Александр Шальнев
Тхимпу — Москва
XX век: когда же самолет взмахнет крыльями?
Раз урок, два урок...
Создав самолет, человек превзошел птиц по скорости полета в 1912 году, по высоте полета — в 1916 году, по дальности — в 1924 году. Успех следовал за успехом, самолет преодолел океаны, покорил Северный полюс, инженеры, казалось, уже могли смотреть свысока на все воздухоплавательные достижения природы, как вдруг...
Перед второй мировой войной по всем странам прокатилась волна необъяснимых воздушных катастроф. Аварии случались с самолетами самых разных конструкций и назначения. Полет до поры до времени протекал нормально, затем машина словно взрывалась в воздухе. Спасшиеся на парашютах летчики ничего толком не могли рассказать, все происходило чересчур быстро: невиданной силы удар, треск, грохот, короткая агония — и конец.
Далеко не сразу удалось установить, что при высоких скоростях полета набегающий поток воздуха начинает раскачивать крылья, возбуждает в них резкие, упругие колебания, которые буквально разламывают конструкцию. Новое грозное явление получило название «флаттер».
И для конструкторов, и для теоретиков флаттер оказался полной неожиданностью. Неизвестно было, как с ним бороться. Оставалось одно — искать. Искать причины, искать способы борьбы. Не сразу, но они все же были найдены: в конце каждого крыла стали делать утяжеления, которые гасили вредные колебания. Коварное препятствие на пути создания скоростных машин было устранено.
Лишь позднее выяснилось, что нужное решение было перед глазами людей задолго до того, как взлетел первый самолет... Ведь крохотное хитиновое утолщение у кромки передней части крыла стрекоз оказалось не чем иным, как противофлаттерным устройством! В связи с этим известный советский специалист-аэродинамик М. К. Тихонравов писал: «...природа иногда указывает, как самые сложные задачи решаются с поразительной простотой». Действительно, если бы инженеры и биологи своевременно получше изучили полет стрекоз, то такое исследование сберегло бы массу сил и избавило от многих жертв.
Этот случай, казалось, должен был привлечь внимание авиаконструкторов к «патентному бюро» природы. Но этого не случилось. И за это творцам авиационной техники вновь пришлось расплачиваться затратой сотен тысяч часов труда на изобретение того, что давным-давно было осуществлено в природе.
Например, инженерам после долгих поисков удалось найти тип крыла с большой подъемной силой. Поперечный разрез такого крыла, или, как говорят, его профиль, отличается тем, что верхняя часть контура более выпукла, чем нижняя. И тут выяснилось — профиль некоторых акул и осетровых рыб почти подобен профилю нового грузоподъемного авиакрыла! Это не случайное сходство. Дело в том, что рыбы, в частности акулы, имеют большой удельный вес и в неподвижном состоянии тонут. Однако достаточно акуле начать двигаться, как благодаря «грузоподъемному» профилю тела возникает сила, которая без всяких дополнительных движений удерживает ее на плаву. А поскольку законы гидродинамики и аэродинамики во многом схожи, можно было просто перенять это «техническое решение» и использовать его в авиации. Но инженеры тогда не интересовались ихтиологией, а ихтиологи — самолетостроением. Природа едина, но специализация дробит познание на изолированные отсеки... Пробел, который сейчас пытаются восполнить новые синтетические науки, прежде всего, пожалуй, бионика.
Перелистывая историю авиации, находишь не один, не два — массу случаев «повторения пройденного», изобретения уже изобретенного в природе. Но очень может быть, что упоение техническими победами еще долго мешало бы творцам новой авиационной техники «обращаться за советом» к тем, кому они еще недавно завидовали, у кого учились, — птицам, насекомым, если бы в последнее время не встал вопрос о резком повышении экономичности, маневренности и надежности как нынешних, так и будущих самолетов. Это оказался именно тот случай, когда традиционный инженерный способ мышления выявил свою недостаточность при решении уже не тактических, а стратегических задач.
Каких именно? А вот каких.
Обогнали или отстали?
Мы уже говорили о том, как самолет обогнал птиц. Пора сказать, в чем птицы остались недосягаемыми.
Если мы поделим вес таких современных самолетов, как Ил-18 и Ту-114 на мощность их двигателей, то окажется, что каждая лошадиная сила моторов «несет» 14 килограммов самолетного веса. У орла это соотношение равно уже 70 килограммам, у аиста — 135. Иными словами, летательный механизм аистов вдесятеро экономичней, чем у самолетов. Это еще не предел: есть птицы, чья энергетика в двадцать, а то и в тридцать раз экономичней авиационной.
Главный секрет этого прост: машущий полет! Экономичность полета пернатых особенно проявляется во время их длительных миграций. Чибисы, например, перелетают из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрывая расстояние в 3500 километров без остановки, а бекасы без отдыха пролетают из Японии на зимовку в Восточную Австралию около 5000 километров. Почти фантастическим кажется перелет кроншнепов, гнездящихся на Аляске и зимующих на островах Таити, на Гавайских островах. Весь путь протяженностью в 9500 километров (более 3000 километров над морем) они, видимо, пролетают без остановки. Некоторые буревестники одолевают до 10 тысяч километров! Птицы летят без отдыха как над водными пространствами, так и над пустынями. За время своего «беспосадочного» перелета они совершают огромную мышечную работу. Так, например, перелет мелких певчих птиц через Сахару длится 30—40 часов. За это время каждая пернатая путешественница при 4—5 взмахах крыльев в секунду поднимает и опускает их около 500 тысяч раз!
Естественно, возникает вопрос: разве об этом не было известно раньше? Почему малая по сравнению с птицами экономичность самолетов вдруг стала камнем преткновения? Что изменилось?
Во-первых, самолетов стало очень много, а будет еще больше. Во-вторых, самолеты становятся все более огромными, а следовательно, и более прожорливыми. Тут резко встает вопрос о затратах. Расход лишних тысяч тонн горючего — это одно, а расход миллионов — это уже совсем другое: источники нефти не беспредельны...
Другое очень важное преимущество машущего полета — его большая безопасность. Так, например, дальневосточный иглохвостый стриж, летящий со скоростью 170 километров в час, может вихрем пронестись у самой поверхности земли, а затем взмыть вверх и снова с громадной скоростью возвратиться к земле. Сокол-сапсан в горизонтальном полете развивает скорость около 90 километров в час, но, увидев жертву, он немедленно бросается на нее с высоты и пикирует со скоростью 360 километров. Промахнувшись, он короткой дугой, без взмаха крыльев снова поднимается в небо. (Небезынтересно отметить, что пикирование сапсана долго не давало покоя многим инженерам, пытавшимся решить проблему бомбометания с пикирования.)
Пройдя строжайший естественный отбор, совершенствуясь в полете на протяжении многих миллионов лет, птицы далеко превзошли созданные людьми первоклассные летательные аппараты и в маневренности. Известна, например, порода голубей, которые во время полета неоднократно перекувыркиваются, или авторотируют, не теряя при этом равновесия. Виртуозно летает альбатрос. Он может перемещаться несколькими способами: махая крыльями, паря в восходящем токе воздуха и подпрыгивая на встречных волнах (двигаясь с порывами ветра). Но, пожалуй, пальму первенства в маневренности следует отдать самым маленьким представителям мира пернатых — колибри. Эта птичка-невеличка, размером чуть больше шмеля, прекрасная, как драгоценный камень, на спринтерских дистанциях развивает скорость до ста километров в час, может (некоторые виды) подниматься в горы до высоты 4000 метров, куда залетают только кондоры. В то же время она способна неподвижно замирать в воздухе, словно крохотный вертолет. Когда эта кроха висит в воздухе, высасывая своим тонким клювом нектар из цветов, то на месте ее вибрирующих крыльев виден дымчатый бледный ореол. И неудивительно: ее крылья трепещут с частотой около пятидесяти взмахов в секунду! При этом колибри машут крыльями не вертикально, как все птицы, а горизонтально, что позволяет им летать и боком, и даже хвостом вперед.
Короче говоря, машущее крыло выгодно во всех отношениях. Для повышения экономичности, маневренности и безопасности полета надо использовать опыт живой природы, строить орнитоптеры — аппараты с машущими крыльями. Этот вывод сейчас уже невозможно оспорить. Но осуществить машущий полет, а главное, достичь желаемого эффекта — задача далеко не простая даже в наш XX век, век, казалось бы, безграничных возможностей науки и техники.
