Достижения и трудности в «машущем полете»

Есть люди, как будто предназначенные для того, чтобы решать новые, невиданные задачи, прокладывать неизведанные пути. Их влечет новое, еще не открытое, самое сложное. И открыв, осуществив, достигнув намеченного, они, глядишь, уже устремятся к иным целям, к манящим неизвестностью вершинам. К таким людям принадлежит и американский конструктор Поль Маккриди. Мировую известность ему принес самолет с мускульным приводом.

На этом самолете сначала удалось совершить полет по восьмеркообразной траектории длиной в одну милю, а затем в 1979 году пересечь тридцатикилометровый Ла-Манш. В обоих случаях удалось завоевать крупные денежные призы, но не только они являлись главными стимулами деятельности конструктора: затраты на технику были никак не ниже призовых сумм.

Маккриди не был первым в попытках создать такие аппараты, но в своей деятельности он продемонстрировал блестящую организацию работы, целеустремленность, упорство (неудачи, поломки закономерно сопровождали ее) — а главное, как конструктор он был на голову выше своих соперников.

Он, скажем, применил схему «утка», в которой горизонтальное оперение, расположенное впереди крыла, помогает создавать подъемную силу. При этом гондола с пилотом сдвигается назад и одновременно играет роль вертикального оперения. В результате открылась возможность применения толкающего воздушного винта, поток от которого не тормозится частями самолета!

Еще одна характерная особенность конструкции Маккриди — высочайшее весовое совершенство. Так, аппарат «Альбатрос-Паутинка» (Gossamer Albatross), имевший тридиатиметровое крыло, весил всего 34 кг. Это было достигнуто не только за счет рациональных конетруктивных решений, но и применения новейших композиционных матерналов — стеклопластиков и углепластиков.

После успехов с мускульным приводом конструктора увлекла новая идея: создать самолет с электро-мотором, питаемым энергией солнечных батарей, размещенных на его несущих частях. И здесь было организовано широкое наступление на проблему. За короткий срок он построил несколько аппаратов, лучший из которых «Солар Челленджер» в июле 1981 года перелетел из Франции в Англию, покрыв 368 км за 5 ч 23 мин, наибольшая высота полета достигла 3570 м.

Рисунок экспериментального самолета Solar Challenger с веб-сайта НАСА, об исследованиях солнечной энергии в Центре летных исследований Драйдена.

И на сей раз Маккриди удалось опередить конкурентов благодаря ясному представлению конечной цели, выбору кратчайшего пути ее достижения, высокой организации с использованием новейших технических достижений: фотоэлементы заимствовали от батарей космических аппаратов, легкость конструкции обеспечивали новейшие материалы и конструкторские решения, уже освоенные на самолетах с мускульным приводом…

Следя за работами Маккриди, специалисты не раз задавались вопросом: почему он не занимается машущим полетом? Вот проблема, достойная самых напряженных усилий этого признанного и удачливого таланта! И вот в 1984 году в прессе появилось сообщение о намерении П. Маккриди построить машущекрылую модель гигантского птерозавра.

Сколь закономерным было обращение к задаче, столь неожиданным оказался путь к ее решению. Неужели такой вдумчивый конструктор решил идти по пути слепого копирования живой природы?

В 1975 году в западном Техасе нашли хорошо сохранившийся скелет гигантского  птерозавра — «крылатого ящера» (Quetzalcoatlus), размах крыла которого составлял примерно 11 метров. Обнаружили и останки меньших размеров. Что давали конструктору эти источники?  Только внешне размеры и форму предполагаемой модели. Даже вес птерозавра нельзя было определить точно, и он был оценен «из соображений мощности»: не больше 100 кг. Никаких данных по кинематике машущего крыла, амплитуде и частоте махов, угловых значениях получить было нельзя.

Зачем же тогда заниматься копированием и связываться с птерозавром? Пресса об этом умалчивала. В то же время корреспонденты обращали внимание на то, что будущий птерозавр должен летать не как какой-нибудь воздушный змей, а за счет взмахов собственных крыльев, и запустить его предполагалось в небо над столицей США. Все это публиковалось при молчаливом согласии Маккриди.

Отвлечемся здесь ненадолго от нашего героя, чтобы сказать несколько слов о самом машущем полете. Живые махолеты (птицы, насекомые) мы наблюдаем ежедневно. Проследите, например, за полетом уток, имеющих весьма высокую загруженность крыла. Чем не прототипы будущих машущекрылых аппаратов? Но только диву даешься, как по-разному истолковывают разные наблюдатели, даже ученые, машущий полет. Возникли «теории» об особой роли проницаемости воздухом перьевой структуры крыла птиц (хотя особенности аэродинамики, например, многощелевого крыла исследованы еще С. А. Чаплыгиным), об обнаруженных желобках и бороздках на поверхности крыла насекомых, играющих якобы основную роль в осуществлении машущего полета, и т. п. Кстати, еще в начале тридцатых годов М. К. Тихонравов, покрывая эти желобки и бороздки плотным слоем краски (темпера), показал, что теория о влиянии этих особенностей поверхности крыла на полет лишена каких бы то ни было оснований, так как насекомые с покрашенными крыльями продолжали успешно летать. Стало характерным причислять к тайнам аэродинамики машущего крыла все те особенности строения крыла птиц и насекомых, назначения которых орнитологи или энтомологи не могут объяснить иным путем…

И снова работы разворачиваются с размахом: создается специальная мастерская и группа проектирования из 15 человек при компании «AeroVirentmetn Inc», в которой Маккриди был основателем и председателем совета. Группа проекта включала специалистов по аэродинамике, по устойчивости и управляемости, роботизации, палеобиологии, орнитологии и прочее. Помимо штатных сотрудников, использовалась помощь еще не менее десятка специалистов, в том числе и имеющих опыт работы в области машущего полета.

Конечно, в условиях США такая задача по силам только миллионерам. Но Маккриди не спешит раскошелиться. Он объявляет стоимость будущей модели в 2 млн.долларов и, как видно, собирает необходимую сумму от заинтересованных лиц и фирм. К услугам конструкторов современные материалы, оборудование, совершенные аккумуляторы, сервоприводы, аппаратура радиоуправления… Пресса регулярно освещает ход работы.

Недоумение вызывает прежде всего сама методика взлета модели. Почему ее запускают с помощью катапульты или лебедки? Ведь машущее крыло, как и воздушный винт, создает наибольшую тягу при отсутствии поступательной скорости. С ростом ее тяга падает. Поэтому машущее крыло наиболее эффективно именно на разгоне, на взлете, и нет нужды в искусственном запуске аппарата. Если для махов необходимы длинные и тяжелые стойки шасси, то после разгона и отрыва их ведь можно оставить на земле, и это обстоятельство не должно служить препятствием к самостоятельному взлету. А Маккриди заявляет: самостоятельный взлет слишком сложен и даже не рассматривался. Тогда-то и возникло сомнение: а достигнута ли вообще требуемая эффективность работы машущего крыла?

Запустив лебедкой аппарат в воздух, следующей задачей было добиться планирования с неподвижным, немашущим — крылом. Сложность состояла в том, что птеродонты не имели развитого хвостового оперения, а торчащая впереди голова являлась дестабилизатором, что приводило к путевой неустойчивости. В авиации применяют автоматические системы создания искусственной устойчивости для статически неустойчивых аппаратов — например, на основе гироскопических устройств. Решение этой проблемы было схоже с тем, что Маккриди успешно использовал при проектировании и мускульного, и солнечного самолетов — это привлечение новейших достижений техники (материалы, фотоэлементы, компоновочные решения). В системе управления был применен гироскоп, чувствительный к изменениям углов рысканья и крена.

Но овладение машущим полетом относится к качественно иному роду задач! Одной голой техникой, даже самой дорогой, здесь не возьмешь. Неизвестное тут связано с новым качеством и требует познания новых принципов. Кавалерийская атака, как бы она ни была организована, не проходит. Машущий полет не спешит открыть свои секреты исследователю: нужны годы, чтобы осмыслить его тонкости, его закономерность…

Поначалу включение в движение машущего крыла приводило к беспорядочному падению модели. При первой попытке демонстрации полета в мае 1986 года операторы даже не успели выпустить аварийный парашют, спрятанный внутри птерозавра. Когда модель стоимостью 700 тысяч долларов разбилась о бетон ВПП, журналисты мрачно шутили, что они теперь знают, как погибли птерозавры.

При последующих демонстрациях они увидели птерозавра в воздухе, телевидение позволило увидеть это и всем нам. Завершенная летающая рептилия с дистанционным управлением и размахом крыльев 18 футов была снята над Долиной Смерти, Калифорния, в 1986 году для документального короткометражного фильма Смитсоновского института «На крыле» (On the Wing).

Для специалистов «загадка» была предельно проста. Медленные движения крыла с малой амплитудой просто не мешали модели… планировать, не замедляли ее снижения, не прибавляли ни скорости, ни высоты! Это была лишь внешняя имитация машущего полета. О создании потребных для полета аэродинамических сил не могло быть и речи. Такая модель самостоятельно взлететь, разумеется, не могла. Но сам по себе птерозавр красив; пресса в очередной раз славит Маккриди. Что ж, здесь Маккриди показал себя с новой‚ стороны — как талантливый политик (наверное, исследователю необходимо и это свойство).

Ведь в этой работе он сумел поставить сразу две цели (как сейчас говорят, «древо целей»): машущий полет и птерозавр. Неудача с машущим полетом? Останется такая экзотическая вещь, как птерозавр! Беспроигрышный вариант! Но не будем слишком строги. Быть может, Маккриди верил в двойной успех.

Планирование с машущим движением крыла, кстати, не новость. Такие полеты еще в тридцатых годах совершал планер Черановского, в пятидесятых на воздушом празднике в Тушине — планер «Кошук» с подрессоренным крылом, причем это были пилотируемые полеты.

Первое, что обязательно должно быть выполнено, чтобы полет был признан машущим, — это самостоятельный взлет с земли машущекрылого аппарата, а не запуск его посторонними средствами.

Второе условие — достигнутый уровень несущих свойств машущего крыла. Сложность машущего полета состоит в том, что крыло в нем источник и подъемной силы, и тяги. Нетрудно построить небольшую модель, которая летает только за счет тяги машущего крыла и своей легкости (такие игрушки даже продают в магазинах). Нелетающей такую модель делает возрастание размеров: не хватает подъемной силы. Если сравнивать несущие свойства крыла таких моделей, то они на порядок ниже, чем у птиц. Поэтому машущий полет – это достижение определенного высокого уровня несущих свойств машущего крыла.

Материал подготовлен на основе статьи из архива журнала «Техника — молодёжи» (1987 г.)