Парить над землей как птица – давняя мечта человека. До появления самолетов люди пытались создать приспособления, имитирующие крылья птиц. Многие попытки таких полетов заканчивались плачевно, но находились умельцы, готовые выдумывать и собирать новые механизмы, пробовать снова и снова. Оринитоптеры, птицелёты, махолёты – такие названия получили эти устройства.
В фантастическом фильме «Дюна» (2021 г.) можно увидеть еще один вариант махолётов – большие энтомоптеры, механическую версию стрекозы. Воплотить в жизнь такие устройства технически очень сложно, но уже сейчас в робототехнике создаются модели дронов-стрекоз, которые по маневренности значительно превосходят традиционные квадрокоптеры.
История махолётов
Изучение природы часто приводит к удивительным открытиям в науке. Машущий полет птиц, рукокрылых и насекомых веками будоражит умы людей. Вполне естественно, что сначала человек пытался копировать то, что уже видел в природе. Поэтому первые механизмы для полетов имитировали крылья животных.
Одним из первых таких испытателей был Леонардо Да Винчи. Полеты в окрестностях Флоренции оказались неудачными. Уже тогда Да Винчи заметил один из главных недостатков рукокрылых конструкций – их неустойчивость в воздухе.
Первые орнитоптеры создавались на мускульной тяге человека, а крылья были самых разных форм и из различных материалов: шелка, пленок и даже перьев. Некоторые изобретатели старались превзойти природу и предлагали довольно замысловатые конструкции.
Почти одновременно появились орнитоптеры на велосипедной тяге. Такие мускулолёты передавали вращение от педалей, были более безопасными и могли летать уже довольно далеко.
Поиски оптимальной конструкции орнитоптера продолжались и после того, как летательные аппараты с неподвижным крылом и двигателем стали общепринятым стандартом в авиации. Часть таких идей трансформировалась в современные виды спорта: дельтапланеризм, парапланеризм, экстремальные прыжки с вингсьютом (костюмом-крылом).
Изучением машущего полета занимался и русский механик Николай Егорович Жуковский, основоположник современной аэродинамики. А в наше время – Валентин Афанасьевич Киселев, авиаконструктор, который участвовал в проектировании самолётов Ил62, Ил38, Ту134, Ту154 и других самолетов.
В 1992 году впервые в мире им был выполнен рабочий проект машущекрылого летательного аппарата, а также разработаны проекты вертикально-взлетающего махолёта на 10 человек и даже легкого штурмовика.
Бионика: запатентовано природой
Создание махолётов сейчас во многом связано с новой наукой – бионикой, которая изучает характер движения живых организмов, а также явления и процессы, протекающие в них, для создания мехатронных приборов. Это наука, пограничная между биологией и инженерными дисциплинами: физикой, химией, механикой.
Многие человеческие изобретения уже давно «запатентованы» природой. Например, застежка «молния» и «липучка» были сделаны по подобию строения пера птицы: бороздки в перьях оснащены крючками, которые обеспечивают надежное сцепление.
Бионические «секреты» применяются и в современной архитектуре: это башня Мэри-Икс в форме огурца в Лондоне (нет острых углов, естественная вентиляция), Большой национальный оперный театр в Пекине, имитирующий каплю воды; плавательный комплекс в Китае, фасады которого напоминают кристаллическую решетку, что позволяет накапливать солнечную энергию.
Многие приверженцы бионики считают, что создать что-то лучше махолёта невозможно, так как природа сама дошла до этого в ходе эволюции. Орнитоптер может вертикально взлетать из любого места, более гибок в полете, маневренный. Настоящее крыло одновременно создает и подъемную силу, и тягу.
Неподвижное крыло самолета тягу создавать не может, поэтому используются двигатели. Считается, что благодаря нестационарным воздушным потокам вокруг крыльев птиц аэродинамическая сила сопротивления уменьшается, поэтому КПД машущего крыла выше.
Почему же самолеты не машут крыльями?
Несмотря на совершенство природных творений, реализовать рабочую модель орнитоптера технически очень сложно сразу по нескольким причинам:
- Мышечная система человека значительно отличается от таковой у птиц. Более 2/3 мускульной силы пернатых приходится на грудные мышцы, а у человека эта цифра гораздо меньше. Кроме того, кости человека не полые, как у птиц, поэтому потребуются легкие крылья большего размера. Создавать орнитоптер в «классическом виде», на мускульной силе человека нет смысла.
- Чтобы передавать вращение от механического привода на искусственные крылья, нужен редуктор. Чем больше крылья, тем меньше частота взмахов. Значит, редуктор должен быть со значительным передаточным числом.
- Отсутствует единая теория махолётов, так как трудно смоделировать сложное движение крыльев. Особенно это касается рукокрылых.
- Шарнирные узлы, в которых будут крепиться крылья, должны иметь много степеней свободы. Чем они сложнее, тем быстрее будут изнашиваться.
- Вследствие махов орнитоптер испытывает большие динамические нагрузки и вибрации, что также ухудшает эксплуатационные условия, да и вообще это небезопасно для человека.
Если полностью следовать технике полета птиц, то на лету еще нужно быстро изменять амплитуду махов крыльев и угол маха, например, чтобы на взлете или при посадке они не ударялись о взлетно-посадочную полосу. В полете у птиц, летучих мышей и некоторых насекомых постоянно изменяется и конфигурация крыла.
Будущее махокрылов: роботы-насекомые
Несмотря на все технические сложности, идея орнитоптера в ближайшие годы может получить новый импульс. Причем в более сложной форме – инсектоподобных аппаратов, имитирующих крылья насекомых.
У насекомых нет хвоста как у птиц, который выполняет функцию управления по высоте и направлению. Хотя крылья насекомых несовершенны в аэродинамическом отношении, но благодаря сложной кинематике они обеспечивают выполнение сразу 3 задач: подъемная сила, тяга и управление.
Необычный летательный аппарат – гибрид вертолета со стрекозой, показанный в фильме «Дюна», на самом деле имеет реальный прототип. Еще в 2013 году немецкая компания «Festo» представила свою разработку – робота-стрекозу BionicOpter, отличающегося большой маневренностью.
Крылья робота имеют 13 степеней свободы и сделаны из полиэстера и углеволокна. Они работают от независимых сервоприводов. Искусственное насекомое может висеть в воздухе и летать боком. Управление осуществляется микропроцессором с помощью сенсоров инерции, ускорения и положения.
Малогабаритные беспилотные энтоптеры (или энтомоптеры) – это то, где махолёт может найти применение на практике. Они могут оснащаться видеокамерами или измерительной аппаратурой.
По сравнению с классическими БПЛА с несущими винтами, энтомоптеры обладают большей маневренностью, бесшумностью, более высокими предельными углами атаки, возможностью взлетать с очень коротких взлетно-посадочных полос под большим углом.
Есть и отечественные разработки летающих роботов с машущим крылом. Например, проект «FlapFlyer», возглавляемый Андреем Мельником. Как считают разработчики, при должном конструкторском подходе махолёт может достичь 30% полезной нагрузки от взлетной массы, что соответствует показателям самолетов. Взлетный вес отечественного махолёта «Серенити» гораздо больше, чем у «стрекозы» BionicOpter – 25 кг.
Рассказываем про интеллектуальные права, кратко освещаем важные новости для бизнеса и делимся результатами своей работы. Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Другие статьи, которые могут быть вам интересны:
Как запатентовать идею в России
Сколько стоит патент на изобретение, полезную модель, промышленный образец
Как самостоятельно зарегистрировать свой бренд в Роспатенте
Услуги патентного поверенного при регистрации интеллектуальной собственности
