Чому я не сокiл, чому не лiтаю: крылья

Чому я не сокiл, чому не лiтаю: крылья

В рамках крупнейшей в мире промышленной ярмарки Hannover Messe компания Festo провела необычную презентацию. Маркус Фишер, руководитель программы по изучению бионики, поверг в изумление праздношатающуюся технотусовку, запустив под своды зала номер 15 электрическую чайку.

Искусственная серебристая чайка по имени Smartbird (Умник), жужжа сервомоторчиками и старательно имитируя машущий полет, в течение минуты кружила над сверкающими лысинами бюргеров, едва не задевая двухметровыми крыльями вентиляционные короба на потолке. Ганноверский перформанс удался на славу — информационный шум в мировой электронной и бумажной прессе, поднятый Умником, стих только к середине лета. Еще бы, ведь скромняга Фишер провозгласил, что тайна машущего полета, загадка тысячелетия, над которой ломали головы (и даже зубы) такие глыбы, как Леонардо да Винчи и Отто Лилиенталь, наконец-то разгадана. Авторы технологического прорыва были названы поименно. Кроме самого Фишера, это кон­структоры Райнер и Гюнтер Муграуэры, физик Вольф­ганг Зенд, а также молодые программисты Кристоф и Агалия Йебенс.

Чайка по имени Умник

Основные принципы машущего полета в версии немецкой компании Festo, обычно специализирующейся на разработке пневматических и электромеханических узлов для индустриальной автоматики, сводятся к следующему. Во‑первых, при махе угол атаки крыла прогрессирует от осно­ва­ния к кончику за счет активного скручивания кистевого сегмента. Во‑вторых, во время маха вниз (рабочего маха) угол атаки должен быть положительным, а во время маха вверх (холостого маха) — отрицательным. В-третьих, тяга на рабочем махе создается за счет активной артикуляции крыла в месте сочленения плечевого и кистевого сегментов (артикуляция в переводе с «птичьего» — сгибание), а подъемная сила обеспечивается плечевым сегментом. В-четвертых, маневрирование в машущем полете производится путем поворота головы и хвоста в сторону маневра. Вот и все!

По утверждению Маркуса Фишера, эти нехитрые постулаты позволяют птицам, а заодно и Умнику быть сверхэффективными летательными аппаратами. Неутомимое сердце в его легком карбоновом тельце, обтянутом пенополиуретановой кожей, заменяет литий-ионная батарея, а мышцы и связки — высокооборотные бесколлекторные моторчики и сервоприводы. Сдвоенный шатунный механизм с двухступенчатым понижающим редуктором отвечает за плавность и синхронность колебаний плечевых лонжеронов, трапециевидный шарнир трудится над артикуляцией, а крохотные сервоприводы на дальних нервюрах каждого из крыльев по команде микроконтроллера изменяют угол атаки кисти в плюс или минус от горизонтали. Из-за этого лонжероны плеча Умника, подыгрывая нер­вю­рам, скручиваются относительно своей продольной оси, и птичка атакует воздушный поток именно так, как ее учили. Изменение траектории полета обеспечивается парой сервоприводов, натягивающих кевларовые тросики на крошечных кронштейнах хвостового и головного сегментов. Аппарат может самостоятельно отрываться от земли, хотя шасси или перепончатых лап у него нет.

Маховый механизм Wiggle-Drive. В отличие от примитивного шатунного механизма Умника, Wiggle-Drive шведского изобретателя Кьелла Дальберга, сочетающий маховые движения с одновременным тангажом крыльев, блестяще имитирует биомеханику машущего полета птиц. Он обеспечивает эффективную артикуляцию крыльев с переменной жесткостью. Простой Wiggle-Drive, являющийся гибридом механизма перекоса от вертолета, план-шайбы и треугольного шатуна, весьма эффективен для полнопрофильных крыльев с переменной жесткостью.

Умник, надо отметить, действительно рационален — если ребята из Festo не жонглируют цифрами, то при массе 400 г его энергопотребление составляет всего 23 Вт, а КПД приближается к 80%. Кстати, о КПД: его вычисляли на круговом стенде, как отношение тяги крыльев к затраченной энергии. Довольно спорный метод применительно к машущему полету, но другого, к сожалению, пока не придумали.

Вообще-то, Умник — это, по‑видимому, шутка юмора. Бортовых мозгов и систем, выполняющих роль органов чувств, у птички нет, и она нисколько не умнее детской машинки с ДУ. Микроконтроллер за ?10 и три датчика Холла в маховом механизме — не в счет. Все, что вытворяет в воздухе квазичайка, продиктовано радиокомандой пилота, посланной с пульта управления.

А габариты? Вес Умника, анонсированного как «копия серебристой чайки», составляет 400 г, а размах крыльев — 2 м. Его реальные прототипы вида Larus argentatus как минимум вдвое тяжелее и на полметра уже «в плечах». Почему? Но не будем брюзжать. К чему эти мелкие придирки к блестящей в целом работе команды Festo? Мелкие — ни к чему…

Дали маху

Зато серьезных претензий к Умнику хоть отбавляй. Причем, не у автора этой статьи, а у опытных авиамоделистов. Например, у голландца Роберта Мустерса, шведа Кьелла Дальберга и Шона Кинкейда из Штатов. Главная из них: настоящие чайки летают не так. И вообще, все птицы и тем более летучие мыши, равных которым по мастерству и эффективности машущего полета нет в природе, летают совершенно иначе. И все — по‑разному. Тем не менее в биомеханике птичьего полета есть несколько базовых прин­ци­пов, которые были почему-то проигнорированы командой Festo.

Плечевые лонжероны Умника имеют одну степень свободы и заточены под линейные вертикальные колебания. Еще один важный момент касается способности к планированию, которой в разной степени наделены все настоящие птахи. Многие из них, например черные стрижи, грифы и альбатросы, могут лежать на воздушных потоках часами. И даже спать на них, как на ортопедиче­ском матрасе, расслабленно покачивая распростертыми крыльями. Но, судя по повадкам Умника, планирование не его стихия. Из-за спорной трактовки биомеханики крыла он совершенно не «ловит ветер» и вынужден постоянно сучить крылышками. А вот орнитоптеры Шона Кинкейда и Роберта Мустерса на плотных потоках держатся, как приклеенные. Не говоря уже об уникальных птицепланерах Боба Хоуи.


Avitron

Француз Эдвин Ван Рюмбеке, создатель забавной радиоуправляемой птички, в отличие от Роберта Мустерса, не делает секрета из ее устройства. Да и какие могут быть секреты, если Avitron, демонстрирующий чудеса воздушной акробатики, свободно продается за какие-то 80 евро в интернет-магазине. Тем не менее, эта хайтековская игрушка из жидкокристаллических полимеров, карбона и полиацетата массой всего 8,35 грамма и размахом крыльев 330 мм чрезвычайно интересно устроена. Во внутренней полости фюзеляжа Avitron длиной 80 мм и диаметром 20 мм Ван Рюмбеке ухитрился разместить сложнейшее хозяйство: 6-граммовый высокооборотный электромоторчик мощностью 0,8 Вт с алюминиевым воздушным радиатором, понижающий микроредуктор, ЭБУ силовой установки весом 0,53 г, литий-полимерный аккумулятор и механизм изменения наклона хвостового оперения. Изменение частоты махов вызывает изменение скорости Avitron. Маневрирование птички в воздухе обеспечивается увеличением тяги одного из крыльев при помощи изменения вылета задней кромки упругого крыла. Наклон хвоста регулируется вручную в пяти фиксированных положениях. Чем он выше, тем меньше амплитуда маневров. Система дистанционного радиоуправления позволяет порхать в зоне дальнобойности сигнала сразу 6 летательным аппаратам.


О поведении Умника в условиях реальной атмосферной круговерти мы тоже ничего не знаем — все демо-полеты команда Festo проводит в условиях залов. В то время как радиоуправляемые хищники Мустерса шутя расправляются со шквалами ветра до 50 км/ч.

Длина фюзеляжа 170 мм // Размах крыльев 330 мм // Масса 8,35 г // Мощность двигателя 0,8 Вт // Скорость вращения вала 35 000 об/мин // Частота махов до 17 Гц // Амплитуда маха 55 градусов // Максимальная длительность полета 6 минут.

Если верить Festo, в воздухе птицы рулят, поворачивая голову и хвост. На самом же деле маневрирование выполняется за счет изменения тяги крыль­ев. Хвостовые перья отвечают лишь за стабилизацию тела в полете. У настоящих серебристых чаек нет нелепого вертикального руля, как на хвосте Умника. Голова же, фигурально говоря, нужна пернатым, чтобы есть. У того же стрижа клюв практически не закрывается — для поддержания «заряда батареек» бедняга вынужден переваривать 20−30 тысяч насекомых в сутки. Какие тут 23 Вт — этот обжора просто не отключается от «розетки»!

Ни пуха, ни пера

А какая бы классная получилась птичка у Festo, пригласи Фишер в свою команду настоящих профи в области машущего полета. К примеру, Роберта Мустерса, сокольничего из старинного голландского городка Неймеген. Того самого, который со своим соколом-сапсаном в прошлом году занимался зачисткой воздушного пространства в районе крупнейшего голландского авиаузла Схипхол. Сапсан Мустерса, три месяца нагонявший жуть на бестолковую пернатую мелочь, был, как и Умник, механическим. Впрочем, у Роберта есть и настоящий охотничий сокол, но речь сейчас пойдет не о нем.


Царь-птица

Ястреб Мустерса взлетным весом 700 г развивает «максималку» порядка 60 км/ч, а более легкий сапсан — 75. Более того, эти «малыши» могут принять на борт допольнительную сотню граммов груза без всякого ущерба для скорости и маневренности.

Двухкилограммовый орел валит стрелку спидометра на сотню, неся на горбу 1,5 кг поклажи. А если груз заменить на дополнительные литий-полимерные батареи, царь-птица сможет держаться в воздухе не мненее двух часов без учета времени планирования на восходящих потоках.

Кстати, знатоков в таких случаях больше интересует не «максималка», а «минималка» — предельная скорость сваливания. Так вот, по словам Мустерса, она практически нулевая. Иными словами, птички с крытьями типа RoBird не теряют управляемости вплоть до полной остановки в воздухе.


Мустерс — фигура довольно загадочная и непубличная. Возможно, эта загадочность объясняется тем, что в настоящее время Роберт и его компания GreenX находятся в процессе получения патента на инновационный дизайн крыла, который, по его словам, вдвое превосходит по производимой подъемной силе все известные аналоги. На его основе владелец GreenX намерен совершить технологическую революцию в области ветро- и гидроэнергетики. По крайней мере, в ходе прошлогодних статиче­ских испытаний в аэродинамическом тоннеле Дельфтского университета аэроупругое крыло типа RoBird показало плюс 41% по подъемной силе в сравнении с лучшими образцами турбинных лопаток. Разумеется, все радиоуправляемые хищники — а в активе Мустерса имеются фиберглассовые копии сапсана, ястреба и орла — летают только на RoBird.

В отличие от большинства машущих аппаратов, сверхреалистичные орнитоптеры Мустерса стойко переносят тяготы и лишения в виде столкновений с деревьями, землей и вынужденные посадки на воду. За три года эксплуатации Роберту приходилось несколько раз латать своим хищникам деформированные от ударов крылья, но противоударная и водонепроницаемая механика до сих пор работает как часы. О том, как устроено крыло RoBird, знают только сам Мустерс и его патентный поверенный. В ближайшем будущем завеса секретности будет снята, а пока Роберт раскрывает лишь общие черты своего изобретения. Но и они чертовски интересны.

RoBird, концепция которого родилась в результате трех десятков лет наблюдений и множества экспериментов, представляет собой аэроупругое полнопрофильное крыло с переменной жесткостью и изменяемым углом атаки. Каждый мах RoBird?- рабочий (ведь электромоторчику, в отличие от мускулов, не нужно отдыхать на холостом махе). Только при махе вверх крыло производит тягу, а при махе вниз — тягу и лифт. И этим оно радикально отличается от настоящих птичь­их крыльев, хотя по форме и даже по нанесенному рисунку перьев в точности их повторяет. По этой же причине птицы Мустерса летают гораздо быстрее настоящих хищников.

Как же быть с Festo? Конечно, хочется возразить, что «неправильный» Умник все-таки летает. Конечно, летает, как и несколько сотен других орнитоптеров с различной техникой машущего полета, копирующих птиц или совершенно на них непохожих. Десятки из них на порядок круче Умника по всем статьям. Но никому из авторов этих аппаратов не пришло в голову брякнуть во всеуслышание об окончательной дешифровке птичьего полета. А весь сыр-бор по поводу птичьей энергоэффективно­сти вообще не имеет смысла: птицы далеко не идеальные летуны и для многих из них машущий полет — пожизненное наказание.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2011).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.