ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОНИКИ В АВИАЦИИ

Удивительно, но вот уже более года мы получаем письма от изобретателей махолетов. Первая статья И.А.Азарьева "Проблемы машущего полета" была напечатана в "АОН" N3'98. Публикацию следующей статьи мы отложили, поскольку тема нам показалась интересной лишь небольшой части наших читателей. Но письма Г.И.Измалкова ("АОН" № 1'99) и И.Р.Нурмухаметова показали, что мы, вероятно, ошиблись. Тем временем И.А.Азарьев не терял времени даром и разработал компьютерный симулятор полета махолета. Цель этой работы - создать математическую модель, которая позволила бы отработать в динамике вопросы теории полета махолета. В отличие от "леталок", которые увлекают детей и взрослых возможностью поучаствовать хотя бы в виртуальном воздушном бою, программа И.А.Азарьева имеет научно-прикладной характер, а потому не отличается богатой графикой. Но кто знает, возможно именно эта программа приблизит к исполнению мечты наиболее одержимых и неугомонных?

"Fax mentis incendium gloriae" (лат.) Факел мысли рождает пожар славы

Наблюдая удивительные формы и свойства животных и растений, человек стремился достичь такого же совершенства. Отсюда пошло новое направление технического развития - бионика.

Интерес к бионике подогревается статьями, публикуемыми в прессе, но в большинстве публикаций сведения имеют характер сенсации и мало подкреплены анализом характеристик живых существ. Кроме того, в них, как правило, слабо представлен сравнительный анализ характеристик с учетом законов подобия, что делает большинство публикаций некорректными с научной точки зрения.

В отношении проблемы возможности использования бионики в авиации мне хотелось высказать следующие замечания.

Весь ход технического и научного прогресса, а также изучение природы живых существ и законов их эволюции показывает, что пути развития природы и техники различны.

Для своего развития природа использует метод проб и ошибок путем случайного перебора вариантов и закрепления удачных вариантов в генетическом коде, передаваемом последовательно по наследству.

Человек использует метод проб и ошибок путем целенаправленного перебора вариантов в информационной среде, способствующей накоплению и быстрому распространению этой информации в обществе.

Это позволяет человеку в миллионы раз сократить время и затраты на поиск оптимального варианта, что обеспечивает колоссальный прогресс науки и техники даже в пределах жизни одного поколения.

Читая многочисленную литературу по проблемам машущего полета, я хотел бы высказать следующую крамольную мысль: изучение механизмов и принципов полета насекомых и птиц, конечно, интересно, но практически ничего не дает для авиации и, в частности, для создания махолета.

Дело в том, что природа за миллионы лет естественного отбора методом проб и ошибок смогла создать удивительные по совершенству летающие существа. Даже тщательно изучив эти механизмы, человек не сможет ими воспользоваться. Тому есть несколько причин принципиального характера.

1. Насекомые и птицы летают в той области малых скоростей и размеров, где очень существенны силы вязкости и которая принципиально не может быть использована человеком.

В аэродинамике есть специальный критерий, число Re, которое определяется соотношением между силами инерции и вязкости, возникающими в обтекающем поверхность потоке воздуха.

Re=V*L/n,

где
V - скорость потока;
L - хорда крыла;
n - кинематический коэффициент вязкости.

На малых числах Re преобладают силы вязкости, на больших - силы инерции. Критическое значение числа Re, разделяющее две основные области характеристик потока, составляет для профиля 120 000 - 160 000.

Ниже приведены числа Re, используемые для различных аппаратов и существ.

Re
Транспортные самолеты ............. 1x10⁸
Легкие самолеты ......................... (2 - 5)x10⁶
Планеры ..................................... (0.6 - 3)x10⁶
Модели самолетов.........................60000x300000
Парящий альбатрос ...................... 200000
Чайка ............................................ 100000
Бабочка в планирующем полете .... 3000x7000
Мелкие комары и мушки ................ 20 - 1000

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, что окажется совершенно непригодным для полета человека.

Альбатрос летает на сверхкритическом числе Re, и его крыло наиболее близко похоже на самолетное.

Механическое перенесение особенностей аэродинамической компоновки живых существ, летающих в области докритических чисел Re, на летательные аппараты, использующие область сверхкритических чисел Re, обречено на неудачу.

2. Крылья птиц имеют механизмы адаптации к обтекающему их потоку. У основания каждого перышка есть рецепторы, чувствительные к местному потоку и нагрузкам, 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 и систему адаптации к потоку человеку вряд-ли удастся.

3. В авиации известен закон КВАДРАТА-КУБА.

Его суть такова: с увеличением размеров летательного аппарата площадь несущей поверхности, а вместе с ней и подъемная сила, растут пропорционально квадрату линейного размера, а масса - пропорционально кубу.

Таким образом, если муху увеличить в 200 раз - до размеров человека, то площадь ее крыльев увеличится в 40000 раз, а масса - в 8000000 раз. Понятно, что ни о каком полете такого существа не может быть и речи.

Этот закон ограничивает максимальную массу летающих живых существ. Наибольшая из имеющихся на земле летающих птиц - кондор - имеет массу 12 кг.

Что позволено мухе, не позволено человеку.

Никакая муха или птица не может быть прототипом для конструирования летательного аппарата, в том числе и махолета.

4. В целях минимизации потерь подъемной силы на балансировку в процессе эволюционного развития птицы имеют нейтральную статическую устойчивость в продольном и боковом каналах. Устойчивость при этом обеспечивается с помощью совершенного автопилота, функции которого выполняет головной мозг, и совершенных биологических датчиков, обеспечивающих ощущения режима обтекания и ориентировки в пространстве.

Если создать точную модель поверхности птицы, обеспечить полное соответствие массово-инерционных характеристик и запустить эту модель в свободный полет, она с беспорядочным кувырканьем упадет на землю.

Находясь в замкнутом пространстве кабины летательного аппарата, пилот в значительной мере изолирован от воздействия обтекающего воздушного потока и поэтому вынужден использовать специальные датчики и системы контроля для оценки режимов полета. Кроме того, характеристики устойчивости летательного аппарата должны в определенной степени прощать пилоту его неадекватные действия.

Наиболее близко к условиям летающих существ приближен дельтаплан, пилот которого находится непосредственно в воздушном потоке, что позволяет ему лучше ощущать режимы обтекания крыла и летать без бортовых приборов.

Практически во всех областях летных характеристик, таких как дальность, максимальная скорость, высота полета, грузоподъемность, экономичность и маневренность человек создал летательные аппараты гораздо более совершенные, чем это сделала природа.

Технический прогресс человечества происходит в соответствии с общими законами природы, логикой собственного развития, в соответствии с потребностями человека и имеющимися технологическими возможностями.

С самого начала развития авиации попытки механического копирования несущих поверхностей птиц и насекомых не давали никаких преимуществ и были обречены на неудачу. Первый самолет братьев Райт был мало похож на птицу и создавался ими в соответствии с полученными сведениями, технологическими возможностями и собственными разработками.

Можно выделить следующие наиболее общие различия технологических решений, определившие пути развития летательных существ и авиации.

Природа создала совершенный опорно-двигательный аппарат, состоящий из скелета с шарнирным сочленением всех частей, мускулатуры и системы управления в виде нервной системы, пронизывающей все клетки мускулатуры и связывающей ее с головным мозгом. Эта удивительно совершенная элементная база в настоящее время недоступна для человека.

С другой стороны, человек создал высокопрочные материалы, изобрел колесо, двигатели и другие устройства, обеспечившие получение уникальных технических возможностей для совершенствования своих аппаратов, что позволило превзойти природу практически по всем показателям.

В соответствии с указанными различиями пути развития авиации и летательных существ оказались различными.

Опорно-двигательный аппарат мог обеспечить только маховые движения крыла, что летающие существа использовали в совершенстве.

Авиация использовала на много порядков более простую конструкцию в сочетании с преимуществами вращательного движения, которое использовалось в различных системах и агрегатах, в том числе для создания тяги с помощью силовой установки.

Природа установила определенный предел, составляющий 12ё15 кг для максимальной массы летающих существ. Рассмотрим физический аспект этой проблемы.

Прежде всего, следует дополнить закон КВАДРАТА-КУБА следующим соотношением: 2-3-5. Его суть такова: с увеличением линейного размера площадь поверхности увеличивается в квадрате, масса - в кубе, а моменты инерции - в пятой степени. С увеличением размеров крыла при его маховых движениях инерционные моменты настолько быстро увеличиваются, что все большая и большая часть мощности тратится на их преодоление.

Кроме того, вследствие отставания роста площади крыла (она растет пропорционально квадрату линейного размера), птицам приходится увеличивать скорость полета, что, в свою очередь, требует более крепких ног для взлета и посадки и дополнительной мощности для полета. Все это и ограничивает максимальную массу летающих существ в 12-15 кг. Например, взрослый птенец пеликана (пусть вас не шокирует это определение) весит 10-12 кг, но когда он становится на крыло, он сбрасывает вес до 6 кг. Обратите внимание, как резвы и стремительны маленькие животные и птицы, и как медленны и неторопливы движения крупных животных.

Среди крупных птиц наиболее совершенным летуном является альбатрос. Рассмотрим, для примера, как изменятся характеристики гипотетических летающих существ, подобных альбатросу, при увеличении массы до 60 кг (альбатрос гигантский или материализованный ангел), и до 200 кг (в размерности махолета с поршневым двигателем и человеком на борту). При увеличении массы нагрузки на крыло, а, следовательно, и скорости полета, приняты неизменными. Результаты приведены в таблице.

В таблице располагаемые мощности и моменты инерции указаны в относительных величинах по отношению к альбатросу.

Для предварительной оценки принято, что располагаемые мощности пропорциональны увеличению массы существ, а моменты инерции - квадрату увеличения массы. Простые наблюдения за животными показывают, что на самом деле мощность растет не пропорционально массе, а медленнее. Вы обратили внимание, что муравей может поднять вес, превышающий его собственный в несколько раз, тогда как слон лишь несколько процентов от собственного веса?

Обратим особое внимание на увеличение моментов инерции. В отличие от наземных животных, конечности которых при движении совершают пульсирующие движения, крыло птицы совершает возвратно-поступательное движение, которому характерны большие угловые ускорения, и здесь большие моменты инерции требуют дополнительной мощности.

При существенном увеличении момента инерции существо не сможет за короткое время затормозить крыло и начать обратное движение, что делает невозможным устойчивый горизонтальный полет или набор высоты. Таким образом, материализованный ангел не сможет летать по объективным законам природы, разве что только планировать, но тогда это будет уже дельтаангел или, например, птеродактиль, который совершал планирующие полеты в доисторическую эпоху. Летающее существо с пассажиром на спине, тем более, не сможет летать.

Иное дело - самолеты, созданные человеком. У них крыло неподвижно, следовательно, момент инерции не является фактором, ограничивающим максимальную массу. Кроме того, мощность двигателя увеличивается быстрее, чем увеличивается его масса, и в сочетании с применением высокопрочных материалов и повышением культуры весового проектирования, приводящими к уменьшению массы крыла, а, следовательно, и моментов инерции, человек может создать летательные аппараты со сколь угодно большими массами. Например, самолет Ан-224 имеет массу 600 т, и в настоящее время разрабатываются проекты более тяжелых летательных аппаратов.

При создании махолета инерционные моменты можно уменьшить путем применения высокопрочных материалов, что, вместе с использованием легких и мощных двигателей, позволит отодвинуть границы предельной массы.

Конечно, многоместные, межконтинентальные пассажирские махолайнеры - это фантазия, но одно или двухместный махолет - реальность.

И.А.Азарьев
(Киев, тел. (044) 449-80-11, e-mail: [email protected])