Так будет ли человек когда-нибудь летать как птица?

Интересно

От нашего любителя природы Калле Тулля

Существующие виды транспорта (автомобильный, железнодорожный, водный, авиационный и т.п.) в нынешнем виде приближаются к пределу своего развития, сегодня каждый дальнейший все более мелкий шаг в их развитии связан со все более крупными затратами. Во многом именно поэтому внешне небольшое отставание в этих видах техники на самом деле является трудно преодолимым.
Главное наше отличие от других стран – огромная территория. И способ решения нашей транспортной проблемы должен несколько отличаться от способа решения этой проблемы, например, в Германии. Там строительство 100 км хорошей дороги «связывает» несколько миллионов населения, у нас – на порядок меньше. Мы никогда не решим нашу проблему (кроме районов крупных городов) так, как она решена в Германии, так как не сможем построить в разы больше дорог, а если построим, то не сможем содержать.
Что же делать? Если задуматься, выход для нас только один – воздух!
Сегодня есть смысл начать развитие принципиально новой транспортной системы (здесь для начала речь идет об индивидуальном транспорте), осуществляющей движение не по поверхности земли, а в воздухе. Для России, такая система особенно важна и принесет максимальную выгоду, тем более, что территория России относительно других стран достаточно равнинная, климат относительно других стран достаточно ровный, воздушное пространство менее загружено на малых высотах.
Чтобы понять в каком направлении двигаться, нужно представить, как будет в будущем выглядеть массовое движение в воздухе. Это большое количество аппаратов разных типов, двигающихся на большой скорости в разных направлениях (возможно, будут какие-то подобия воздушных трасс, особенно над городами). Эти аппараты должны заметно превосходить автомобили с точки зрения времени от точки до точки и хотя бы не уступать по удобству и безопасности.

Требования к летательному аппарату (далее ЛА).
- скорость не ниже скорости обычного автомобиля,
- приземление на крышу своего многоэтажного дома (офисного здания) или на лужайку у дома (и так же взлет), минимальное место для парковки,
- удобство человека близкое к удобству в автомобиле (небольшой шум, плавность полета), возможность полета почти в любую погоду,
- полностью автоматическое управление полетом по маршруту (за исключением специальных аппаратов), человек задает только конечные точки маршрута,
- безопасность.
В разных странах ведутся разработки индивидуальных ЛА, основные из них следующие:
- сверхлегкие самолеты - в массовом движении не применимы хотя бы из-за невозможности обеспечения взлета и посадки близко от того места, куда нужно «водителю»,
- перспективные аппараты - трансформеры, так называемые автомобили-самолеты (например, аппарат Transition) и даже автомобили-автожиры (например, PAL-V), имеющие те же недостатки,
- ЛА реактивного типа (ранцевый реактивный двигатель, небольшие крылья и т.д.), его недостатки это производимый шум, инерционность движения, трудность маневрирования, огнеопасность. Для массового движения они вряд-ли найдут применение.
- сверхлегкие вертолеты – в обычном виде не подходят из-за опасности винтов, трудностей «парковки», шума,
- устройства вертолетного типа, обычно с двумя винтовыми двигателями по бокам. Такие устройства сегодня разрабатываются в мире. Например, аппарат Джетпак уже рекламируется чуть ли не для продажи. Проблемы с шумом, инерционностью при маневрировании. Основной недостаток – подверженность легкого аппарата внешним воздействиям.
- ЛА типа мотодельтапланов. Основные недостатки те же – трудность маневрирования, взлета, посадки, подверженность внешним воздействиям.
Все эти легкие аппараты предназначены для индивидуального движения в хорошую погоду, в пустом воздушном пространстве, без достаточных удобств для «водителя».
Для системы массового движения индивидуальных ЛА потребуется принципиально новый аппарат.
Облик нового ЛА. Сегодня легкого ЛА с нужными свойствами не существует в технике. Но, как это ни странно, в природе вопрос полета живых существ в общем решен. Ранее такие виды полета, как например, полет птиц (причем в части полета существуют птицы с разной специализацией) было невозможно осуществить из-за сложности процесса полета. Но процесс полета птицы это всего лишь линейные сокращения групп мышц в нужной последовательности под управлением импульсов мозга птицы. Сегодня с учетом быстродействия, сложности и компактности систем управления стало возможным, как минимум, это повторить.
Существуют, по крупному, две разновидности такого полета, это условно говоря «полет птицы» и «полет стрекозы». Если делать аппараты таких типов то первый, судя по всему, будет более экономичным и больше для пассажирского движения, второй отличается исключительной маневренностью и вероятно больше подойдет для специальных целей.
Отличительная особенность этих типов – приложение вектора силы вблизи центра тяжести ЛА и в природе это сделано не зря. Это, при быстродействующей системе управления, дает возможность парировать внешние воздействия на легкий аппарат и сделать полет комфортным даже в плохую погоду.
Можно ли создать ЛА типа птица? Существует теория, что создать такой ЛА большого размера не возможно и именно поэтому самая крупная летающая птица - африканская большая дрофа весит до 19 кг. Обычно при этом ссылаются на известное в авиации правило «квадрата-куба», при увеличении линейных размеров ЛА, его несущая способность увеличивается в квадрате, а вес в кубе. Не вдаваясь в подробности, скажем только, что в самой же авиации давно известны способы преодоления этого противоречия и сегодня никто не скажет, что крупные самолеты не могут летать. Как раз наоборот, огромный 500 местный Boeing намного эффективнее доставит своих пассажиров, чем 500 одноместных самолетов и эта закономерность общая для всех видов транспорта.
Другой и, пожалуй, главный аргумент, связан именно с машущим крылом. Момент, необходимый для торможения и разгона крыла при махе и обратно, это произведение углового ускорения крыла на его момент инерции. Момент же инерции это произведение массы крыла (увеличивающейся в кубе при увеличении размеров) на квадрат радиуса поворота центра масс крыла. Таким образом, при увеличении размеров машущего крыла его момент инерции увеличивается в 5 степени. Преодоление этих моментов инерции приводит к огромным дополнительным затратам.
Во-первых, здесь не учитывается то, что чем крупнее птица, тем она реже машет крыльями (колибри 100 раз/сек., а кондор 1 раз/сек), главное же в том, что крыло птицы не имеет ничего общего с листом фанеры, для которого верна эта теория. Об этом еще будет сказано ниже.
Судя по фотографии крупных птиц – лебедей, соотношение их массы «полезной нагрузки» к массе самого «летательного аппарата» явно не стремится к нулю, как должно быть по правилу «квадрата – куба». Выглядят они очень упитанными.

Фото 2 Photogenica_19988821_l

Полезная нагрузка это внутренности, жировой запас, длинная шея и др., сам летательный аппарат - оперение, кожа, летательные мышцы, скелет и др.
По поводу размеров, недавно исследователи из музея Бюрка в университете штата Вашингтон, Зиверт Ровер и его коллеги, показали, что максимальный размер тела птиц ограничен всего лишь временем, необходимым для замены перьев, используемых для полета, во время линьки.
Попытки разобраться в механизме полета птиц и создать ЛА по типу птицы (т.н. махолет или орнитоптер) имели место во все времена, начиная с Аристотеля и Леонардо да Винчи. Было не мало серьезных попыток и у нас создать и сам махолет и теорию машущего полета. В КБ «Сухого» в 70-х годах этим занималась специальная группа. Серьезные работы были проведены первоначально по заказу ЦАГИ и ВВС группой проф. В. Киселева (МАИ) в 90-х, продемонстрирован летающий аппарат весом 10 кг, разработана целая теория машущего полета. Главный вывод - такой аппарат создать можно. И сегодня изобретатели не оставляют таких попыток. Теорий машущего полета много. В зависимости от принятых допущений и выбранных аэродинамических теорий, результаты получаются прямо противоположные.
Мы не можем обклеить датчиками птицу и попросить полетать в аэродинамической трубе, чтобы проверить эти теории, поэтому давайте сразу перейдем к практике, т.е. к фактам.

Самый крупный летающий ящер - птеродактиль (крылья без оперения, кожистые) был обнаружен в Румынии, он там жил 70 млн. лет назад, размах крыльев – 16 м, о его весе у ученых нет общего мнения.

Фото 3 Depositphotos_17599239_original

Самая крупная летающая птица Тераторн (по виду похожа на грифа) жила на территории современной Аргентины 7 млн. лет назад. Размах ее крыльев был более 6 м, а вес 80 кг.

Судя по этой тенденции, при размахе крыльев в 10-11 м (длина крыла ~ 4,5 м) масса птицы будет около 300 кг, из них полезной нагрузки вероятно не менее 100 кг. Конечно, в аэродинамике такая экстраполяция не всегда работает, но порядок цифр представить можно.Об эффективности полета птиц говорят и такие факты.

Самой сильной хищной птицей считают африканского венценосного орла, который может лететь с добычей в 17 кг, хотя сам весит 4,5 кг – удивительная эффективность полета (примерно 3 кг летательный аппарат орла и 18 кг полезной нагрузки – в 6 раз!).

Гриф Руппела столкнулся с самолетом над городом Абиджан (Koт-д'Ивуар) на высоте 11300 м в ноябре 1973 г. В 1967 г. 30 лебедей-кликунов были замечены пилотом самолета на высоте 8230 м над Гебридскими о-вами (Великобритания). Гуси в ходе миграций регулярно перелетают Гималаи на высотах до 5500-6000 м. При этом плотность воздуха уже на высоте 6500 м уменьшается в 2 раза.

Простой анализ мышц птиц дает тоже интересные результаты. У птиц есть две основные пары мышц, отвечающие за полет. Большие грудные мышцы – их функция опускание крыльев и подключичные мышцы - крылья поднимают. У птиц масса этих мышц обычно составляет от 10 до 25% массы тела. Хотя разница между колибри и кондором (другие птицы в этом диапазоне) по массе составляет 3000 раз, а по размаху крыльев 50 раз, это соотношение остается неизменным, достигая своего максимума не у самых крупных птиц, а у самых лучших летунов (например, у гуся 18%). Интересно, что у колибри и стрижа это отношение как раз максимально – 30%, а у кондора, который больше парит, эти мышцы развиты слабо. Все говорит за то, что размер птиц ограничен не принципиальной невозможностью больших птиц летать, а другими факторами (скорость роста перьев, возможность прокормиться и т.д. и т.п.). Главная проблема – возможность взлететь и сесть.

Фото 4. Photogenica_1680457_original

Взлетать с воды особенно трудно.

Фото 5. Depositphotos_5348632_l

Зато садиться на воду одно удовольствие.

Интересно, что соотношение масс подключичной и грудной мышцы у птиц от 1/3 до 1/20. Здесь опять выделяется колибри – 1/2. У большинства хорошо летающих птиц масса подключичных мышц до 1%массы тела. Это значит, что основное усилие в полете птица тратит на опускание крыла, т.е. именно на полет, а момент инерции (одинаковый в обе стороны) если и влияет на полет, то для большинства птиц не сильно, а так же, что увеличение моментов инерции с увеличением размеров, птицам особенно не мешает.

Почему же до сих пор махолет не летает?  Вернемся к истории. Более 100 млн. лет назад природа создала первый ЛА. Но из материалов у нее были тогда в прямом смысле только кожа, да кости. Крылу птеродактиля из этих материалов приходилось одновременно создавать и подъемную силу и тягу и управлять полетом. Самое простое устройство крыла – самый тяжелый и неустойчивый полет на пределе возможностей. Но с точки зрения теории этот способ полета самый сложный. Специалисты до сих пор не могут до конца понять, как же летали эти существа.

Прошли десятки миллионов лет. Эволюцией при этом руководило как всегда одно: как полет сделать более эффективным, т. е. в полете потратить меньше энергии и при этом смочь кого-нибудь поймать и сожрать или наоборот спастись.

Природа за это время создала новые материалы, гениальное изобретение перо и оперение. Появились птицы похожие на современных. При взгляде на профиль крыла в средней части, каждый кто связан с авиацией скажет – это для создания подъемной силы. Посмотрите на изгиб вперед и вверх маховых перьев при взмахе, они тянут птицу вперед и дополнительно вверх.

Фото 6. Depositphotos_20132721_l

Крыло устроено намного сложнее – полет намного эффективнее. А с точки зрения теории уже что-то проясняется. Понятен смысл двигающихся по большому радиусу пропеллирующих маховых перьев, понятно откуда берется подъемная сила у мало подвижной средней части крыла.

Авиация пошла еще дальше, совсем разделив функции подъемной силы – крыло и тяги – винт. Ничего не поделаешь, пришлось начинать с простого. Здесь сегодня нам почти все ясно, есть теория винта, есть теория крыла. Режимы установившихся потоков. Хотя это просто только на словах, сотни серьезных научных работ посвящены этим вопросам.

Так почему же изобретатели до сих пор толком не смогли поднять в воздух махолет?

Они пошли, в основном, двумя путями. Первый - создание ЛА типа птеродактиля из «простых средств» как когда-то природа, с простым крылом. Это самый трудный способ взлететь, никакие теории здесь не помогут, нужно как животное чувствовать каждую клеточку своего тела, чтобы удержаться в воздухе при таком не устойчивом, энергетически затратном полете. В принципе, конечно, полет возможен, но нужно ли нам это, если даже сама природа давно от этого ушла?

Второй путь – создание своего аппарата, со своим способом машущего полета, по своей теории. По этому пути пошли многие серьезные инженеры и ученые. Они разрабатывали аппараты, в основном, с относительно жестким крылом, определенного профиля, и со сложной траекторией движения, обосновывая все это серьезными теориями. И им многое удалось. Самые известные, это аппараты группы В.Киселева и канадца Делориера. Судя по всему и таким способом можно создать махолет, но пока это никому толком не удалось.

Напрашивается вывод, что механизм машущего полета слишком сложен, особенно взлета и посадки, сложен настолько, что не под силу ни одному, ни группе изобретателей. Возьмите полет птицы - сложный механизм работы мышц, сложная конструкция крыла, сложная конструкция пера и при этом важна каждая мелочь. При полете птица явно использует мало изученные нестационарные потоки, мы можем видеть это, наблюдая за птичьим клином, где более слабые птицы используют завихрения потока от вожака и др. более сильных птиц. Кстати, это явление дает представление об экономичности птичьего полета.

Фото 7. Depositphotos_15818065_l

Для примера на рисунке крыло голубя (Википедия)

IMG_20140130_140624

Группы перьев крыла: 1. Маховые 1-го порядка. 2,5,6 и 7  Кроющие перья. 3. Перья крылышка (придаточного крыла). 4 и 8 Маховые 2-го и 3-го порядка. 9. Плечевые перья.

Если убрать с него маленькие перья крылышка (3), то птица не может, ни нормально взлететь, ни нормально приземлиться. Даже при удалении половины маховых перьев 1-го порядка (1) птица может лететь, а при подрезании концов этих перьев не может (что и делают в зоопарке). О каких самодельных махолетах изобретателей может идти речь. Полет винтового самолета, в сущности, представляет собой частный случай полета птицы, причем на самом простом участке установившегося полета.

Как же создать орнитоптер? К счастью, изобретать (с риском, что не получится) ничего не нужно, все давно изобретено до нас и летает в миллиардах экземпляров. Это задача для серьезного коллектива разработчиков. Начинать надо с того, что точно летает и летает хорошо. Начинать придется с подробнейшего изучения выбранного для исследования вида птиц (например, гусей) – скелета, мышц, суставов, крепления мышц и сухожилий, оперения и т.д., с подробнейшего изучения техники полета. Возможно, нескольким гусям придется пожертвовать жизнью ради науки и создания первых образцов. Дальше придется учить такого «гуся», обклеенного датчиками, летать в аэродинамической трубе. Первые же исследования дадут массу информации, вот уж где будет поле для реальных серьезных диссертаций. Фактически это будет новая наука. И так, продвигаясь вместе с наукой вперед, и будет создан реальный орнитоптер. Сначала он будет похож на птицу.

В статье это несколько фраз, а в реальности это серьезная, кропотливая, продолжительная работа, но зато она реально ведет к созданию аппарата, не зависимо от гениальности отдельных изобретателей и ученых.

Вместо мышц гидравлические, пневматические и электрические приводы в зависимости от их назначения. Кстати, сегодня существуют интересные разработки в области искусственных мышц на основе нанотехнологий. Они даже мощнее обычных живых мышц на порядок, а то и два, что очень обнадеживает.

Будущий универсальный робот не будет жужжать сервоприводами как Робокоп, будущее за искусственными мышцами. Сегодня регулярно появляются сообщения о таких разработках, пока, в основном, на основе пневматики и гидравлики. Интересны разработки ф. Boston Dynamics, военный андроид, робот-гепард, робот-мул и др., которые, кстати, делаются по заказу Пентагона.

И последнее. Есть важный вопрос, который на первом этапе развития новой системы может не проявить себя, пока движение в воздухе не станет массовым. Все таки главная характеристика всех этих ЛА - безопасность. При массовом движении, к сожалению, не избежать аварий и столкновений между собой и птицами, и все на малой высоте. Если при неисправности аппарата вертолетного типа еще остается хоть какая-то надежда на авторотацию, то даже небольшое столкновение «жестких» аппаратов означает конец обоих. В этом плане аппараты типа птица выглядят значительно перспективнее.

  Борьба орлов в полете.
Коротко о стрекозах. С ними дело обстоит несколько иначе. Данных об исследовании стрекоз очень мало.

Максимальный размах крыльев стрекозы сегодня 20 см, в доисторические времена существовали стрекозы с размахом крыльев 70 см. Стрекоза самое быстрое насекомое, развивает скорость до 70 км в час, как птица. Может мгновенно менять направление, двигаться и боком и назад, зависать неподвижно на месте.

Возможно, создать крупные аппараты для человека «типа стрекозы» не удастся, это и не нужно поскольку таких перегрузок все равно не выдержить, но если удастся создать аппарат несущий полезную нагрузку хотя бы 1-2 кг, с точки зрения специальных целей это будет незаменимый аппарат от которого не скроешься ни в горах ни в лесу. С учетом того, что в вооружениях явно прослеживается тенденция на использование роботизированных систем, в том числе беспилотных ЛА, такой аппарат мог бы быть очень востребован. Но это уже другой разговор.

О системе управления ЛА всех типов (кроме специальных) в такой системе нужно сказать отдельно.

Из соображений безопасности человек должен быть исключен из процесса управления. После задания конечной и промежуточных точек маршрута его функции заканчиваются, оптимальный маршрут и график движения рассчитываются наземным центральным «компьютером» с учетом типа ЛА, границ, запретных зон, загруженности «воздушных трасс» и т.д. Далее ЛА идет строго по маршруту и графику по сигналам системы типа ГЛОНАСС и возможно, для надежности, системы другого типа (например, радиомаяков), под контролем наземных систем.

Кроме безопасности, такому ЛА водитель не обязателен.

Сегодня система ГЛОНАСС обеспечивает точность в 5 м, в будущем планируется довести до 1 м, этого более чем достаточно.

Можно сейчас много говорить о предполагаемом устройстве новых ЛА. По результатам исследований, возможно это будет симбиоз нескольких технических решений, и использование «птичьего» принципа полета и использование вращательного движение (например, винтов или мини ТРД), чего в природе по понятным причинам нет.

Тоже касается и концепции систем управления, возможно это буду воздушные трассы со своими коридорами и эшелонами, возможно более сложное для расчетов свободное движение в воздухе, а возможно и то и другое. Все это выяснится в процессе проработки вопроса.

Кстати, у нас в МГУ уже есть интересные разработки на эту тему.

 

Перспективы такого проекта понятны. Работы по созданию и эксплуатации такой транспортной системы потребуют развития многих отраслей техники, в том числе элементной базы электроники, навигационных систем и др.

Потребуются новые легкие и прочные материалы, новые системы аккумулирования энергии и т.д. и т. п. Все это будет применимо и в других областях.

Очень большая работа ляжет на программистов, но если начать первыми и оптимально выбрать саму концепцию управления, то при удачном раскладе можно оказаться законодателем мод в этой области (как, например, Windows или Android в операционных системах), как минимум на нашем континенте, где наша территория доминирует.

Кроме прочего будет сделан задел вообще в области имитации движения животных (в том числе обитающих в воде). Работы в этой области в мире идут вовсю.

 

Развитие такой транспортной системы, в отличие от других серьезных проектов, не потребует больших предварительных капитальных затрат и будет идти постепенно. Уже первые лабораторные модели новых летательных аппаратов дадут толчок развитию теории их полета и покажут возможности их развития. То же и с системами управления, мощные суперкомпьютеры для расчета воздушного движения потребуются позже, когда в воздухе будут одновременно десятки и сотни тысяч ЛА, если не больше. Тогда от их мощности будет зависеть пропускная способность всей системы.

То есть при первых относительно небольших затратах (которые пойдут на науку и технологии) можно будет понять куда идет дело и подкорректировать проект или даже закрыть бесперспективные направления.

vlivkl

blog comments powered by Disqus