Аэродинамика полета птиц, постигать которую начал еще Леонардо да Винчи, оказалась неимоверно сложна. Она и сегодня известна нам лишь в самых общих чертах. Пока мы можем сказать лишь, что птичье крыло живое, его площадь все время меняется, как и его профиль, стреловидность и угол атаки. Повторить все это с крылом самолетным пока не представляется возможным.
Однако аэродинамики все же не опустили руки. Они решают задачу полета птиц постепенно. Сейчас их усилия направлены, в первую очередь, на постижение тонкостей парящего полета птиц, когда они практически не шевелят крыльями.
Одними из асов такого полета являются альбатросы — довольно большие и тяжелые птицы, которые, тем не менее, держатся в воздухе с изумительной легкостью, развивая в полете скорость более 100 км/ч. Некоторое время назад исследователи полагали, что часами держаться в воздухе альбатросам, как и орлам, помогают восходящие воздушные потоки. Однако исследования последнего времени, проведенные с помощью миниатюрных датчиков, которыми стали снабжать птиц, показали: особых восходящих потоков над океаном практически нет. Тем не менее, за 33 дня альбатрос может покрыть 15 200 км — то есть лететь в среднем быстрее 56 км/ч, тратя часть времени на охоту за рыбой. А отдельные сероголовые альбатросы ухитряются преодолевать за 46 дней 22 400 км. То есть за полтора месяца они способны облететь вокруг света, причем некоторые птицы без остановки делают и по два витка.
Кое-какие хитрости их полета уже понятны. Альбатросы набирают высоту с наветренной стороны, затем разворачиваются на 180° в высшей точке траектории, плавно спускаются в подветренную сторону, затем снова разворачиваются на 180° опочти у самой водной поверхности и снова набирают высоту. Эксплуатируя разность в скоростях ветра в отдельных потоках, альбатрос летит, практически не затрачивая на полет собственную мускульную энергию.
Однако общее понимание процесса не поможет нам воспроизвести его. Как именно альбатрос черпает энергию у разности скоростей воздушных потоков? Все ли процессы, происходящие в атмосфере над океаном, нам известны?..
Пытаясь разобраться в тонкостях, исследователи из Института динамики летающих систем при Мюнхенском техническом университете (ФРГ) решили использовать метод оптимизации. Ранее по такой же модели рассчитывался спуск космического шаттла с орбиты на заключительном этапе его полета. При этом в расчет закладывались максимально допустимые перегрузки и тепловой нагрев частей корпуса шаттла, а также некоторые другие параметры, чтобы минимизировать расход топлива для корректировки курса.
Сочетая данные по подъемной силе крыльев альбатроса и их сопротивлению с известными параметрами ветров на различной высоте над морем, исследователи во главе с инженером Йоханессом Трауготтом и биологом Анной Нестеровой получили систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику полета этой птицы.
При этом в уравнения были введены два ограничения. Во-первых, кинетическая и потенциальная энергия полета в начале и в конце циклов должна быть одинакова — иначе альбатрос был бы вынужден вкладывать в полет собственную энергию, что быстро привело бы его к истощению. Во-вторых, программа, анализирующая полет, должна была искать такие виды маневров, которые работали бы и на минимальных скоростях. Ведь альбатросы иной раз просто зависают в воздухе.
И вот какие получены первые результаты: держаться в воздухе альбатросу и в самом деле помогают воздушные течения. Причем минимальная скорость ветра на высоте 10 м должна быть от 8,6 до 8,9 м/с — иначе энергетически нейтрального цикла, по расчетам, не получается. Отсюда понятно, почему альбатросы предпочитают жить и летать в районах, где ветры дуют постоянно.
Чтобы проверить свои расчеты на практике, исследователи, как уже говорилось, стали оснащать пойманных альбатросов датчиками и радиоаппаратурой. При этом аппаратный блок должен быть максимально компактен и легок, чтобы не мешать полету птицы. Но миниатюрная аппаратура не позволяет вырабатывать радиосигналы большой мощности. А как их поймать, когда альбатрос улетает за тысячи километров? Решить проблему удалось только недавно с помощью спутниковых систем связи. Да и то не полностью, поскольку разместить в блоке удается далеко не все сенсоры, которые необходимы ученым для получения полной картины. Тем не менее, уже имеющихся данных хватило дизайнеру Уильяму Блэку для разработки концепта первого экологически чистого самолета, который называется Lockheed Stratoliner. По мнению разработчика, двигатели будут работать на водороде и потреблять так мало топлива, что самолет сможет долететь в любую точку Земли без дозаправки.
Читать дальше
