Раз урок, два урок...
Создав самолет, человек превзошел птиц по скорости полета в 1912 году, по высоте полета — в 1916 году, по дальности — в 1924 году. Успех следовал за успехом, самолет преодолел океаны, покорил Северный полюс, инженеры, казалось, уже могли смотреть свысока на все воздухоплавательные достижения природы, как вдруг...
Перед второй мировой войной по всем странам прокатилась волна необъяснимых воздушных катастроф. Аварии случались с самолетами самых разных конструкций и назначения. Полет до поры до времени протекал нормально, затем машина словно взрывалась в воздухе. Спасшиеся на парашютах летчики ничего толком не могли рассказать, все происходило чересчур быстро: невиданной силы удар, треск, грохот, короткая агония — и конец.
Далеко не сразу удалось установить, что при высоких скоростях полета набегающий поток воздуха начинает раскачивать крылья, возбуждает в них резкие, упругие колебания, которые буквально разламывают конструкцию. Новое грозное явление получило название «флаттер».
И для конструкторов, и для теоретиков флаттер оказался полной неожиданностью. Неизвестно было, как с ним бороться. Оставалось одно — искать. Искать причины, искать способы борьбы. Не сразу, но они все же были найдены: в конце каждого крыла стали делать утяжеления, которые гасили вредные колебания. Коварное препятствие на пути создания скоростных машин было устранено.
Лишь позднее выяснилось, что нужное решение было перед глазами людей задолго до того, как взлетел первый самолет... Ведь крохотное хитиновое утолщение у кромки передней части крыла стрекоз оказалось не чем иным, как противофлаттерным устройством! В связи с этим известный советский специалист-аэродинамик М. К. Тихонравов писал: «...природа иногда указывает, как самые сложные задачи решаются с поразительной простотой». Действительно, если бы инженеры и биологи своевременно получше изучили полет стрекоз, то такое исследование сберегло бы массу сил и избавило от многих жертв.
Этот случай, казалось, должен был привлечь внимание авиаконструкторов к «патентному бюро» природы. Но этого не случилось. И за это творцам авиационной техники вновь пришлось расплачиваться затратой сотен тысяч часов труда на изобретение того, что давным-давно было осуществлено в природе.
Например, инженерам после долгих поисков удалось найти тип крыла с большой подъемной силой. Поперечный разрез такого крыла, или, как говорят, его профиль, отличается тем, что верхняя часть контура более выпукла, чем нижняя. И тут выяснилось — профиль некоторых акул и осетровых рыб почти подобен профилю нового грузоподъемного авиакрыла! Это не случайное сходство. Дело в том, что рыбы, в частности акулы, имеют большой удельный вес и в неподвижном состоянии тонут. Однако достаточно акуле начать двигаться, как благодаря «грузоподъемному» профилю тела возникает сила, которая без всяких дополнительных движений удерживает ее на плаву. А поскольку законы гидродинамики и аэродинамики во многом схожи, можно было просто перенять это «техническое решение» и использовать его в авиации. Но инженеры тогда не интересовались ихтиологией, а ихтиологи — самолетостроением. Природа едина, но специализация дробит познание на изолированные отсеки... Пробел, который сейчас пытаются восполнить новые синтетические науки, прежде всего, пожалуй, бионика.
Перелистывая историю авиации, находишь не один, не два — массу случаев «повторения пройденного», изобретения уже изобретенного в природе. Но очень может быть, что упоение техническими победами еще долго мешало бы творцам новой авиационной техники «обращаться за советом» к тем, кому они еще недавно завидовали, у кого учились, — птицам, насекомым, если бы в последнее время не встал вопрос о резком повышении экономичности, маневренности и надежности как нынешних, так и будущих самолетов. Это оказался именно тот случай, когда традиционный инженерный способ мышления выявил свою недостаточность при решении уже не тактических, а стратегических задач.
Каких именно? А вот каких.
Обогнали или отстали?
Мы уже говорили о том, как самолет обогнал птиц. Пора сказать, в чем птицы остались недосягаемыми.
Если мы поделим вес таких современных самолетов, как Ил-18 и Ту-114 на мощность их двигателей, то окажется, что каждая лошадиная сила моторов «несет» 14 килограммов самолетного веса. У орла это соотношение равно уже 70 килограммам, у аиста — 135. Иными словами, летательный механизм аистов вдесятеро экономичней, чем у самолетов. Это еще не предел: есть птицы, чья энергетика в двадцать, а то и в тридцать раз экономичней авиационной.
Главный секрет этого прост: машущий полет! Экономичность полета пернатых особенно проявляется во время их длительных миграций. Чибисы, например, перелетают из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрывая расстояние в 3500 километров без остановки, а бекасы без отдыха пролетают из Японии на зимовку в Восточную Австралию около 5000 километров. Почти фантастическим кажется перелет кроншнепов, гнездящихся на Аляске и зимующих на островах Таити, на Гавайских островах. Весь путь протяженностью в 9500 километров (более 3000 километров над морем) они, видимо, пролетают без остановки. Некоторые буревестники одолевают до 10 тысяч километров! Птицы летят без отдыха как над водными пространствами, так и над пустынями. За время своего «беспосадочного» перелета они совершают огромную мышечную работу. Так, например, перелет мелких певчих птиц через Сахару длится 30—40 часов. За это время каждая пернатая путешественница при 4—5 взмахах крыльев в секунду поднимает и опускает их около 500 тысяч раз!
Естественно, возникает вопрос: разве об этом не было известно раньше? Почему малая по сравнению с птицами экономичность самолетов вдруг стала камнем преткновения? Что изменилось?
Во-первых, самолетов стало очень много, а будет еще больше. Во-вторых, самолеты становятся все более огромными, а следовательно, и более прожорливыми. Тут резко встает вопрос о затратах. Расход лишних тысяч тонн горючего — это одно, а расход миллионов — это уже совсем другое: источники нефти не беспредельны...
Другое очень важное преимущество машущего полета — его большая безопасность. Так, например, дальневосточный иглохвостый стриж, летящий со скоростью 170 километров в час, может вихрем пронестись у самой поверхности земли, а затем взмыть вверх и снова с громадной скоростью возвратиться к земле. Сокол-сапсан в горизонтальном полете развивает скорость около 90 километров в час, но, увидев жертву, он немедленно бросается на нее с высоты и пикирует со скоростью 360 километров. Промахнувшись, он короткой дугой, без взмаха крыльев снова поднимается в небо. (Небезынтересно отметить, что пикирование сапсана долго не давало покоя многим инженерам, пытавшимся решить проблему бомбометания с пикирования.)
Пройдя строжайший естественный отбор, совершенствуясь в полете на протяжении многих миллионов лет, птицы далеко превзошли созданные людьми первоклассные летательные аппараты и в маневренности. Известна, например, порода голубей, которые во время полета неоднократно перекувыркиваются, или авторотируют, не теряя при этом равновесия. Виртуозно летает альбатрос. Он может перемещаться несколькими способами: махая крыльями, паря в восходящем токе воздуха и подпрыгивая на встречных волнах (двигаясь с порывами ветра). Но, пожалуй, пальму первенства в маневренности следует отдать самым маленьким представителям мира пернатых — колибри. Эта птичка-невеличка, размером чуть больше шмеля, прекрасная, как драгоценный камень, на спринтерских дистанциях развивает скорость до ста километров в час, может (некоторые виды) подниматься в горы до высоты 4000 метров, куда залетают только кондоры. В то же время она способна неподвижно замирать в воздухе, словно крохотный вертолет. Когда эта кроха висит в воздухе, высасывая своим тонким клювом нектар из цветов, то на месте ее вибрирующих крыльев виден дымчатый бледный ореол. И неудивительно: ее крылья трепещут с частотой около пятидесяти взмахов в секунду! При этом колибри машут крыльями не вертикально, как все птицы, а горизонтально, что позволяет им летать и боком, и даже хвостом вперед.
Короче говоря, машущее крыло выгодно во всех отношениях. Для повышения экономичности, маневренности и безопасности полета надо использовать опыт живой природы, строить орнитоптеры — аппараты с машущими крыльями. Этот вывод сейчас уже невозможно оспорить. Но осуществить машущий полет, а главное, достичь желаемого эффекта — задача далеко не простая даже в наш XX век, век, казалось бы, безграничных возможностей науки и техники.
Слишком много секретов
Лет сорок тому назад в зарубежной печати много писали об одном немецком инженере, который изготовил несколько механических птичек. Они были маленькие, совсем как настоящие, и, представьте себе, летали! Окрыленный успехом, этот инженер задался целью построить орнитоптер. Нашлись последователи и в других странах. Строили орнитоптеры, или, как их еще называют, махолеты, самых различных конструкций. Один из таких махолетов весил более полутонны, площадь его крыльев достигала 30 квадратных метров, они делали от 25 до 90 взмахов в минуту. По расчетам, подобный аппарат должен был поднять не одного, а нескольких пассажиров. Однако взлететь ему так и не удалось: не хватило подъемной силы. Другие махолеты с поршневым бензиновым мотором, едва оторвавшись от земли, неизменно тотчас же падали...
Почему же изобретатели и конструкторы потерпели в своих первых попытках создания махолета полную неудачу? Все дело в том, что они поверхностно пытались копировать природу, не зная, не понимая истинной природы машущего полета. Они механически переносили формулы аэродинамики самолета на орнитоптер. А это неизбежно вело к неудачам. Да иначе и не могло быть, ибо подъемная сила крыла, жестко закрепленного, и машущего крыла образуется по-разному. Если крыло самолета плавно обтекается струями воздуха, то при взмахах крыла птицы имеет место так называемое срывное обтекание. Однако почти все изобретатели и конструкторы орнитоптеров до сравнительно недавнего времени не учитывали этой принципиальной разницы.
Раскрыть секреты феноменальной подъемной силы птичьего крыла, постигнуть закономерности полета пернатых, переложить их на инженерный язык, взять у летающих «конструкций» живой природы все самое эффективное в аэродинамическом отношении, найти новые законы для постройки махолетов — этим сейчас увлечены бионики многих стран. Правда, далеко не все авиаконструкторы разделяют идею перспективности машущего полета, однако число приверженцев махолетов с каждым годом непрерывно растет. Над созданием орнитоптеров работают в СССР, США, Англии, ФРГ, Франции, Японии.
Однако есть основания и для скептицизма, и связаны они с трудностью самой проблемы. Насколько они велики, свидетельствует хотя бы такая история. В нашей стране после второй мировой войны был создан Комитет машущего полета Федерации авиационного спорта СССР. Летчики, биологи, инженеры, орнитологи, аэродинамики в содружестве с учеными Института морфологии животных имени А. Н. Северцева — доктором биологических наук Г. С. Шестаковой, кандидатами наук Т. Л. Бородулиной, В. Э. Якоби, И. В. Кокшайским занялись изучением механики полета птиц. За многие годы исследований большой коллектив энтузиастов выявил более десяти ранее неизвестных закономерностей феноменальной подъемной силы машущего крыла. (В частности, выяснилось, почему птицы, потеряв в веере крыла чуть не половину перьев, продолжают благополучно летать.)
Обнаружились любопытные вещи. Оказалось, что поверхность крыла должна быть не гладкой, а, как ни странно, шероховатой и в определенном направлении волнистой. Что крыло, сделанное не сплошным, а из отдельных перьев на конце при скорости 8 метров в секунду увеличивает свою подъемную силу вдвое! И так далее.
В результате солнечным осенним днем 1962 года на одном из подмосковных аэродромов можно было видеть такую картину...
По бетонной дорожке, плавно взмахивая гибкими крыльями девятиметрового размаха, мчался необычный летательный аппарат. Сильная струя воздуха, отбрасываемая машущими крыльями, заставляла никнуть траву по краям дорожки. Набрав скорость 25—30 километров в час, аппарат начал подпрыгивать. А еще через несколько секунд его колеса повисли в воздухе. Аппарат летал над аэродромом недолго, так как программа испытаний была рассчитана только на проверку тяги и подъемной силы. Однако первый же экспериментальный полет показал, что даже при очень небольшой скорости — вдвое меньшей, чем требуется самолету, — махолет с маломощным моторчиком в 18 лошадиных сил легко отрывается от земли.
Спустя полтора года, точнее, 19 апреля 1964 года, на стадионе «Динамо» в Москве были проведены соревнования уже нескольких моделей аппаратов с машущими крыльями. Присутствующие на соревнованиях воочию убедились, что полет на таких аппаратах абсолютно безопасен, так как махолет может садиться при нулевой поступательной скорости. А если вдруг в воздухе откажет двигатель? Это не страшно: махолет плавно спланирует на распластанных крыльях...
Бесспорно, это был успех. Но одновременно стало ясно, что знание нескольких десятков (десятков!) секретов, закономерностей и эффектов машущего полета еще далеко не приблизило к цели — созданию орнитоптера, который мог бы летать на трассах, перевозить пассажиров и груз.
Сколько же еще надо выяснить секретов и закономерностей птичьего полета, чтобы приблизиться к идеалу? Десять, сто, больше? Этого никто не знает, потому что строгой теории машущего полета нет до сих пор... И, как видим, дело тут не в недостатке усердия.
Все же для любого, глубоко изучившего проблему исследователя нет сомнений, что орнитоптер не фантастика. Это вполне осуществимый и весьма перспективный летательный аппарат будущего.
Вероятно, формула крыла орнитоптера не будет в точности повторять формулу крыла птиц — даже подражая, человек не копирует, а творит. Некоторые ученые при этом утверждают, что будущий махолет «...будет полнее отвечать требованиям человеческой практики, чем меньше он будет представлять собой точную копию птиц».
К этому мы еще вернемся. А пока скажем, что, помимо изучения полета птиц, у человека имеется еще один путь решения проблемы машущего полета.
Перспектива энтомоптера
Подавляющее большинство видов живых существ — это насекомые. Их полет — чудо и загадка природы. Так, например, согласно всем законам современной аэродинамики майский жук летать не должен. Однако, ниспровергая всю нынешнюю теорию полета и сбивая с толку специалистов по аэродинамике, это насекомое все же летает. И как! Жук то степенно сидит на земле, то вдруг отрывается от нее, в какое-то мгновение распрямляет крылья — и прямо ввысь по вертикали!
Полет майского жука был темой специального исследования (или, может быть, расследования...). Вот к какому выводу пришел руководитель этих изысканий, американский ученый
Леон Беннет: «Если мы сумеем определить аэродинамику полета майского жука, мы или обнаружим какое-то несовершенство современной теории полета насекомого, или откроем, что майский жук обладает каким-то неизвестным нам способом создания высокой подъемной силы».
Конечно, далеко не все насекомые хорошие воздухоплаватели, не все задают нам столь волнующие загадки. Но всякий раз, когда мы узнаем что-то новое в летательных способностях насекомых, нас охватывает изумление. Вот, скажем, крыло мухи. На первый взгляд это нечто простое, безжизненное. Но давайте приглядимся. Каркас из тончайших полых жилок. Ячейки затянуты прозрачной мембраной. Все вместе напоминает распущенный зонт с материей, натянутой на стальные прутья. Такое строение обеспечивает крылу большую гребную поверхность при минимальной затрате материала и минимальном весе. При всей кажущейся эфемерности конструкция позволяет осе делать от 165 до 247 взмахов в секунду, шмелю — до 233, комнатной мухе — до 300, комару — около 600! Но и это не предел: комары-дергуны и комары-мокрецы делают до 1000 взмахов в секунду. Столь напряженный ритм работы крыльев убедительно говорит об их колоссальной прочности.
Но изумительно не это. Изумительно то, что «простое», «безжизненное» на вид крыло являет собой своего рода аэродинамическую лабораторию с множеством приборов, которые регистрируют скорость встречного потока воздуха, крутящие моменты, осязают и так далее и тому подобное. А многие из них без лупы и разглядеть-то нельзя... Можно только пожелать, чтобы самолеты будущего располагали комплексом столь же точных, малогабаритных и надежных в работе приборов!
В 1937 году в одном из солидных американских журналов появилось сообщение о том, что определенный вид мух способен летать со скоростью до 1554 километров в час. Публикация была воспринята по-разному: одни читатели были ошеломлены сообщением, другие приняли сенсацию восторженно. Но все это длилось недолго — возмущенные физики заявили, что в рамках элементарных законов природы полет мухи со сверхзвуковой скоростью невозможен. Достоверные сведения о скорости полета насекомых далеко не столь сенсационны... Хотя с какой точки зрения посмотреть! То, что бабочка олеандровый бражник покрывает расстояние в 1200 километров менее чем за сутки, может быть, и не слишком впечатляет. Больше изумляет способность стрекозы-дозорщика подолгу сопровождать учебный самолет, летящий со скоростью 144 километра в час. Однако удивление наше возрастет еще больше, если мы сравним не абсолютную, а относительную скорость перемещения самолетов, птиц и насекомых. Первенство в абсолютной скорости держит, разумеется, самолет. Для примера сопоставим полетные характеристики пассажирского лайнера, стрижа и шмеля: соответственно будет 900 километров в час, 100 километров в час, 18 километров в час. Но если сравнить их относительные скорости, то есть подсчитать, сколько раз за единицу времени самолет, стриж и шмель успеют отложить длину своего тела в полете, то выяснится, что относительная скорость больше всего у шмеля и меньше всего у самолета!
Насекомые держат первенство и по экономичности полета, здесь они превосходят даже птиц. Но, пожалуй, самое завидное их свойство — это способность взлетать и садиться где угодно (стартовой площадкой для них может служить даже колышущийся на ветру цветок). Ведь, говоря о несовершенстве современной авиации, мы не упомянули о такой острой проблеме, как растущая протяженность взлетных полос. Чем выше скорость самолета, тем, естественно, длиннее путь его разбега и торможения. В результате за последние тридцать лет протяженность посадочных полос возросла с 700 — 800 метров до 2,5—3 и более километров. Размеры взлетно-посадочных полос, рев двигателей при старте заставляют выносить аэродромы далеко за город, отчего складывается всем известный парадокс, когда на дорогу до аэродрома и с аэродрома времени иной раз уходит больше, чем на сам перелет. (Так, полет от Москвы до Ленинграда составляет лишь треть общего времени, которое тратит пассажир...) Вдобавок размеры взлетно-посадочных полос резко сужают транспортные возможности авиации; тяжелые грузовые самолеты выгоднее легких, но принимать их могут только крупные города.
Но ведь теперь появились самолеты с меняющейся геометрией крыла, благодаря чему вертикальный взлет и посадка, наконец, стали реальностью? Да. Выходит, проблема решена, и тут уже нет смысла завидовать птицам и насекомым? Увы! Проведенные в США исследования показывают, что даже высокосовершенные аппараты вертикального взлета и посадки будут стоить почти вдвое дороже обычных самолетов. Почти столь же высокими окажутся и эксплуатационные расходы.
Так что насекомоподобный аппарат — этномоптер нужен и здесь. (Не могу не привести два примера, которые демонстрируют головокружительные пилотажные способности насекомых: одна из сирфид может неподвижно зависать... спиной вниз; муха хризотоксум кувыркается в воздухе со скоростью один поворот за тысячную долю... секунды!)
Создание энтомоптера — дело абсолютно реальное. Но ему повезло меньше, чем орнитоптеру, — им занимались не так усердно. Об этом стоит пожалеть. Не потому, что секреты насекомых раскрыть легче (хотя, кто знает — крыло насекомого все-таки проще птичьего). И не потому, что через насекомых проще выйти к цели, нет. Ведь небольшие размеры насекомых, их малый вес обусловливают совсем другую аэродинамику, чем та, которая возможна для больших тел, и тут нельзя исходить из закона подобия. И все же сопоставление полета насекомых с полетом птиц и самолетов, единый подход к этой проблеме, вероятно, помогли бы быстрей создать общую теорию машущего полета. Здесь уместно такое сравнение: если бы изучение, скажем, звезд-гигантов велось обособленно от изучения всех других светил, если бы наблюдения сопоставлялись несистематически, то еще вопрос, имели бы мы сегодня общую теорию эволюции звезд...
Сами энтомоптеры, поскольку законы, найденные при изучении насекомых, вряд ли удастся распространить на крупные летательные аппараты, будут скорей всего относительно небольшими. Но в «малой авиации» они, очевидно, смогут сыграть выдающуюся роль, став своего рода «воздушными автомобилями». И какими! Достаточно сказать, что энтомоптер размером с «Волгу» или «Москвич» потратит на перелет от Москвы до Ленинграда всего десять литров бензина... Это, безусловно, мечта, но у нее есть реальное основание.
Виток спирали
Легендарный Икар летал на птичьих крыльях. В реальной жизни за тысячелетия до Икара в воздухе уже реяли летательные аппараты — планеры. Их, как нам недавно показали археологи, знали еще древние египтяне, хотя о том, как они использовались, нам ничего не известно.
Дальше дело пошло так. Начиная с Леонардо да Винчи, люди пытались воспроизвести крылья птиц и с их помощью подняться в воздух. Но оторвались от земли и взмыли в воздух не эти конструкции; с точки зрения аэродинамики современный самолет, в сущности, прямой потомок древнеегипетских планеров. Ибо чем в принципе одно отличается от другого? Тем, что у самолета есть двигатель и движитель, а у планера их нет; остальные различия не столь существенны.
Однако избранный путь принес столько побед, что перспектива машущего полета надолго перестала привлекать внимание. Пока назревшие противоречия развития авиации не заставили вспомнить о том, что избранный нами путь не является единственным...
Уж не хотим ли мы доказать, что век современных самолетов покажется из далекого будущего кратким эпизодом, петлей в стороне от истинной магистрали — машущего полета? Нет. Развитие идет по спирали, и мы возвращаемся к идее машущего полета совсем на другом уровне. Речь идет не о копировании полета птиц и насекомых, не о подражании даже — все это пройденный этап. Не те нам нужны скорости, не те размеры, и уже по одной этой причине прямое заимствование в главном и основном малоперспективно; что годится для птиц, то не потянет многотонную громаду, — переход количества в качество, элементарный закон диалектики! Нет, речь идет не об увеличенных в сотни раз механических альбатросах — о другом. О том, что за миллионы лет эволюции в природе опробовались все принципы полета, все мыслимые конструкции крыльев, и, таким образом, мы имеем перед своими глазами «модели», отвечающие общей теории воздухоплавания, а не одному частному ее разделу. И о том, что негибкое, планерного типа крыло было лишь у самых первых, только начавших осваивать воздух существ. Что затем природа крайне редко прибегала к этому варианту.
Короче говоря, теория воздухоплавания подобна огромному материку, и мы пока что освоили сравнительно небольшой, довольно пустынный его участок просто потому, что он оказался наиболее доступным. А подлинные дали этого материка еще предстоит открыть, и проводниками к его тайнам послужат птицы, насекомые, все существа, которые освоили полет во всех его тонкостях задолго до того, как человек появился на Земле.
Разумеется, все это относится к теории дозвуковых скоростей. Только человек смог обогнать звук... Но ведь и в самом далеком будущем человек далеко не всегда и не везде будет перемещаться, оставляя звук позади.
Изот Литинецкий, кандидат технических наук
