Орнитоптер на радиоуправлении. ParkHawk: гибкое крыло и простой механизм

Почему люди не летают как птицы? Еще как летают: аэродинамика у самолета почти та же, что и у пернатых, хотя над полностью« морфируемым», изменяемым крылом люди еще работают. В полете мы достигли больших высот. Если пересчитать на килограммы массы и километры полета, современный авиалайнер тратит энергии меньше, чем птица. Аналога вертолетного принципа полета в животном мире, видимо, нет вовсе. Но все равно в способностях человека летать остается какая-то неполнота.

Древняя, как весь наш род, мечта летать как птица — то есть свободно махая крыльями — остается невоплощенной. Мечта эта так сильна, что хотя до сих пор ни одна авиакомпания и ни одна армия мира не эксплуатирует ни единого орнитоптера, действующая Конвенция о международной гражданской авиации включает его определение: «Воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полете в основном за счет реакций воздуха с его плоскостями, которым придается маховое движение».

От самолета до вертолета

Впрочем, у мечты о маховом полете есть и практическая сторона. Аэродинамическое качество — отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, которое определяет эффективность полета — у самолетов исключительно высоко. Но самолеты требуют дорогих и сложных аэродромов, больших взлетно-посадочных полос. Вертолеты в этом смысле удобнее, они взлетают и садятся вертикально, не требуя для этого какой-либо инфраструктуры. Они намного маневреннее и даже способны зависать неподвижно. Но аэродинамическое качество вертолетов невысоко, и час их полетного времени стоит совсем недешево.

Попыток скрестить одно с другим делается немало — у винтокрылых автожиров и конвертопланов есть свои поклонники. Для решения некоторых узких задач эти летательные аппараты могут быть даже незаменимы. Но все-таки такие гибриды оказываются не слишком удачными: известна шутка о том, что они соединили не столько достоинства, сколько ключевые недостатки и самолетов, и вертолетов. Но вот махолеты могут оказаться подходящим решением. Теоретически, они сумеют взлетать с места, будут маневренны вплоть до способности зависать в воздухе и смогут демонстрировать почти самолетное аэродинамическое качество.

Но первые неловкие воздухоплаватели задумывались, конечно, не о самолетах, которых еще вовсе не было, а о птицах. Казалось, что достаточно научиться отталкиваться от воздуха крыльями — и человек полетит. С такими взглядами, конечно, никто из них так и не смог оторваться от земли. Крылатые механические приспособления в лучшем случае позволяли неловко планировать, как это проделал легендарный монах-бенедиктинец Эйлмер, который около тысячи лет назад сиганул с башни Малмсберийского аббатства в Англии, получив тяжелые травмы.

От птицы до насекомого

Причина многочисленных неудач понятна: саму сущность полета в те годы представляли достаточно смутно. Подъемную силу птицам дает не опора на воздух, а особый контур профиля крыла. Разделяя набегающий поток надвое, он заставляет воздух над верхней кромкой двигаться быстрее, чем над нижней. По закону Бернулли, давление будет выше в области с более медленным потоком. Возникающая разница между давлением под крылом и над ним создает подъемную силу. Но стоит начать махать крыльями — и эта ясная картина полностью меняется.

Известная поговорка гласит, что «по законам аэродинамики шмели вообще не могут летать». В принципе, это справедливо: с точки зрения классической аэродинамики насекомые и их крылья — это нечто несусветное. Даже в теории они неспособны создать подъемную силу и тягу, необходимые для полета, — если только мы не перейдем от классической аэродинамики планера к новой, нестационарной. Здесь все иначе: турбулентные завихрения, с которыми конструкторы самолетов борются не покладая рук, становятся ключом к полету и шмеля, и его родственников.

Крупные птицы используют взмахи лишь изредка — например, когда необходимо затормозиться для посадки или взлететь. Эти взмахи плюс движения ног позволяют им получить направленную вперед тягу, для того чтобы в действие вступила подъемная сила крыла. Насекомые же машут крыльями постоянно, причем по особой траектории, скорее вперед-назад, чем вверх-вниз. В сочетании с гибкостью крыльев и достаточной частотой взмахов это создает у их передней кромки турбулентные завихрения, которые «сбрасываются» с края крыла в верхней и нижней точках. Они и создают достаточную для полета шмеля подъемную силу и тягу.

Меняя скорость первой и второй фаз движения, насекомое контролирует направление этих сил, маневрируя в воздухе. И даже щетинки, бугры и неровности на поверхности крыла — отличие от обтекаемого крыла самолета — работают на образование турбулентных вихрей.

От Москвы до Торонто

Этих тонкостей не знали долго и до конца не понимают до сих пор. Но оказалось, что в простейшем случае это и необязательно. Еще до Второй мировой войны немецкие авиаконструкторы с успехом запускали небольшие легкие орнитоптеры, использующие для привода скрученный резиновый жгут. Увлечению ими отдал дань даже знаменитый аэродинамик Александр Липпиш, а в 1930-х Эрику фон Хольсту удалось оторвать от земли орнитоптер, на который был установлен двигатель внутреннего сгорания. Однако создать аппарат, который можно было бы рассматривать как прототип чего-нибудь полезного, способного нести хотя бы одного человека или груз, тогда так и не удалось. В 1960-х Персифаль Спенсер продемонстрировал полет «орниплана» с размахом крыльев 2,3 м и крошечным (объемом 5,7 см3) двухтактным двигателем — пилотировался он оператором, по кабелю.

Более крупный махолет взлетел лишь в начале 1980-х, когда профессор Московского авиационного института Валентин Киселев сконструировал семикилограммовый аппарат, способный самостоятельно стартовать и оставаться в полете. Со временем модель освободилась от кабеля и управлялась по радиосвязи. По следам Киселева в этой работе двигался его заокеанский коллега Джеймс Делориер. В 1991 году Делориер получил диплом Международной федерации аэронавтики за создание «первого оснащенного двигателем и дистанционно управляемого орнитоптера». В 2006 году его модель UTIAS Ornithopter No. 1 взлетела, а вскоре поднялся в воздух и пилотируемый махолет Snowbird — за 14 секунд он пролетел около 300 м на мускульной тяге пилота.

«Это не совсем честный результат, — поясняет ученик профессора Киселева, выпускник МАИ Андрей Мельник. — Я знаком с этими конструкциями, и их нельзя считать махолетами в полном понимании этого слова. Первый аппарат оснащался реактивным двигателем для создания тяги и взлета. А второй продемонстрировал еще одну важную вещь: что мускульной силы человека для машущего полета недостаточно. Даже подготовленному пилоту, спортсмену, и то удалось пролететь совсем немного».

Возвратно-поступательное движение поршней двигателя трансмиссия преобразует во вращательное движение зубчатых колес, а кривошипно-шатунная передача превращает его снова в возвратно-поступательные взмахи крыльев. Изобретатели мечтают о том, чтобы сделать эту схему эффективнее, напрямую передавая движения поршней крыльям.

От игры до науки

Надо сказать, что если «полезный» машущий полет не удается освоить до сих пор, то игровая индустрия чувствует себя в этой области уже вполне уверенно. Первые небольшие модели на резинке появились в продаже еще в конце XIX века, а сегодня одну из популярных игрушек с машущими крыльями, электромотором и на радиоуправлении предлагает компания-разработчик игрушечных роботов WowWee.

«Я сам начинал с авиамоделирования, — говорит Андрей Мельник, — поэтому представляю, насколько требовательны самолеты к мастерству пилота, управляющего ими с земли. Буквально одно неловкое движение — и он заваливается в штопор или в крен. И я могу сказать, что мой опыт управления нашим махолетом показывает, что с этим аппаратом справится даже ребенок. Он получился у нас настолько устойчивым, что легко прощает все ошибки и остается в воздухе».

Средства в разработку нового типа летательных аппаратов при довольно сомнительных перспективах вкладывают неохотно. Однако Андрею Мельнику и Дмитрию Шувалову удалось убедить инвесторов, что благодаря современным технологиям и при должных вложениях махолет можно создать. «Нам удалось нащупать несколько принципиальных моментов, которые прежде, в том числе и когда я работал с профессором Киселевым, понимались неверно, — добавляет конструктор. — Первые наши модели просто разваливались, не выдерживая нагрузки. Так вот, предполагалось, что такую нагрузку на аппарат создают аэродинамические силы. Однако испытания показали, что это не так, и основное воздействие он испытывает из-за инерции машущих крыльев».

Выяснив причины неудач, разработчики максимально снизили вес крыла — до 600 г при площади 0,5 м 2 — и демпфировали его воздействие на фюзеляж. «Настоящим сюрпризом для нас стали результаты моделирования, которые показали, что аэродинамический центр четырехкрылого аппарата находится не где-то между передней и задней парой крыльев, а позади них, — вспоминает Андрей Мельник. — Чтобы решить эту проблему, пришлось изменить геометрию переднего и заднего оперений. Но в результате махолет стал уверенно держаться в воздухе».

Крошечные орнитоптеры разрабатываются в разных странах мира. Как правило, авторы их пытаются с большей или меньшей точностью сымитировать природу, повторив конструкцию летающего насекомого. В мае 2015 года Питер Эббил и Роберт Дадли из лаборатории биомиметических миллисистем Университета Беркли продемонстрировали весьма эффектный взлет 13,2-граммового махолета с «пусковой установки» на спине шестиногого микроробота.

От практики до теории

Первый полет махолета состоялся в 2012 году, когда аппарат, еще почти неуправляемый, пролетел около 100 м. Его жесткие композитные крылья приводились в движение небольшим двигателем с кривошипно-шатунной передачей. А спустя еще полгода усовершенствованная 29-килограммовая версия оставалась в воздухе уже столько времени, на сколько хватало полулитрового топливного бака — 10−15 минут. На свой махолет разработчики оформили патент РФ № 2488525.

Передние и задние крылья орнитоптера машут в противофазе. Это резко снижает колебания аппарата в полете и нагрузки, возникающие под действием инерции движущихся крыльев.

«Помимо прочего, мы столкнулись еще и с проблемой управления, — продолжает Андрей Мельник. — По вертикали махолет отклонялся и управлялся надежно, с помощью рулей высоты на хвостовом оперении. А вот чтобы менять курс еще и по горизонтали, нам пришлось установить на крыльях дополнительные законцовки. Меняя их положение, стало возможным полностью управлять аппаратом в полете, по радиоканалу».

Надо сказать, что вертикально махолет все-таки не взлетает, хотя для разбега ему требуется очень короткая полоса. Всего 5−10 м — и он уходит в отрыв. Эту цифру можно еще уменьшить, однако для создания настоящей полноразмерной модели конструкцию придется серьезно усовершенствовать. По словам Андрея Мельника, прежде всего требуется отказаться от кривошипно-шатунного механизма, не слишком удачного для создания машущих движений крыльями. Он порождает слишком опасные инерционные силы, которые особенно велики в верхней и нижней «мертвых точках» колебания. «Если мы возьмем другой привод, который способен накапливать энергию последних фаз движения и затем использовать ее для движения в обратном направлении, то он будет гораздо эффективнее, — говорит конструктор. — Это может быть, например, пневматический механизм, такие задумки у нас есть».

«Хуже всего то, что мы так и не понимаем в точности, как же он летает, — продолжает Андрей Мельник. — И по образованию, и по навыкам мы — практики, конструкторы, а не теоретики, не ученые. Но мы точно можем сказать, что обычные теоретические модели для махолета не подходят, и наши испытания это подтвердили. В частности, коэффициент подъемной силы у нас оказался в разы больше, чем у типичного самолетного крыла. Почему? Надеюсь, кто-нибудь разберется». Быть может, все действительно произойдет в обратном порядке: выяснив, как летает махолет, мы, наконец, разберемся и в машущем полете птиц и насекомых.

Качательные движения характерны именно для живых организмов - вследствие работы связок и замкнутого тела. Ни у одного из организмов не встречается вращение более чем на 360градусов. В то же время для механизмов храктерно имено полные вращательные движения, которые обеспечивают непрерывность движения. Ну, в самом деле, автомобиль мало похож на механическую лошадь. В печатном деле только тогда был достигнут прогресс по скорости издания, когда перешли с печатного станка на рототип - т.е. с качательного и возвратно-поступательного движения на врашательное непрерывное. Именно поэтому из всех летательных аппаратов с подвижным крылом получил распространение именно вертолет - вращающиеся крылья. Однако мысль "летать как птицы" не оставляла умы конструкторов.

Орнитоптером, или, по-русски, махолетом обычно называют летательный аппарат, приводимый в движение с помощью машущих крыльев, хотя, если переводить слово "Ornitopter" дословно, то получится "Птицелет", то есть, аппарат, летающий подобно птице. Расчеты показывают, что машущий полет при малых скоростях энергетически более выгоден, чем полет с помощью неподвижного крыла. Это связано с тем, что машущее крыло имеет отрицательное аэродинамическое сопротивление. Для того, чтобы машущее крыло создавало подъемную силу и тягу, необходимо, чтобы угол атаки крыла во время движения крыла изменялся (у птиц, кроме того, еще при движении крыла вверх, оно становится проницаемым для воздуха, так как перья, составляющие значительную часть крыла, раздвигаются). Для соблюдения этого условия есть два пути: использовать жесткое, как у самолета крыло, и изменять его угол атаки с помощью механического привода, или использовать гибкое крыло, у которого угол атаки изменяется за счет изгибания самого крыла под действием сил сопротивления воздуха. При использовании жесткого крыла легче получить хорошее аэродинамическое качество при планирующем полете, но для привода крыльев нужна довольно сложная кинематика. При гибком крыле, хорошее аэродинамическое качество планирующего полета получить сложнее, но машущий механизм получается простой. Такой принцип полета был впервые "освоен" птеродактилями, а в наши дни его с успехом используют летучие мыши.

ParkHawk: гибкое крыло и простой механизм

Как-то давно увидел в интернете модель радиоуправляемого махолета, называлась она SkyBird, модель была большая (около 1.7м размах, и примерно 2 кг весом) с двигателем внутреннего сгорания. Захотелось что-либо подобное, только поменьше и с электродвигателем. Поиски привели меня к модели ParkHawk фирмы Kinkade RC. В различных интернет-магазинах эта модель предлагалась по цене около 200$.

По форме махолет очень похож на птицу, даже управление реализуется с помощью хвоста, очень похожего на птичий. В махолете ParkHawk реализован принцип гибкого крыла, поэтому от машущего механизма требуется только несложное движение крыльев вверх-вниз.

Модель имеет размах крыльев чуть больше метра - 105см, площадь крыльев - 18 кв. дм, полетный вес ее - 350-380г, в зависимости от веса применяемых машинок и приемника. Крылья приводятся в движение двигателем SPEED 300 (Graupner) с двухступенчатым редуктором 98:1. Заявленное производителем время полета - 7-10 минут, что в принципе соответствует истине - мне не удавалось держаться в воздухе дольше 7,5 минут.

Управляется махолет по курсу (вправо- влево) путем поворота хвоста относительно продольной оси модели, а по тангажу (вверх-вниз) - путем наклона хвоста вверх или вниз. Это очень похоже на цельноповоротный стабилизатор планера, только в нейтральном положении хвост установлен не горизонтально, а под углом около 30° вверх. Для движения хвоста использованы 2 рулевые машинки, одна из которых (для управления вправо-влево) наклоняется вместе с хвостом при движении хвоста вверх-вниз. Таким образом организован механический смеситель, и для управления достаточно обычной трехканальной аппаратуры.

Фюзеляж выполнен из 1.8 мм стеклотекстолита, контур его очень похож на туловище птицы. На фюзеляже закреплен машущий механизм-мотор, редуктор и два кривошипа, от которых идут тяги с шаровыми наконечниками к передним кромкам крыльев. Также на фюзеляже крепятся аккумуляторы, и приемник с рулевой машинкой управления по тангажу. Машинка для управления по крену крепится на специальной рамке, поворачивающейся вместе с хвостом. На рычаге этой машинки собственно и крепится хвост с помощью двух винтиков.

Передние кромки крыльев (карбоновые стержни диаметром 3 мм) вставлены в специальные кулисы, к которым прикреплены тяги машущего механизма. А задние, вернее "диагональные", кромки крыльев закреплены на фюзеляже с помощью стандартных шаровых наконечников, что дает крыльям возможность свободно махать вверх-вниз.

Сборка - это очень просто

Махолет поставляется в следующей комплектации: фюзеляж и собранный на нем машущий механизм, полностью готовые тканевые крылья (скроенные из одного куска ткани с наклеенными карманами и усилениями), готовый хвост-стабилизатор и четыре длинных карбоновых стержня - это кромки крыльев. Также в набор входит и комплект аккумуляторов (8шт 700мАh, размер "AAA") и резинки для их крепления.

Перед сборкой модели советую припаять регулятор к двигателю. Хотя сделать это можно и после, но дело в том, что ткань, из которой сделаны крылья, очень легко прожечь паяльником.

Сборка набора очень проста - необходимо установить рулевые машинки, привинтить хвост к рычагу рулевой машинки. Далее надо вставить в карманы на крыльях передние и "диагональные" кромки, привинтить шарнирное крепление кулис к фюзеляжу, и одеть шаровые наконечники задних кромок на шарики, закрепленные на фюзеляже, а также прищелкнуть к кривошипам тяги машущего механизма (вставляются с приличным усилием) - и крылья установлены. В завершение надо винтиком зафиксировать на фюзеляже центральную часть ткани крыльев, в этом месте она усилена наклеенной черной капроновой лентой. Вот и все! Сборка занимает максимум час.

Приемник приклеивается к фюзеляжу двусторонним скотчем. Аккумуляторы, поставляемые в комплекте, крепятся резинкой, которая тоже входит в комплект. Проверяем движение машинок и крыльев, выставляем нейтраль хвоста - около 30° вверх - и можно лететь!

Полеты

Запуск модели производится с рук, так же, как обычный parkflyer. Первое, что удивляет - необычно низкая скорость полета для модели весом в 370г и площадью крыльев около 18 кв.дм. Она составляет 15-20 км/ч. (здесь уместно напомнить, что с точки зрения классической аэродинамики скорость утки для прямолинейного полета должна быть около 200 км/ч, а шмель летать не может вообще). Махолет неплохо набирает высоту по прямой, но разворачивается очень медленно и лениво, и имеет большое запаздывание в управлении. Поэтому, несмотря на малую скорость, для полетов требуется площадка не менее 50х50м. Допустимый ветер- 4-5м/с. При большем ветре "птица" против ветра просто не двигается, так что при полетах в поле в ветреную погоду будьте осторожны - не отпускайте модель далеко по ветру - иначе придется долго за ней идти. Ни о каком пилотаже, конечно же, речь идти не может, это ведь не самолет.

Но тем не менее, несмотря на всю "ленивость" модель выглядит в полете очень похоже на настоящую птицу, и метров с 60 ее легко путают с "какой-то долбанутой" птицей. Для посадки следует просто убрать газ больше, чем на половину, и модель плавно опустится. Планирует модель при полностью выключенном моторе довольно плохо - сказывается гибкое крыло и отсутствие профиля. Эффектная посадка, почти как у настоящей птицы получается, если снижаться примерно на половине газа, и когда до земли будет около 1 метра, сделать один-два взмаха на полном газу, взяв при этом ручку управления "на себя", и резко убрать газ. "Птица" сядет почти с нулевой горизонтальной скоростью.

Особо следует сказать: берегитесь собак! Они думают, что это летает неповоротливое "мясо", и я еще не встречал собаки, которая бы не погналась за моей "птицей" - охотничий инстинкт, однако.

Достоинства и недостатки набора

После нескольких удачных полетов хочется попробовать сделать "что-нибудь эдакое", то есть покрутить пилотаж. Так как элеронов нет, то бочки крутить нельзя, и я решил попробовать сделать петлю. При взятии ручки до отказа "на себя" в прямом полете, птица просто задрала нос кверху градусов на 30, и отчаянно стала пытаться загребать вверх, почти потеряв горизонтальную скорость. Но набор высоты при этом упал почти до нуля, и выглядело это очень забавно. Ладно. Выровняв модель, слегка убираю газ и, дав немного от "себя", пытаюсь разогнать модель. Потом - полный газ и плавно "на себя". Птица задирает нос, как вдруг - хрусть! - и трепыхаясь, очень напоминая подстреленную утку, модель, беспорядочно кувыркаясь, падает вниз. (Хорошо, что на поле была высокая трава). При осмотре выясняется, что причина падения - переломившаяся у основания кулисы передняя кромка крыла (от падения больше ничего не пострадало, вообще, модель удивительно прочна). Чинится поломка просто - оставшаяся в кулисе часть вынимается плоскогубцами, а оставшийся карбоновый прут вставляется на ее место и фиксируется циакрином. Чтобы ткань крыла оставалась натянутой, отломанная часть (около 25мм) наращивается у конца крыла пластиковой трубочкой подходящего диаметра. Я использовал кусочек стержня от гелевой авторучки, надев его с усилием на кромку, ее диаметр - 3 мм.

Малое плечо, за которое привод "тянет" крыло, приводит к большим усилиям на излом кромки в месте ее выхода из кулисы машущего механизма, и кромка в этом месте переламывается. Это происходит при резкой нагрузке, как правило, при резких маневрах "высотой".

Я исправил этот недостаток, переделав кулису - сделал ее в два раза длиннее. Хотя у меня в самодельной конструкции в качестве кромок использованы не карбоновые стержни 3мм, а карбоновые трубки 6 мм диаметром, в основании их (у кулисы) вставлены стальные стержни диаметром 3мм, эти стержни после нескольких полетов также ломались. После переделки кулис поломки прекратились, хотя заставить "птицу" крутить петли мне так и не удалось...

В целом модель производит очень хорошее впечатление, легко собирается, очень прилично (для махолета) летает, и главное, это очень прикольно (ну, по-другому и сказать нельзя!) смотрится в воздухе! "Птица" очень легка в управлении, и летать на ней могут даже начинающие. Практически неубиваемая конструкция. Как-то при полетах на стадионе, после врезания с прямого полета в решетчатую металлическую конструкцию на высоте около 3-х метров и последующего падения на асфальт в модели ничего не сломалось!

Почему люди не летают как птицы? Еще как летают: аэродинамика у самолета почти та же, что и у пернатых, хотя над полностью «морфируемым», изменяемым крылом люди еще работают. В полете мы достигли больших высот. Если пересчитать на килограммы массы и километры полета, современный авиалайнер тратит энергии меньше, чем птица.

Древняя, как весь наш род, мечта летать как птица - то есть свободно махая крыльями - остается невоплощенной. Мечта эта так сильна, что хотя до сих пор ни одна авиакомпания и ни одна армия мира не эксплуатирует ни единого орнитоптера, действующая Конвенция о международной гражданской авиации включает его определение: «Воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полете в основном за счет реакций воздуха с его плоскостями, которым придается маховое движение».

От самолета до вертолета

Впрочем, у мечты о маховом полете есть и практическая сторона. Аэродинамическое качество - отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, которое определяет эффективность полета - у самолетов исключительно высоко. Но самолеты требуют дорогих и сложных аэродромов, больших взлетно-посадочных полос. Вертолеты в этом смысле удобнее, они взлетают и садятся вертикально, не требуя для этого какой-либо инфраструктуры. Они намного маневреннее и даже способны зависать неподвижно. Но аэродинамическое качество вертолетов невысоко, и час их полетного времени стоит совсем недешево.

Попыток скрестить одно с другим делается немало - у винтокрылых автожиров и конвертопланов есть свои поклонники. Для решения некоторых узких задач эти летательные аппараты могут быть даже незаменимы. Но все-таки такие гибриды оказываются не слишком удачными: известна шутка о том, что они соединили не столько достоинства, сколько ключевые недостатки и самолетов, и вертолетов. Но вот махолеты могут оказаться подходящим решением. Теоретически, они сумеют взлетать с места, будут маневренны вплоть до способности зависать в воздухе и смогут демонстрировать почти самолетное аэродинамическое качество.

Но первые неловкие воздухоплаватели задумывались, конечно, не о самолетах, которых еще вовсе не было, а о птицах. Казалось, что достаточно научиться отталкиваться от воздуха крыльями - и человек полетит. С такими взглядами, конечно, никто из них так и не смог оторваться от земли. Крылатые механические приспособления в лучшем случае позволяли неловко планировать, как это проделал легендарный монах-бенедиктинец Эйлмер, который около тысячи лет назад сиганул с башни Малмсберийского аббатства в Англии, получив тяжелые травмы.

Крошечные орнитоптеры разрабатываются в разных странах мира. Как правило, авторы их пытаются с большей или меньшей точностью сымитировать природу, повторив конструкцию летающего насекомого. В мае 2015 года Питер Эббил и Роберт Дадли из лаборатории биомиметических миллисистем Университета Беркли продемонстрировали весьма эффектный взлет 13,2-граммового махолета с «пусковой установки» на спине шестиногого микроробота.

От птицы до насекомого

Причина многочисленных неудач понятна: саму сущность полета в те годы представляли достаточно смутно. Подъемную силу птицам дает не опора на воздух, а особый контур профиля крыла. Разделяя набегающий поток надвое, он заставляет воздух над верхней кромкой двигаться быстрее, чем над нижней. По закону Бернулли, давление будет выше в области с более медленным потоком. Возникающая разница между давлением под крылом и над ним создает подъемную силу. Но стоит начать махать крыльями - и эта ясная картина полностью меняется.

Известная поговорка гласит, что «по законам аэродинамики шмели вообще не могут летать». В принципе, это справедливо: с точки зрения классической аэродинамики насекомые и их крылья - это нечто несусветное. Даже в теории они неспособны создать подъемную силу и тягу, необходимые для полета, - если только мы не перейдем от классической аэродинамики планера к новой, нестационарной. Здесь все иначе: турбулентные завихрения, с которыми конструкторы самолетов борются не покладая рук, становятся ключом к полету и шмеля, и его родственников.

Крупные птицы используют взмахи лишь изредка - например, когда необходимо затормозиться для посадки или взлететь. Эти взмахи плюс движения ног позволяют им получить направленную вперед тягу, для того чтобы в действие вступила подъемная сила крыла. Насекомые же машут крыльями постоянно, причем по особой траектории, скорее вперед-назад, чем вверх-вниз. В сочетании с гибкостью крыльев и достаточной частотой взмахов это создает у их передней кромки турбулентные завихрения, которые «сбрасываются» с края крыла в верхней и нижней точках. Они и создают достаточную для полета шмеля подъемную силу и тягу.

Меняя скорость первой и второй фаз движения, насекомое контролирует направление этих сил, маневрируя в воздухе. И даже щетинки, бугры и неровности на поверхности крыла - отличие от обтекаемого крыла самолета - работают на образование турбулентных вихрей.

От Москвы до Торонто

Этих тонкостей не знали долго и до конца не понимают до сих пор. Но оказалось, что в простейшем случае это и необязательно. Еще до Второй мировой войны немецкие авиаконструкторы с успехом запускали небольшие легкие орнитоптеры, использующие для привода скрученный резиновый жгут. Увлечению ими отдал дань даже знаменитый аэродинамик Александр Липпиш, а в 1930-х Эрику фон Хольсту удалось оторвать от земли орнитоптер, на который был установлен двигатель внутреннего сгорания. Однако создать аппарат, который можно было бы рассматривать как прототип чего-нибудь полезного, способного нести хотя бы одного человека или груз, тогда так и не удалось. В 1960-х Персифаль Спенсер продемонстрировал полет «орниплана» с размахом крыльев 2,3 м и крошечным (объемом 5,7 см3) двухтактным двигателем - пилотировался он оператором, по кабелю.

Более крупный махолет взлетел лишь в начале 1980-х, когда профессор Московского авиационного института Валентин Киселев сконструировал семикилограммовый аппарат, способный самостоятельно стартовать и оставаться в полете. Со временем модель освободилась от кабеля и управлялась по радиосвязи. По следам Киселева в этой работе двигался его заокеанский коллега Джеймс Делориер. В 1991 году Делориер получил диплом Международной федерации аэронавтики за создание «первого оснащенного двигателем и дистанционно управляемого орнитоптера». В 2006 году его модель UTIAS Ornithopter No.?1 взлетела, а вскоре поднялся в воздух и пилотируемый махолет Snowbird - за 14 секунд он пролетел около 300 м на мускульной тяге пилота.

«Это не совсем честный результат, - поясняет ученик профессора Киселева, выпускник МАИ Андрей Мельник. - Я знаком с этими конструкциями, и их нельзя считать махолетами в полном понимании этого слова. Первый аппарат оснащался реактивным двигателем для создания тяги и взлета. А второй продемонстрировал еще одну важную вещь: что мускульной силы человека для машущего полета недостаточно. Даже подготовленному пилоту, спортсмену, и то удалось пролететь совсем немного».

Возвратно-поступательное движение
поршней двигателя трансмиссия преобразует во вращательное движение зубчатых колес, а кривошипно-шатунная передача превращает его снова в возвратно-поступательные взмахи крыльев. Изобретатели мечтают о том, чтобы сделать эту схему эффективнее, напрямую передавая движения поршней крыльям.

От игры до науки

Надо сказать, что если «полезный» машущий полет не удается освоить до сих пор, то игровая индустрия чувствует себя в этой области уже вполне уверенно. Первые небольшие модели на резинке появились в продаже еще в конце XIX века, а сегодня одну из популярных игрушек с машущими крыльями, электромотором и на радиоуправлении предлагает компания-разработчик игрушечных роботов WowWee.

«Я сам начинал с авиамоделирования, - говорит Андрей Мельник, - поэтому представляю, насколько требовательны самолеты к мастерству пилота, управляющего ими с земли. Буквально одно неловкое движение - и он заваливается в штопор или в крен. И я могу сказать, что мой опыт управления нашим махолетом показывает, что с этим аппаратом справится даже ребенок. Он получился у нас настолько устойчивым, что легко прощает все ошибки и остается в воздухе».

Средства в разработку нового типа летательных аппаратов при довольно сомнительных перспективах вкладывают неохотно. Однако Андрею Мельнику и Дмитрию Шувалову удалось убедить инвесторов, что благодаря современным технологиям и при должных вложениях махолет можно создать. «Нам удалось нащупать несколько принципиальных моментов, которые прежде, в том числе и когда я работал с профессором Киселевым, понимались неверно, - добавляет конструктор. - Первые наши модели просто разваливались, не выдерживая нагрузки. Так вот, предполагалось, что такую нагрузку на аппарат создают аэродинамические силы. Однако испытания показали, что это не так, и основное воздействие он испытывает из-за инерции машущих крыльев».

Выяснив причины неудач, разработчики максимально снизили вес крыла - до 600 г при площади 0,5 м2 - и демпфировали его воздействие на фюзеляж. «Настоящим сюрпризом для нас стали результаты моделирования, которые показали, что аэродинамический центр четырехкрылого аппарата находится не где-то между передней и задней парой крыльев, а позади них, - вспоминает Андрей Мельник. - Чтобы решить эту проблему, пришлось изменить геометрию переднего и заднего оперений. Но в результате махолет стал уверенно держаться в воздухе».

От практики до теории

Первый полет махолета состоялся в 2012 году, когда аппарат, еще почти неуправляемый, пролетел около 100 м. Его жесткие композитные крылья приводились в движение небольшим двигателем с кривошипно-шатунной передачей. А спустя еще полгода усовершенствованная 29-килограммовая версия оставалась в воздухе уже столько времени, на сколько хватало полулитрового топливного бака - 10−15 минут. На свой махолет разработчики оформили патент РФ №?2488525.

«Помимо прочего, мы столкнулись еще и с проблемой управления, - продолжает Андрей Мельник. - По вертикали махолет отклонялся и управлялся надежно, с помощью рулей высоты на хвостовом оперении. А вот чтобы менять курс еще и по горизонтали, нам пришлось установить на крыльях дополнительные законцовки. Меняя их положение, стало возможным полностью управлять аппаратом в полете, по радиоканалу».

Надо сказать, что вертикально махолет все-таки не взлетает, хотя для разбега ему требуется очень короткая полоса. Всего 5−10 м - и он уходит в отрыв. Эту цифру можно еще уменьшить, однако для создания настоящей полноразмерной модели конструкцию придется серьезно усовершенствовать. По словам Андрея Мельника, прежде всего требуется отказаться от кривошипно-шатунного механизма, не слишком удачного для создания машущих движений крыльями. Он порождает слишком опасные инерционные силы, которые особенно велики в верхней и нижней «мертвых точках» колебания. «Если мы возьмем другой привод, который способен накапливать энергию последних фаз движения и затем использовать ее для движения в обратном направлении, то он будет гораздо эффективнее, - говорит конструктор. - Это может быть, например, пневматический механизм, такие задумки у нас есть».

«Хуже всего то, что мы так и не понимаем в точности, как же он летает, - продолжает Андрей Мельник. - И по образованию, и по навыкам мы - практики, конструкторы, а не теоретики, не ученые. Но мы точно можем сказать, что обычные теоретические модели для махолета не подходят, и наши испытания это подтвердили. В частности, коэффициент подъемной силы у нас оказался в разы больше, чем у типичного самолетного крыла. Почему? Надеюсь, кто-нибудь разберется». Быть может, все действительно произойдет в обратном порядке: выяснив, как летает махолет, мы, наконец, разберемся и в машущем полете птиц и насекомых.

Орнитоптер - это воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полете за счет реакций воздуха с его плоскостями, которым придаётся маховое движение.

Орнитоптером интересовались еще в древности, ведь именно так летают птицы.

Есть даже чертежи орнитоптера сделанные Леонардо ДеВинчи.

Для изготовления самодельного махолета-орнитоптера своими руками потребуются следующие расходные материалы:

На картинке внизу вы можете увидеть чертежи для изготовления орнитоптера своими руками.

Для изготовления лучше использовать липу или бальсу, можно применить карбоновые трубки или, как делают наши китайские товарищи – пластиковые прутки. Впрчем, можно выстругать и ил любого дерева – березы, липы и тд.

Соединение реек рамы производится по типу шип-паз и обматывается нитками с пропиткой клеем.

Передние кромки крыльев тоже приматываются к рычагам нитками, но перед этим в них делаются отверстие через которое пропускается шип рычага.

Подшипник вала резиномотора и рычагов можно сделать из изоляции от провода, можно также из частей стержня от ручки, они также приматываются нитками и нитки пропитываются клеем. Из проволоки выгибается коленвал подобный тому, что на рисунке, далее на него одевается бусина и он вставляется в подшипник, после чего выгибается крючок (см. рисунок). Выгибаются рычаги и после того как они вставятся концы их загибают.

Хвост-стабилизатор скрепляется из реек тем же способом что и рама, после чего к нему приматывается нитками проволока и изгибается как на фото.

В раме орнитоптера делается надрез в который вставляется проволока, после чего обматывается нитками и проклеевается.

Дальше изготавливаются шатуны, их делаем бамбуковые, просто от него удобно отколоть тонкие палочки, на концы их надеваем трубочки из изоляции проводов, в трубочках прожигаем отверстия, нагреваем проволоку над свечкой и быстро ей протыкаем трубку. Трубочки делаем подлиннее с того конца где вставляется палочка, это вам понадобится для регулировки.

Натягиваем резинки две меж крючками и закручиваем резиномотор, но не сильно, и отпускаем, должны начать двигаться крылья, если их ход не одинаков, то подогните передний кривошип.

Дальше смазываем резиновым клеем центральную нервюру и рейки кромок, накладываем на пленку наш летательный аппарат и расправляем ее, чтоб пленка провисала, но не сильно, стараемся делать одинаково с обеих сторон иначе он будет летать кругами.

При использовании резинового клея желательно подкрепить все небольшими полосками скотча.

Также следим за одинаковостью крыльев.

Обязательно даем просохнуть клею, а потом запускаем!

Если вам не совсем понятна постройка, посмотрите видео ниже.

Видео изготовления орнитоптера своими руками

А вот полет миниверсии орнитоптера весом 3 грамма.

Как настроить орнитоптер

Если ваша птица пикирует загните вверх хвост, если кабрирует (задирает нос и падает), то наоборот опустите. Также изменением длины шатунов добиваемся большей стабильности и тяги при полете.

Если все собрано правильно эта модель набирает высоту прямолинейно, после чего медленно помахивая крыльями планирует, дальше садится чуть поджав крылья. Комнатная моделька больше похожа на стрекозу при наборе высоты, частота взмахов достигает 20Гц. При сборке большей модели время полета, высота и зрелищность полета увеличиваются, падает частота взмахов, но нужно более мощную и длинную резинку

Однако полеты на резиномоторе не очень увлекательны. Гораздо интереснее – радиоуправляемый орнитоптер.

Как сделать радиоуправляемый орнитоптер

На видео выше – оснащение мотором и радиоуправлением самодельного орнитоптера.

Это видео продолжает то, которое показано в разделе изготовления орнитоптера.

Удачных полетов!

Орнитоптер - это воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полете за счет реакций воздуха с его плоскостями, которым придаётся маховое движение.

Орнитоптером интересовались еще в древности, ведь именно так летают птицы.

Есть даже чертежи орнитоптера сделанные Леонардо ДеВинчи.

Для изготовления самодельного махолета-орнитоптера своими руками потребуются следующие расходные материалы:

На картинке внизу вы можете увидеть чертежи для изготовления орнитоптера своими руками.

Для изготовления лучше использовать липу или бальсу, можно применить карбоновые трубки или, как делают наши китайские товарищи – пластиковые прутки. Впрчем, можно выстругать и ил любого дерева – березы, липы и тд.

Соединение реек рамы производится по типу шип-паз и обматывается нитками с пропиткой клеем.

Передние кромки крыльев тоже приматываются к рычагам нитками, но перед этим в них делаются отверстие через которое пропускается шип рычага.

Подшипник вала резиномотора и рычагов можно сделать из изоляции от провода, можно также из частей стержня от ручки, они также приматываются нитками и нитки пропитываются клеем. Из проволоки выгибается коленвал подобный тому, что на рисунке, далее на него одевается бусина и он вставляется в подшипник, после чего выгибается крючок (см. рисунок). Выгибаются рычаги и после того как они вставятся концы их загибают.

Хвост-стабилизатор скрепляется из реек тем же способом что и рама, после чего к нему приматывается нитками проволока и изгибается как на фото.

В раме орнитоптера делается надрез в который вставляется проволока, после чего обматывается нитками и проклеевается.

Дальше изготавливаются шатуны, их делаем бамбуковые, просто от него удобно отколоть тонкие палочки, на концы их надеваем трубочки из изоляции проводов, в трубочках прожигаем отверстия, нагреваем проволоку над свечкой и быстро ей протыкаем трубку. Трубочки делаем подлиннее с того конца где вставляется палочка, это вам понадобится для регулировки.

Натягиваем резинки две меж крючками и закручиваем резиномотор, но не сильно, и отпускаем, должны начать двигаться крылья, если их ход не одинаков, то подогните передний кривошип.

Дальше смазываем резиновым клеем центральную нервюру и рейки кромок, накладываем на пленку наш летательный аппарат и расправляем ее, чтоб пленка провисала, но не сильно, стараемся делать одинаково с обеих сторон иначе он будет летать кругами.

При использовании резинового клея желательно подкрепить все небольшими полосками скотча.

Также следим за одинаковостью крыльев.

Обязательно даем просохнуть клею, а потом запускаем!

Если вам не совсем понятна постройка, посмотрите видео ниже.

Видео изготовления орнитоптера своими руками

А вот полет миниверсии орнитоптера весом 3 грамма.

Как настроить орнитоптер

Если ваша птица пикирует загните вверх хвост, если кабрирует (задирает нос и падает), то наоборот опустите. Также изменением длины шатунов добиваемся большей стабильности и тяги при полете.

Если все собрано правильно эта модель набирает высоту прямолинейно, после чего медленно помахивая крыльями планирует, дальше садится чуть поджав крылья. Комнатная моделька больше похожа на стрекозу при наборе высоты, частота взмахов достигает 20Гц. При сборке большей модели время полета, высота и зрелищность полета увеличиваются, падает частота взмахов, но нужно более мощную и длинную резинку

Однако полеты на резиномоторе не очень увлекательны. Гораздо интереснее – радиоуправляемый орнитоптер.

Как сделать радиоуправляемый орнитоптер

На видео выше – оснащение мотором и радиоуправлением самодельного орнитоптера.

Это видео продолжает то, которое показано в разделе изготовления орнитоптера.

Удачных полетов!