СЕКРЕТЫ МАШУЩЕГО ПОЛЕТА

…Модель взлетала из любого положения. Достаточно было закрутить резиномотор, и двукрылая «птица», энергично оттолкнувшись крыльями, начинала стремительный разгон в небо. Выглядела она чрезвычайно просто. Но незамысловатость форм не помешала ей стать прототипом целого семейства аналогичных аппаратов с двигателями различных типов и мощности. Объединяло их одно: почти все махолеты уверенно поднимались ввысь. А секрет их, наверное, и заключался в изначальной простоте, в изначально идеальном союзе массово-инерционных и аэродинамических сил…

Механизм полета крохотной южно-американской птички колибри является одним из самых интересных с точки зрения аэродинамики. Дело в том, что схема работы крыльев колибри, пожалуй, наиболее проста: они движутся практически в горизонтальной плоскости, а подъемная сила возникает на крыле независимо от направления его движения.

На первый взгляд кажется, что построить достаточно большую механическую модель колибри очень просто, но тут вступает в силу неумолимый постулат, согласно которому массовоинерционные силы при увеличении размеров механизма возрастают столь существенно, что, пожалуй, в природе не найдется материала, способного им противостоять. Делать же модель размером с пичужку бессмысленно.

Разберем подробнее фазы движения крыльев колибри. Каждое из них перемещается по дуге окружности; в крайних точках крыло затормаживается, останавливается и начинает новую фазу, при этом угол его атаки меняется на противоположный.

Но следует ли слепо копировать этот процесс на модели: зачем, в конце концов, останавливать крылья в «мертвых» точках, не проще ли, не прерывая взмаха, пропускать левое крыло на правую сторону модели, а правое в тот же момент времени соответственно налево.

Сопоставление движения крыльев колибри и ее механической модели:

А — сектор изменения направления движения крыльев колибри и инверсия их угла атаки; Б — секторы взаимозаменяемости крыльев модели.

Расположим крылья в двух параллельных плоскостях — примерно так, как винты у вертолета соосной схемы. Сначала несущие плоскости пойдут, вращаясь, навстречу друг другу; вблизи плоскости симметрии модели произойдет так называемая взаимозаменяемость: правое крыло станет левым и, наоборот, левое — правым.

Несмотря на такое отличие от прототипа, полет модели практически ничем не будет отличаться от птичьего. Даже чисто зрительно создается иллюзия, что «полувинты» не вращаются, а совершают машущие движения в горизонтальной плоскости. Но, разумеется, суть не во внешнем подобии, а в физических основах эффекта.

Разберемся детальнее в сходстве механизмов полета модели и прототипа. Крыло колибри совершает мах в определенном секторе круга. Подобный же сектор можно выделить и у модели, практически он приближается к полу кругу, но не равен ему. В секторах маха (у колибри) крылья движутся вперед, затем следует их мгновенная остановка после которой они начинают двигаться назад, при этом угол их атаки изменяется на противоположный.

Как у птицы, так и у модели можно обнаружить еще по два круговых сектора, расположенных вблизи плоскостей их симметрии: у колибри это секторы изменения направления движения крыльев и инверсии угла атаки, а у модели — секторы взаимозаменяемости крыльев.

В последних крылья модели как машущая система не работают: эффектвзмаха завершается несколько раньше того момента, когда плоскости совместятся на продольной оси, и начинается только после того, как они минуют это положение вблизи оси симметрии. Чисто физически секторы взаимозаменяемости определяются как участки перехода от режима взмаха одного направления в режим взмаха другого направления.

Итак, можно сделать два вывода. Первый заключается в том, что и у колибри, и у модели справа и слева от плоскости симметрии четко обозначены секторы взмаха крыльев. Они адекватны — в том и другом случае совершается одна и та же работа, в этих секторах крылья выступают как машущие системы. И второй — вблизи плоскости симметрии располагаются секторы изменения направления движения крыльев и смены углов атаки (у колибри) и секторы взаимозаменяемости крыльев и смены углов атаки (у модели). В том и другом случае в них выполняется одна функция — плавного эластичного изменения направления движения крыльев с соответствующей сменой углов атаки.

Простейшая модель махолета с резииомотором:

1 — рейка-фюзеляж, 2, 5 — крылья, 3 — скоба-подшипник, 4 — ось верхнего крыла, 6 — резиномотор, 7 крючок.

Посмотрите на рисунок. Не правда ли, модель достаточно проста и напоминает всем известную резиномоторную схематическую модель вертолета соосной схемы? Различие только в том, что привычные взгляду воздушные винты заменены вращающимися в противоположные стороны ничем вроде бы не уравновешенными крыльями.

Но эта неуравиовешеииость кажущаяся. Если рассматривать процесс движения такого крыла или, если хотите, полувиита, учитывая не только массово-инерционные силы, но и силы аэродинамические, то окажется, что инерционной неуравновешенности сопутствует неуравновешенность аэродинамическая. Как показали эксперименты с подобными моделями и последующее осмысливание полученных результатов, массово-инерционная неуравновешенность находится как бы в противофазе с неуравновешенносью аэродинамической. Принцип автостабилизации такого аппарата — в работе комплекса действующих на крылья сил — аэродинамических и инерционных. Именно это и позволяет считать такой аппарат не вертолетом с соосными винтами, а махолетом — машиной с машущими крыльями.

Л. АТЛАНОВ, г. Нальчик