана ажурен и легок (и при этом невероятно прочен!), а во-вторых, его шея далеко не так длинна, как у нашего друга пеликана. Так что с его центровкой ничего не случается.

Заключение

Законы аэродинамики едины для любого аппарата или существа, рискнувшего оторваться от Земли и подняться в воздух. Несмотря на то, что аэродинамически самолет намного проще жука или птицы, летают они по единым принципам.