КЛАССИФИКАЦИЯ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ОРНИТОПТЕРОВ В МИРЕ

​АННОТАЦИЯ

В статье упомянуто о первых полетах человека на орнитоптерах, истории развития и их классификация, а также достоинства и недостатки данных сверхлегких летательных аппаратах.

ABSTRACT

The article mentions the first human flights on ornithopters, the history of development and classification, as well as the advantages and disadvantages of these ultralight aircraft.

Ключевые слова: орнитоптер, махолёт, мускулолет, история развития, классификация.

Keywords: ornithopter, macholet, musculolet, history and classification.

Человек с древних времен мечтал летать как птица: свободно, гордо, незабвенно. Несмотря на исключительно большие возможности и успехи сверхлегкойавиации (дельтапланы, парапланы, мотодельтапланы и т. д.) [1], во многих странах отдельные лица занимаются изучением возможности полета с помощью физических возможностей пилота.

В классификацию сверхлегких летательных аппаратов – полет аппаратов, основанных на физических возможностях пилота не входит.

Сама идея орнитоптера – птицекрылого летательного аппарата — подразумевает подражание природным прототипам, птицам и насекомым, как в форме крыльев, так и в движениях ими. Под орнитоптером понимается воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полёте в основном за счёт реакций воздуха с его плоскостями, которым придаётся маховое движение (махолёт, птицекрылый летательный аппарат, мускулолет и так далее).

Результаты ранее проведенных исследований [2] подтверждают техническую возможность осуществить такой полет. При этом многие опыты по изучению машущих крыльев показывают, что при периодически меняющемся движении крыльев они приобретают новые, еще недостаточно изученные свойства, которые позволяют ожидать, что полет с помощью машущих крыльев не будет требовать такой большой мощности, какая необходима современным самолетам.

Первыесоревнования орнитоптеров (мускулолетов) были организованы в Париже в 1909 году [3]. В них участвовал известный немецкий гонщик СигмарРеттихна своем «крылатом велосипеде», который был построен по всем законам аэродинамики, (рисунок 1). Но даже он не смог подняться в воздух.

Изучая мировой опыт создания орнитоптеров можно сделать вывод, что они подразделяются прежде всего по положению крыла в полете:

- неподвижное – это модели самолетного типа;

- подвижное – модели с машущим крылом.

Рисунок 1. Гонщик СигмарРеттих на своем «крылатом велосипеде»

Модели самолетного типа наиболее распространены, физика их полета понятна.

К таким аппаратам можно отнестимускулолет «Стибор» - симбиоз крылолета с винтопланом (прообраз современного геликоптера) польского энтузиаста АдамаОстроя-Осташевского. Диаметр огромного четырехлопастного винта составлял 12 метров, (рисунок 2).

Соотечественнику Остроя-ОсташевскогоЧеславуТаньскому удалось построить мускулолет (винтоплан) с двумя винтами противоположного вращения. Вес аппарата был невелик, и он без особого труда поднимался над землей, увлекаемый девятиметровым винтом. Мускулолет не раз преодолевал десятисантиметровый барьер, (рисунок 3).

В том же 1909 году американский профессор Гарри Ла Верн Твининг вращая педали и усиленно работая руками привел в движение мускулолет-крылолет собственной конструкции. Высота взлета составила всего несколько дюймов. И тем не менее это был первый документированный полет, точнее, «подскок» мускулолета-крылолета.

Офицер торгового флота Стюарт Уинслоу, живший в штате Вашингтон, в 1904 году продемонстрировал аппарат собственной конструкции, который представлял собой велосипед с прикреплёнными крыльями и хвостом, (рисунок 4). Изобретатель планировал разогнаться, скатившись по склону холма и, набрав таким образом нужную скорость, взлететь. Никакого воздушного движителя предусмотрено не было, машина набирала скорость только за счёт колёс и, оторвавшись от земли, дальше двигалась сугубо по инерции. Испытания не увенчались успехом, при разгоне аппарат качнуло на кочке, он зацепил крылом землю и повредил его законцовку.

В 1934 году немецкий инженер ЭнгельбертЗашка показал педальный самолёт, (рисунок 5). Внешне он напоминал аэропланы начала века: тонкий каркас, прозрачные несущие и рулевые плоскости. Машина при испытаниях смогла пролететь более двадцати метров. Самым главным достижением Зашки было то, что взлёт при этом был осуществлён без всякой посторонней помощи, исключительно силой ног пилота.

Куда большего успеха, на первый взгляд, добились соотечественники Зашки, инженеры фирмы Junkers Гельмут Хесслер и Франц Виллингер. В 1935 году они испытали самолёт HV-1 Mufli – «самолёт на мускульной тяге». Это был планер с пропеллером, располагавшимся на конце высокой надстройки, позади кабины пилота, (рисунок 6). При проектировании самолета произошла ошибка и мускульной силы человека не хватало для взлета. Пришлось запускать его при помощи натянутого резинового троса. Основную дальность (превысила один километр) обеспечивал старт с катапульты, а не вращающий педали пилот.

В 1936-м году опыт предшественников на «Педальном планере» Pedaliante, (рисунок 7), повторил итальянский авиаконструктор ЭнеаБосси, только пропеллеров было два, а не один, как на HV-1. Стартовал Pedaliante тоже с резиновой катапульты.

Все вышеописанные летательные аппараты построены либо по типу «летающего велосипеда», либо планера, приводящиеся в движение педальным приводом или с помощью катапульты. Необходимо отметить, что все вышеописанные аппараты относятся к самолетному типу.

Говоря о моделях с машущим крылом необходимо прежде всего отметить о моделях, имеющих небольшие машущие крылышки при значительных неподвижных крыльях, служащими как бы своеобразными летающими лабораториями, на которых удается испытывать механизмы и машущие крылья. Такие модели являются первым этапом освоения машущего полета.

Одной из первых удачно летавших моделей, имеющей небольшие машущие крылышки, создающие тягу, и значительное неподвижно установленное крыло, создающее подъемную силу, была модель Харграва, испытанная в 1889 году, рисунок 8. Она имела несущее крыло с размахом, почти равным хорде, и с большим поперечным V-образным расположением профиля крыла. Крылышки приводились в движение одноцилиндровой паровой машиной. Паровой котел, обогреваемый горящей ватой, пропитанной спиртом, одновременно являлся корпусом модели [4].

Более современная модель с маленькими машущими и большими неподвижными крыльями, использующая в качестве двигателя резиновый мотор, была изготовлена Е. Суховым, рисунок 9. На месте тянущего винта расположена пара колеблющихся крылышек. Такие крылышки создают приличную тягу, но, как правило, требуют для полета модели значительно более толстого резинового мотора, чем это нужно для вращающегося винта.

В 1950 году В. Г. Яковлевым была представлена комнатная модель с несущим неподвижным крылом и четырьмя машущими крылышками впереди, рисунок 10. Машущие крылышки были соединены попарно тонкими бамбуковыми стерженьками, которые совершали периодически меняющиеся встречные взаимно уравновешивающие движения, напоминающие движения ножниц. Модель Яковлева показала наибольшую продолжительность полета. Взлетев с рук, она продержалась в воздухе 2 минуты, а при взлете с земли - 1 мин. 30 сек. Модель легко поднималась с земли и набирала высоту до 10 м. Модель весила 6 г, была размахом 700 мм, резиновый мотор ее состоял из 6 ниток резины сечением 1X1 мм. Модель собрана из тонких соломинок. Крылья ее обтянуты микропленкой.

Летательный аппарат Бориса Ивановича Черановского – известного советского конструктора. «Птица» Черановского появляется на свет в 1934 году - БИЧ-16, который взлетал с помощью мускульной силы пилота, а затем летательный аппарат улучшенной конструкции БИЧ-18 – крылолет-этажерка длиной 4,48 м и с размахом крыльев 8 м. Общая площадь несущей поверхности равнялась 10 м². Собственный вес «птицы» составлял 72 кг, а полетный – 130 кг. Но теперь мускулолет стартует не сам, а с помощью катапульты. Полеты проходят на высоте 10 м. Когда «птица» совсем близко пролетает над головой, легче понять замысловатую технику полета. Взмахи крыльев происходят по диагонали (по принципу работы ножниц). Когда край правого нижнего и левого верхнего крыла устремляется вверх, другая пара крыльев совершает противоположное движение - вниз. Двигаются крылья поочередно. БИЧ-18 покрывал огромное по тем временам для мускулолета расстояние - более полукилометра. А если быть совсем точным - полетчик пролетал 430 метров на мускульной тяге и 130 - на бреющем полете.

Наблюдение за парением птиц показывает, что они используют не только потоки воздуха, восходящие вверх, но и потоки, направленные горизонтально.

Н. Е. Жуковский теоретически доказал, что планер может силу порывов горизонтального ветра временно поглощать — аккумулировать, чтобы затем использовать ее на увеличение скорости или на набор высоты.

Конструктором Монацковым в 1954 году был построен и успешно испытан планер, названный им «Кошук», крылья которого под напором налетающего порыва ветра приподнимались и рычагами сжимали воздух в цилиндре, установленном на фюзеляже. В момент последующего ослабления силы порыва разжимающийся в цилиндре воздух, энергично опускавший крылья, сообщал планеру толчок, увеличивающий скорость полета.Таким образом, взмахи крыльями на этом планере производятся не за счет двигателя, установленного на нем, а за счет набегающих порывов ветра. Крылья, удерживаемые в спокойном полете воздухом, своеобразной пневматической рессорой, раскачиваются порывами воздуха и как бы машут сами. Планеры такого типа называют самомашущими.

Модели планеров с подрессоренными крыльями, использующими отдельные одиночные порывы ветра, строили многие моделисты. Удачные полеты совершила подобная модель, выполненная моделистом А. Иванюта.

Полет птиц менее изучен, движения крыльев сложны и трудны для воспроизведения.

Так же необходимо отметить о более современных аппаратах, взлетающих за счет мускульной силы пилота. Более современные орнитоптеры так же развиваются по самолетному типу.

В 1960 году в Саутгемптонском университете построили аппарат под названием SUMPAC (SouthamptonUniversityManPoweredAircraft, «Летательный аппарат Саутгемптонского университета на мускульной тяге»), рисунок 12. Если каркас был выполнен из традиционных материалов: бальза, фанера и алюминиевые сплавы, то обшивка была выполнена из новомодного нейлона. За время самого удачного полета аппарат преодолел 594 м, поднявшись на высоту в 5000 м. SUMPAC оказался первым в истории летательным аппаратом, совершившим устойчивый полёт исключительно при помощи мускульной силы человека. Никаких катапульт, никаких буксиров, разгонялся для взлёта он исключительно педалями.

В 1977 году американцы Пол Макриди и Питер Лиссаман построили целую серию мускулолетовGossamerCondor («Батистовый кондор»), (рисунок 13), на которых проверяли работоспособность самой идеи, а именно мускульного полета.

На базе GossamerCondor они построили новый самолёт GossamerAlbatross («Батистовый альбатрос»), конструкция которого была целиком выполнена из углепластиков, полистирола и полиэтилена. При размахе крыльев почти в 30 метров аппарат имел массу всего 32 килограмма, на котором был совершен перелет через пролив Ла-Манш (2 часа 49 минут), (рисунок 14).

Рекорд дальности на мускулолёте был установлен в 1988 году греком КанеллосомКанеллопулосом. Он совершил полёт с острова Крит на материковую Грецию, повторив путь мифического Дедала. Протяжённость маршрута составила 115 км 110 м, путь занял почти четыре часа. Для полёта использовался самолёт Daedalus-88 («Дедал-88»), (рисунок 15), разработанный в уже упоминавшемся Массачусетском технологическом институте.

В 2013 году на аппарате с несущими винтами AeroVeloAtlas («Воздушный велосипедный атлант»), построенном студентами Университета Торонто совершен рекорд – время нахождения в воздухе 64 с., высота 3,3 м, (рисунок 16). [4]

Рисунок 16. AeroVeloAtlas, 2013 год

Команда из Института аэрокосмических исследований Университета Торонто во главе с профессором Джеймсом ДеЛорье, несколько лет работала над пилотируемым махолетом с двигателем. В июле 2006 года с аэродрома Bombardier в Даунсвью Парк в Торонто машина профессора ДеЛорьеUTIAS Ornithopter № 1 совершила взлет с помощью реактивного двигателя. По словам ДеЛорье, реактивный двигатель был необходим для продолжительного полета, но большую часть работы выполняли хлопающие крылья. На (рисунке 17)[5] показан моторный махолетUTIAS Ornithopter № 1 [6].

Рисунок 17. Моторный махолет UTIAS Ornithopter № 1

Постройкой орнитоптеров в России занималась группапод руководством проф. В. А. Киселёва. Было проведено большое количество экспериментов, создана аэродинамическая теория машущего полета, а также построен ряд летающих моделей с машущим крылом, наибольшая из которых была весом 12 кг. В начале 90-х гг. в лаборатории Киселева был разработан проект пилотируемого одноместного летательного машущекрылого аппарата взлетным весом 450 кг. На проект даже была выделена часть средств, но перестройка не позволила реализовать задуманное. На (рисунках 18, 19) показана модель махолета «Стрекоза» [5].

Таким образом, в настоящее время интерес в мире к орнитоптерам вновь возрождается и создаются новые возможности по проектированию и изготовлению, так как развивается материаловедение и экологичность транспорта выходит на первое место. Но стоит отметить о недостаточности накопленных знаний в области машущего полета (птицами, насекомыми), что вызывает затруднения для развития орнитоптеров машущим крылом.

Список литературы:

1. 2006, НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №103 серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС, Классификация сверхлегких летательных аппаратов и анализ состояния сверхлегкой авиации в России, И.В. Никитин.
2. Васильев Г.C. Основы полета моделей с машущими крыльями. Оборонгиз, 1953 год, Полет птиц и машины с машущими крыльями. Инженер М.К. Тихонравов.Москва 1937 год.
3. Легенды и были об экомобиле. – М.: Советская Россия, 1987. – 192 с.
4. Электронный ресурс: https://habr.com/ru/feed. В небе на велосипедеhttps://www.vokrugsveta (дата обращения: 17.01.2024 года).
5. Дорога к мечте. Птенцы птицекрыла // Популярная механика: сетев. журн. 2006. URL: http://publ.lib.ru (дата обращения: 17.11.2024)
6. Корзинов Н.В. Дорога к мечте. Птенцы птицекрыла / Н.В. Корзинов // Популярная механика. – 2006. – № 12. – С. 90–95.