Игорь Азарьев - Машущий полёт. Мифы и реальность

Аэродинамическая компоновка крыла, и кинематика маха птиц оптимизированы на той элементной базе, которая имеется у Природы. Вследствие недостаточной крутильной гибкости концевые части крыла птиц не могут устанавливаться на оптимальные углы атаки. Они обтекаются воздушным потоком с очень большими положительными и отрицательными углами атаки и имеют большое сопротивление. Кроме того, из курса аэродинамики малых скоростей известно, что на малых скоростях (где число Re <10 5) несущие свойства крыла и его аэродинамическое качество уменьшаются, что приводит к уменьшению кпд превращения энергии маха крыльями в энергию движения птицы.

Можно предположить, что кпд превращения механической энергии маха в энергию движения птицы составит не более 0.6, и общий кпд превращения биохимической энергии пищи в энергию движения у птиц равен

hп = hдв * hв = 0.6 * 0.75=0.45.

У птиц нет потерь на редукцию.

Следует отметить, что приведенные цифры имеют качественный характер, и будут отличаться для конкретных летательных аппаратов и видов птиц, тем не менее, они отражают некоторые общие закономерности.

По результатам анализа можно сделать следующие выводы:

1. Махолет будет иметь низкий кпд.

2. Высокий общий кпд у птиц определяется высокой эффективностью использования биохимической энергии пищи.

Таким образом, не оправдываются надежды на создание более экономичного летательного аппарата. Тем не менее, махолеты представляют значительный спортивный интерес и обязательно займут свое место в авиации будущего.

Ну хорошо, человек в конце концов построит махолет, а может быть Природа уже создавала какую-нибудь большую птицу или ящер типа летающей лошади или хотя-бы собаки? Почему птицы летают, а лошади нет?

Это красивый миф, а в реальной жизни этого никто не видел. Даже страусы, у которых имеются крылья, не летают. С одной стороны это, конечно, хорошо, мало ли что может случиться – все-таки лошадь, но, с другой стороны, хорошо было бы не только поездить на лошади, но и полетать бы на ней. Это, конечно шутки, но проблема максимальной массы летающего существа тоже интересна.

С другой стороны, посмотрим на жука: он то почему летает? С таким брюхом и какими-то маленькими пластинками используемых в качестве крыльев он должен был сидеть на ветке и даже не помышлять о полете. А он летает.

Известно, что все классы летающих существ умещаются в диапазоне масс от 3 мг у мошки до 12 кг у альбатроса. Но вот тяжелее альбатроса природа никого не создала, хотя времени было достаточно. Значит, есть пределы и у природы, которые она перешагнуть не может. Рассмотрим эти проблемы с точки зрения аэромеханики.

В авиации известна закономерность квадрата-куба, которая гласит.

С увеличением размеров аппарата при сохранении подобия его структуры площадь его поверхности растет пропорционально квадрату линейного размера, а масса – пропорциональна кубу. Математически его можно записать следующим образом:

1 (L) -2 (S) -3 (M)

Таким образом, при увеличении размеров масса растет быстрее, чем площадь. Но одной этой закономерности недостаточно, чтобы объяснить рассматриваемый феномен. Продолжим этот ряд.

В аэродинамике для обеспечения установившегося горизонтального полета летательного аппарата вводится понятие потребной мощности, которая определяется по формуле

Nп = M * V / k, здесь М – масса летательного аппарата; V – скорость полета, k – аэродинамическое качество летательного аппарата.

Аэродинамическое качество – это отношение подъемной силы (при установившемся полете она равна силе тяжести летательного аппарата) к силе его аэродинамического сопротивления. Чем выше аэродинамическое качество, тем совершеннее аппарат, и тем меньше потребная мощность двигателя. Аэродинамическое качество у птиц изменяется в широких пределах. Самое высокое аэродинамическое качество имеют морские птицы, приспособленные к преодолению больших расстояний, а среди них выделяется альбатрос, имеющий наибольшую массу и наиболее совершенные с точки зрения аэродинамики крылья. Аэродинамическое качество с уменьшением размеров птицы несколько уменьшается, но в первом приближении для птиц можно принять его независимым от массы.