Беседы о бионике

Тот, кому хоть раз довелось видеть полет летучих рыб, вероятно, никогда не забудет это любопытное зрелище. У этих летунов длинные грудные и хвостовые плавники, напоминающие удлиненные крылья. Сильным движением хвоста летучая рыба отталкивается от воды и совершает пологий планирующий полет со скоростью около 30 км/час, поднимаясь на высоту до 3 м. Дальность его около 100 — 150 м, длительность — 10 — 18 сек.

Рис. 15. Быстроходный дельфин хорошо обтекаемой формы и близкие по контурам аэродинамические профили (по С. В. Першину). а) Несимметричный 15%-ный профиль ЦАГИ серии В; 6) и в) вид дельфина сбоку и снизу (экземпляр длиной 2,08 м, весом 56 кг); г) симметричный 15%-ный ламинаризованный профиль НАКА

Законы гидродинамики и аэродинамики имеют много общего, и поэтому изучение строения рыб и способов их передвижения представляет большой интерес не только для конструкторов различных подводных кораблей, но и для авиастроителей. Проведенные в последнее время исследования показывают, что некоторые конструкции и устройства, используемые в современном самолетостроении, можно было бы с успехом позаимствовать у рыб. За примерами далеко ходить не надо. Посмотрев на рис. 15, мы увидим, что контуры тела быстроходного дельфина в вертикальной и горизонтальной проекциях очень сходны с контурами известных аэродинамических профилей, обладающих наибольшей подъемной силой. Оказывается, что и тело акулы обладает такой же (если не большей!) подъемной силой, как и крыло самолета. Вот вам и плавающие рыбы!

Но если говорить об истории полетов человека, то она началась не с копирования летающих "конструкций" растений и рыб, а с изучения полета птиц и насекомых. В дошедших до нас трудах Леонардо да Винчи, Джоана Домиана (около 1500 г.), алхимика Иакова IV Шотландского и других мыслителей прошлого можно найти множество схем, набросков и рисунков летательных аппаратов с машущими крыльями. В них постоянно повторяются крылья различных птиц, насекомых и летучих мышей. По утверждению русских летописцев XVI века, "смерд Никитка, боярского сына Лупатовых холоп", летал с помощью крыльев. В 1699 г. на голубиных крыльях "...поднялся аршинов на 7... и упал на спину, но небольно..." стрелец рязанский Серов. Легенды XVIII века повествуют о крылатых снарядах приказчика Островкова и кузнеца Черная Гроза. Первый сделал крылья на бычьих пузырях, второй придумал крылья из проволоки и перьев и прицепил к ногам хвост. Хранящиеся в филиале Государственного архива Тюменской области документы рассказывают о том, что бежавший из митрополичьего дома бывший иеромонах Федор Мелес, украинец, в 1762 г. построил крылья для полета и "...практикой показал, как может человек совершенно подобию птице по воздуху, куда хочет, летать... и означенный же к летанию способ зделав, он намерен был отсель из Тобольска через те улететь прямо в Малороссию... мог бы скоро перелететь из Тобольска до Малороссии, еже бы способный ветер последовал, всемирно через один день, а не более". Век спустя идея постройки "воздухоплавательного аппарата" возникла у русского моряка, капитана первого ранга А. Ф. Можайского. Проведенное им длительное и тщательное изучение строения крыльев птиц, механики птичьего полета, как известно, завершилось постройкой первого самолета с неподвижно раскрытыми крыльями.

Научившись летать, человек превзошел птицу по скорости полета в 1912 г., по высоте полета — в 1916 г. и по дальности полета — в 1924 г. А вот по экономичности полета даже самые лучшие в мире воздушные лайнеры, переносящие за несколько часов сотни пассажиров через моря и океаны, все еще отстают от птиц. Да еще как отстают!

Возьмем к примеру наши стремительные "ИЛ-18" и "ТУ-114" и прикинем, какой вес этих воздушных гигантов приходится, скажем, на одну лошадиную силу их двигателей. Получается, что у самолетов это соотношение составляет 14 кг, у орла в пересчете на мощность его живого "двигателя" оно равно 70 кг, у обыкновенного аиста — даже 135 кг. Вот и выходит, что летательный механизм аиста почти в 10 раз экономичнее, чем у самых совершенных самолетов.

Экономичность полета пернатых проявляется особенно наглядно во время их длительных миграций. Чибисы, например, перелетают из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрывая расстояние в 3500 км без остановки. Почти фантастическим кажется перелет кроншнепов, гнездящихся на Аляске и зимующих на островах Таити, на Гавайских островах и т. п. Весь путь протяженностью в 9500 км (более 3000 км над морем), они, видимо, проделывают без отдыха. Некоторые буревестники гнездятся на островах Тристак-да-Кунья, отстоящих от ближайшей суши на 2400 км, и при этом проделывают путь в одну сторону более 10 000 км. Птицы летят без отдыха как над водными пространствами, так и над пустынями. За время своего "беспосадочного" перелета они проделывают огромную мышечную работу. Так, например, перелет мелких певчих птиц через Сахару длится 30-40 час. За это время каждая пернатая путешественница при 4 — 5 взмахах крыльев в секунду поднимает и опускает их около 500 тысяч раз!

Пройдя строжайший естественный отбор и вместе с тем совершенствуясь в полете на протяжении многих миллионов лет, птицы превзошли созданные людьми первоклассные летательные аппараты и в маневренности. Этому прежде всего способствуют прекрасные аэродинамические формы птиц. Клюв, голова, шея плавно выгнуты в полете, ноги поджаты и почти не выступают из корпуса, напоминая убранное шасси самолета. Известна, например, порода голубей, которые во время полета неоднократно перекувыркиваются, или авторотируют, не теряя при этом равновесия. Виртуозно летает альбатрос. Он может летать несколькими способами: махая крыльями, паря в восходящем потоке воздуха и подпрыгивая на встречных "волнах" (двигаясь с порывами ветра). И все это благодаря совершенной аэродинамической форме крыльев. Сокол сапсан в горизонтальном полете развивает скорость около 90 км/час, но, увидев жертву, он немедленно бросается на нее с высоты и, пикируя, достигает скорости 360 км/час. Промахнувшись, он короткой дугой, без взмаха крыльями снова поднимается в небо. Попутно небезынтересно отметить, что пикирование сапсана долго не давало покоя всем ученым, пытавшимся разрешить проблемы бомбометания с пикирования. Некоторые фигуры высшего пилотажа выполняют и ласточки, полет которых отличается значительной быстротой (до 120 км/час!) и маневренностью. Хорошо летают летучие мыши. В полете они мастерски маневрируют, а некоторые из них даже могут "висеть" в воздухе на одном месте. Такими же способностями обладают жаворонок, зимородок и пустельга. Но, пожалуй, пальму первенства в маневренности следует отдать самым маленьким представителям пернатого мира — колибри. Эти птички-невелички (весом от 2 до 6 2 при длине туловища 15 — 20 мм) с оперением, которое можно сравнить с блеском драгоценных камней, носят романтичные, красивые названия, вроде "ТО-пазовый колибри", "эльф украшенный", "орлиный клюв", "синяя борода"; в погоне за насекомыми они развивают на спринтерских дистанциях скорость до 100 км/час. Некоторые виды колибри поднимаются в горы до высоты 4000 м и выше, где из позвоночных животных встречаются лишь одни могучие кондоры. Стремительная в полете птичка-невеличка может останавливаться в воздухе и, не переставая работать крыльями, подолгу "висеть" неподвижно в одной точке, словно крохотный вертолет. Она может даже летать "боком" и "задним ходом". Такая высокая маневренность полета достигается большой частотой взмахов крыльев (более 50 взмахов в секунду) и тем, что колибри машут крыльями не вертикально, как все птицы, а горизонтально (это позволяет им, в частности, летать хвостиком вперед!).

Разве не заманчиво творцам современных воздушных лайнеров, располагая столь блестящими примерами природы, довести экономичность и маневренность своих кораблей до уровня, достигнутого птицами? На сей счет, нам думается, двух мнений быть не может.

Но прежде чем изложить, как этого можно достичь, необходимо, хотя бы кратко, рассмотреть механическую схему полета птиц.

Рис. 16. Разложение сил, действующих на крыло птицы во время полета. R — сила полного сопротивления воздуха; Р — подъемная сила; Q — сила лобового сопротивления; Q' — сила тяги; G — вес птицы; ab — хорда крыла; а — угол атаки. I — птица летит на неподвижно распростертых крыльях, используя приобретенную ранее скорость; V — направление полета птицы. II — птица летит с помощью взмахов крыльями; направление взмахов вертикально и совпадает с силой тяжести (или имеет строго противоположное направление); V — истинное направление движения крыла, определяемое в результате вертикального движения крыла относительно туловища и горизонтального движения вместе с туловищем

Для простоты представим себе сначала, что птица, работая крыльями, приобрела уже известную скорость и теперь использует ее, продолжая полет на неподвижно распростертых крыльях. При этом птица испытывает сопротивление движению со стороны воздуха, которое мы изобразим в виде силы R, называемой силой полного сопротивления воздуха. Ее можно разложить по известному правилу параллелограмма на две составляющие: силу Р, направленную по вертикали, и перпендикулярную ей силу Q (рис. 16, I). Первая сила Р направлена вверх и стремится поднять крыло, поэтому ее называют подъемной силой. Если подъемная сила равна весу птицы, то высота полета не изменяется, птица летит горизонтально. Если же сила Р больше веса птицы, последняя поднимается вверх; если она меньше веса, то происходит потеря высоты, птица снижается. Сила Q тормозит поступательное движение и называется силой лобового сопротивления.

Если сила лобового сопротивления больше силы тяги, то движение замедляется, в противном случае движение ускоряется, и, наконец, в случае равенства сил тяги и лобового сопротивления скорость движения остается постоянной.

Откуда же возникает сила тяги? При взмахе крыла вниз составляющие силы распределяются несколько по-иному, чем в только что разобранном случае. Сила Р по-прежнему направлена вверх и уравновешивает силу тяжести, а перпендикулярная ей сила Q' направлена вперед и создает тягу. Разложение сил при всевозможных положениях крыла показывает, что сила тяги может возникать и при поднимании крыла (рис. 16, II). Определяющим моментом в этом случае служит знак так называемого угла атаки, т. е. угла между хордой крыла и направлением набегающего на него воздушного потока.

Итак, чем больше подъемная сила по сравнению с лобовым сопротивлением, тем эффективнее полет, тем выше так называемое качество летательного аппарата. В свете сказанного всю историю авиации, в сущности, можно свести к решению следующей важнейшей задачи: увеличить подъемную силу и уменьшить вредное лобовое сопротивление. Главными способами борьбы с лобовым сопротивлением до последнего времени были "зализывание" форм самолета и уменьшение угла атаки.

Но можно ли уменьшать угол атаки до бесконечности? Нет! Существует определенный предел, ниже которого полет самолета становится невозможным. Но это в том случае, когда крыло неподвижно. А если заставить его двигаться подобно птичьему? Оказывается, что тогда можно достичь максимума подъемной силы и свести к минимуму лобовое сопротивление!

Таким образом, для резкого повышения экономичности полета современных самолетов нужно прежде всего перейти к машущему полету. Но осуществить его, а главное — достичь желаемого эффекта — задача далеко не простая даже в наш XX век, век, казалось бы, безграничных возможностей науки и техники.

Лет двадцать пять тому назад много говорили и писали в Германии о некоем Эрихе фон Хольсте, который изготовил несколько механических птичек. Они были маленькие, совсем как настоящие, и, представьте себе, летали! Окрыленный успехом, Эрих фон Хольст задался целью построить орнитоптер — летательный аппарат с машущими крыльями. За Хольстом последовали многие изобретатели различных стран. Строили махолеты, или, как их еще называют, птицелеты, самых различных конструкций. Один из таких махолетов весил больше полутонны, площадь его крыльев достигала 30 м2, они делали от 25 до 90 взмахов в минуту. По расчетам, такой орнитоптер способен был поднять не одного, а даже нескольких пассажиров. Однако взлететь ему так и не удалось: не хватило подъемной силы. Другие махолеты, едва оторвавшись от земли, неизменно тотчас же падали...

Почему же зарубежные изобретатели потерпели в своих первых попытках создания махолета неудачу? Все дело в том, что Хольст и его последователи пытались слепо копировать природу, забывая, а быть может, попросту не зная того, что законы, характерные для полета птиц, не подходят для больших летательных аппаратов с машущими крыльями. Одно дело — аэродинамика обычного самолета с неподвижным крылом, другое дело — аэродинамика машущего крыла. Несмотря на то, что человечество начало изучать полет птиц со времен Леонардо да Винчи, до сих пор тайна этого феномена еще полностью не разгадана.

Раскрыть секреты феноменальной подъемной силы птичьего крыла, постигнуть закономерности полета пернатых, переложить их на инженерный язык, взять у летающих "конструкций" живой природы все самое выгодное, найти новые законы для постройки махолетов — этим сейчас увлечены бионики многих стран. Правда, далеко не все инженеры-авиастроители разделяют идею перспективности машущего полета, однако число приверженцев махолетов с каждым годом непрерывно растет. Только в одной Москве их около тысячи.

Вот уже более 15 лет в столице нашей родины работает Комитет машущего полета Федерации авиационного спорта СССР. Инженеры и рабочие, летчики и биологи, кинематографисты и орнитологи, математики и скульпторы в тесном содружестве с учеными Института морфологии животных им. А. Н. Северцева АН СССР — доктором наук Г. С. Шестаковой и кандидатами наук Т. Л. Бородулиной, В. Э. Якоби, И. В. Кокшайским исследуют механику и аэродинамику полета птиц, строят модели орнитоптеров, сооружают различные испытательные стенды для изучения механизма действия крыльев и т. п. И если бы вам, читатель, довелось солнечным октябрьским утром 1962 г. побывать на одном из подмосковных аэродромов, то вы бы увидели первые результаты упорного и кропотливого труда этого большого коллектива энтузиастов машущего полета...

По бетонной дорожке, плавно взмахивая гибкими крыльями девятиметрового размаха, мчался необычный летательный аппарат. Сильная струя воздуха, отбрасываемая машущими крыльями, заставляла никнуть траву по краям дорожки. Набрав скорость 25 — 30 км/час, аппарат начал подпрыгивать. А еще через несколько секунд его колеса повисли в воздухе. Аппарат летал над аэродромом недолго, так как программа испытаний была рассчитана только лишь на проверку тяги и подъемной силы. Однако первый же экспериментальный полет показал, что даже при очень небольшой скорости — вдвое меньшей, чем требуется самолету, — махолет с маломощным моторчиком в 18 л.с. легко отрывается от земли.

Спустя полтора года, точнее, 19 апреля 1964 г., на стадионе "Динамо" в Москве были проведены соревнования нескольких моделей аппаратов с машущими крыльями. Присутствующие на соревнованиях воочию убедились, что полет на таких аппаратах абсолютно безопасен, так как махолет может садиться при нулевой поступательной скорости. А если вдруг в воздухе откажет двигатель? Это не страшно: махолет плавно спланирует на распластанных крыльях.

Итак, за последние годы в нашей стране несомненно достигнуты определенные успехи в моделировании полета птиц. Но это отнюдь не значит, что проблема машущего полета уже решена и мы можем завтра приступить к созданию орнитоптеров, которые будут более экономичными и маневренными, чем самые лучшие современные самолеты. Для эффективного моделирования полета птиц необходимо не только убедиться в том, что наша модель обладает теми или иными свойствами или особенностями, но и разработать методы расчета заранее заданных технических характеристик устройства, а также методы их синтеза, обеспечивающие достижение требуемых в поставленной задаче показателей. Иными словами, чтобы успешно моделировать полет птиц, необходимо располагать теорией их полета. А такой теории, к сожалению, пока нет.

Разработка теории машущего полета — задача чрезвычайно трудная. Не говоря уже об очень большой сложности физической схемы исследуемого процесса, здесь, в отличие от аэродинамики обычного самолета с неподвижными крыльями, приходится сталкиваться с массой новых величин и функциональных зависимостей, которые следует соответствующим образом учитывать. Например, рассматривая машущее крыло, мы встречаемся с такими новыми по сравнению со случаем неподвижного крыла показателями, как угловая скорость, число взмахов, амплитуда взмаха, ускорение в разных фазах взмаха; переменными становятся такие бывшие константами в случае неподвижного крыла величины, как установочный угол, угол атаки, сами аэродинамические силы в разных фазах взмаха и т. д. Отсюда неизбежно вытекают сложность в осуществлении экспериментальных исследований и затруднения в теоретическом обобщении их результатов.

Однако в наше время имеется немало совершенных технических средств и методов, позволяющих в значительной степени облегчить или даже обойти ряд трудностей, встречающихся при исследовании различных летных показателей птиц. Достаточно упомянуть, например, радары, используемые для определения высоты полета птиц, скоростные кинокамеры, применяемые для определения частот, амплитуд и скоростей взмахов крыльев, телеметрическую аппаратуру, используемую для измерения физиологических показателей летящей птицы, и др. Благодаря этой технике надежность и точность экспериментальных исследований в последнее время значительно повысились. Очень многое дает при изучении закономерностей полета птиц применение методов сравнительных исследований (разумеется, в том случае, когда внимание в равной степени обращено на морфологию, физиологию и экологию сравниваемых биологических объектов). В природе существует огромное многообразие типов полета птиц. Это многообразие определяется не только количеством видов птиц, но и тем, что каждый вид может использовать несколько типов полета. При сопоставлении птиц разных видов, различающихся теми или иными особенностями полета, выявляется взаимосвязь между изменением искомых параметров или конструктивных особенностей летательного аппарата. Конкретными примерами успешного применения упомянутого подхода могут служить выяснение значения аллометрии крыльев птиц и расшифровка механизма бессрывного обтекания, связанного с управлением пограничным слоем.

До реактивной авиации мы практически не управляли пограничным слоем воздуха, обтекавшим крылья. Ставили, правда, закрылки на аэродинамические гребни, чтобы воздушные потоки не перетекали по крылу. Но ведь у птиц нет никаких "аэродинамических гребней". Как они управляются без этих приспособлений? Ведь пограничный слой возникает и у птичьих крыльев.

Для объяснения этого появилась очень смелая и, можно даже сказать, дерзкая гипотеза: птицы обладают "чувством потока", активно управляют пограничным слоем. Они умеют направлять поток в любую нужную им сторону. Однако для того, чтобы гипотеза стала достоверной научной истиной, нужны веские, убедительные доказательства. Их поисками занялась Т. Л. Бородулина. Она обследовала и сравнила строение крыльев многих хороших и плохих летунов и установила следующее:

"Плавность обтекания птицы потоком воздуха при полете в большой степени зависит от микроструктуры перьев. У быстро и много летающих птиц лучи второго порядка (или бородочки) имеют широкую основную часть в виде тонкой пластинки, переходящую в длинную тонкую нить (пенулу). В месте перехода обычно бывает несколько шипообразных зубцов. Благодаря такому строению перьев происходит дробление воздушного потока по телу птицы на многочисленные мельчайшие потоки и бессрывное и плавное их стекание, что имеет существенное значение для уменьшения лобового сопротивления. Кроме того, пластинки основной части луча второго порядка расположены под положительным углом атаки к направлению полета и можно предположить, что это обеспечивает отсос части воздуха, препятствует отрыву ламинарного слоя и образованию турбулентных потоков.

Рельеф поверхности крыла — бороздчатый, что обеспечивает требуемое направление потоков воздуха, обтекающих крыло. На верхней стороне крыла у всех птиц бородки расположены более или менее веерообразно: они расходятся к заднему краю крыла, что увеличивает скорость прохождения потоков воздуха по крылу. На нижней же стороне бородки направлены иначе. У птиц с быстрым полетом (например, у уток) линии рельефа на нижней стороне крыла S-образно изогнуты и сходятся к основанию крыла. Это вызывает торможение потоков воздуха или их завихрение на нижней поверхности крыла. Вследствие различия скоростей прохождения воздушных потоков сверху и снизу крыла увеличивается подъемная сила последнего.

Предварительное продувание крыла с наклеенными шелковинками убедило нас в том, что на нижней поверхности крыла воздушные потоки отклоняются соответственно направлению бородок".

В настоящее время учеными изучено 14 различных характеристик живого крыла (влияние структуры перьев, уравновешивание крыла в движущемся потоке и др.). Дальнейший успех в разрешении множества вопросов, связанных с практическим осуществлением машущего полета, сейчас, очевидно, в значительной мере будет зависеть от того, насколько биологам, аэродинамикам, математикам, физикам и механикам удастся совместить результаты, добываемые при морфо-экологическом исследовании птиц, с современными теоретическими представлениями аэродинамики.

Однако уже сегодня ясно, что формула крыла орнитоптера не будет похожей на формулу крыла птицы. Иначе крыло махолета должно было бы иметь бороздки. По-видимому, кое-какие особенности будут отличать и другие элементы крыла. Некоторые ученые утверждают, что будущий птицелет "...будет тем полнее отвечать требованиям человеческой практики, чем меньше он будет представлять собою точную копию птицы...". Но не будем забегать слишком далеко вперед, строить прогнозы о том, что будет и чего не будет в махолете от летательного аппарата птицы. Сегодня, нам думается, важно другое: наметился путь, идя по которому ученые, несомненно, разгадают тайну полета птиц. И когда будет создана стройная физическая теория машущего полета, адекватная высокой сложности явления, инженеры, безусловно, построят махолеты — неприхотливые, экономичные, маневренные машины. Человек будет летать, как голубь или альбатрос, а может быть, и лучше.

Помимо изучения полета птиц у человека имеется еще один путь решения проблемы машущего полета.

Старинная восточная легенда рассказывает о мудреце, который сделал летательную машину с машущими крыльями, похожую на огромное насекомое. Когда мудрец узнал, что враги хотят похитить машину, он сжег ее. Так навеки была потеряна тайна конструкции механической стрекозы. Эта и многие другие легенды повествуют о том, что еще в далекой древности зародилась идея постройки летательного аппарата по принципу насекомого — энтомоптера[2]. Однако до последнего времени интересные особенности полета насекомых сравнительно мало привлекали внимание инженеров — конструкторов летательных аппаратов. Объяснить это можно лишь одним: полет насекомых — очень сложный процесс. Он таит в себе сотни загадок, ответ на которые еще не найден. Так, например, согласно чаконам современной аэродинамик майский жук летать не должен. Однако, ниспровергая всю нынешнюю теорию полета и сбивая с толку специалистов по аэродинамике, это насекомое все же летает. Для того чтобы летать, майский жук при среднем весе 0,9 г должен иметь коэффициент подъемной силы (относительная величина, пропорциональная подъемной силе) от 2 до 3, фактически же у этого насекомого коэффициент подъемной силы меньше 1!

Известно, что коэффициент подъемной силы наиболее совершенных крыльев, созданных самолетостроителями, колеблется от 1 до 1,5. Следовательно, крыло жука, хотя и кажется несовершенным, обеспечивает сравнительно большую подъемную силу. Этим обстоятельством заинтересовались ученые Нью-Йоркского университета. Для изучения полета майского жука они сконструировали в натуральную величину искусственное крыло (чтобы точно воспроизвести работу крыла, исследователи долго и внимательно анализировали кинопленку, на которой методом скоростной съемки был заснят полет жука). Экспериментальная установка позволяла измерять смещение крыла величиной 0,000025 см. Недавно руководитель проводимых исследований Леон Беннет заявил: "Если мы сумеем определить аэродинамику полета майского жука, мы или обнаружим какое-то несовершенство в современной теории полета насекомого, или откроем, что майский жук обладает каким-то неизвестным нам способом создания высокой подъемной силы".

Однако оставим в покое майского жука и обратимся к другим летающим насекомым, которых в природе насчитывается более 350 000 видов.

По-видимому, среди животных насекомые стали летать первыми. Во всяком случае, достоверно известно, что летающие насекомые появились на Земле более 300 миллионов лет назад. Далеко не все насекомые хорошо летают. Едва ли не большинство составляют посредственно и плохо летающие виды. Но есть множество форм, которые летают превосходно. Полет насекомых в основном определяется двумя факторами: характером мышц крыла и строением самого крыла. Так, у златоглазки — одного из немногих доживших до нашего времени представителей когда-то процветавшей группы сетчатокрылых — мускулатура передних и задних крыльев одинакова по мощности. Обе пары крыльев похожи по форме и величине. Летные возможности златоглазки практически ничтожны: судорожные взмахи крыльев позволяют ей достичь в лучшем случае скорости 60 см/сек. Такие же плохие летуны скорпионовы мухи и некоторые дневные бабочки, у которых передняя и задняя пары крыльев почти одинаковы или, во всяком случае, работают одинаково, да еще не синхронно, а "вразнобой". Исключение составляют лишь стрекозы; сохранив одинаково развитые пары крыльев, они тем не менее обладают превосходными летными качествами. Но у стрекоз совсем особое устройство крыловой мускулатуры — их "крыловый мотор" (крыловая скелетно-мышечная система) высоко специализирован. Главную роль в полете стрекоз играют мышцы прямого действия.

Кроме того, переднее крыло стрекозы далеко отодвинуто от заднего и они не соприкасаются друг с другом. У всех остальных современных видов насекомых в процессе эволюции одна пара крыльев усилилась за счет другой.

Здесь невольно сама собой напрашивается аналогия: подобно тому как творцы самолетов заменили старые, тихоходные "этажерки" — бипланы и трипланы — монопланами, природа помогла многим четырехкрылым насекомым усовершенствовать свой летательный аппарат, избавив или почти избавив его от лишней пары крыльев. У двукрылых — мух, слепней, комаров — задние крылья исчезли не бесследно, а превратились в жужжальца. Каждое жужжальце состоит из вздутого основания, тонкой ножки и вздутой головки и имеет вид булавы. Эти жалкие остатки задних крыльев не играют активной роли в полете, а лишь косвенно связаны с ним: они, говоря инженерным языком, выполняют функции стартера. Так как многие двукрылые взлетают на высоком ритме ударов крыльев, жужжальца способствуют "разгону" крыловых мышц. Постепенно ускоряя ритм своих движений, жужжальца вызывают соответствующие ритмические события в тех частях нервной системы насекомого, которые управляют крыловой мускулатурой. Когда достигается нужный ритм, включается собственно двигательный аппарат — "мотор крыла" сразу начинает работать полным ходом, что и требуется для взлета. У перепончатокрылых же переднее и заднее крылья сцеплены друг с другом, образуя механическое целое без всяких, однако, сращений. Переднее крыло пчелы, например, имеет на заднем краю складку — "карман". В него входят загнутые крючки переднего края заднего крыла, и последнее оказывается как бы на буксире у переднего и работает в унисон с ним (рис. 17, а). Почти так же устроен сцепочный механизм у тлей (рис. 17, 6, в, г), с той лишь разницей, что крючков здесь немного и они тесно сближены. Бабочки имеют иные сцепочные механизмы — толстые щетинки на нижней стороне заднего крыла входят в складку на переднем крыле. У многих высших форм этих приспособлений нет и крылья связываются посредством широкого наложения переднего на заднее. Но важен не способ соединения, а результат: у всех перепончатокрылых переднее и заднее крылья каждой стороны крепко скреплены и работают как одно целое. Таким образом, выражение "четырехкрылые" не следует понимать буквально. Морфологически четырехкрылое построение является функционально двукрылым.

Рис. 17. Механизмы сцепления крыльев у пчел (а) и у тлей (6, в, г)

Рассмотрим теперь устройство крыла насекомого. На первый взгляд твердое, сухое крыло мухи или бабочки кажется безжизненным образованием. Но в действительности это далеко не так. В него входят нервы, внутри крыла имеется даже (правда, не у всех насекомых) кровообращение. Крыло насекомого — это изумительное "инженерное" творение природы, достойное восхищения техников. Оно разделяется на две механически различные компоненты: жилки и мембрану. Жилки, будучи построены по типу полых трубок, представляют собой чрезвычайно прочные образования. Но площадь, занимаемая ими в крыле, весьма незначительна, так как они очень тонки. Промежутки между жилками, ячейки, затянуты тонкой прозрачной мембраной. Последняя занимает большую часть площади крыла и очень гибка. Однако, будучи разделена на ячейки, натянутые на прочный каркас жилок, она приобретает значительную прочность. В общем, совокупность жилок и мембраны напоминает распущенный зонт с материей, натянутой на стальные прутья. Такое строение обеспечивает обширную гребную поверхность крыла при минимальной затрате материала и минимальном весе. Работа крыла характеризуется частотой взмахов. У насекомых же частота ритмических ударов крыльями очень велика. Ночные бабочки делают от 35 до 45 взмахов в секунду, стрекоза коромысло — от 80 до 100, оса — ПО, шмель — от 180 до 240, комнатная муха — 330, медоносные пчелы-от 180 до 340, комары — около 600 взмахов в секунду. Комары толкунчики, рои которых часто вьются столбом, предвещая хорошую погоду, делают 800 взмахов в секунду, а комары дергуны и комары мокрецы — даже до 1000 взмахов в секунду! Такой высокий ритм работы крыльев (а он присущ большинству хорошо летающих форм) убедительно говорит о колоссальной прочности крыльев. Крыло насекомого "оснащено" большим количеством разнообразнейших микроскопических органов чувств. Крохотные колбочки, щетинки, волоски, различаемые лишь при многократном увеличении под микроскопом, сложные устройства, называемые хордотональными сенсиллами, — вся эта удивительная аппаратура помогает насекомому отлично ориентироваться в пространстве. Одни органы регистрируют скорость встречного потока воздуха, другие выполняют осязательную функцию, третьи регистрируют крутящие моменты в разных направлениях. Остается только пожелать, чтобы самолеты будущего располагали комплексом столь точных, малогабаритных и высоконадежных в работе приборов!

Характер полета насекомых чрезвычайно разнообразен. Некоторые виды могут парашютировать. Такой полет наблюдается при роении поденок; при этом насекомое, взлетев вертикально на 1 — 2 м вверх и остановив крылья в несколько приподнятом положении, медленно падает вниз. В замедлении спуска, кроме крыльев, большую роль играют длинные хвостовые нити. Вследствие сопротивления воздуха они раздвигаются, загибаются концами вверх и тянут за собой и конец брюшка. Когда насекомое снова начинает работать крыльями, набирая высоту, хвостовые нити сближаются, их концы загибаются вниз и брюшко опускается. Таким образом, это настоящий парашютный спуск, но здесь парашютируют не только плоскости крыльев, но и хвостовые нити. Крупным формам свойствен планирующий полет: насекомое "выключает мотор" и в течение некоторого времени движется вперед — планирует. Например, крупная бабочка перламутреница планирует в течение 20 сек со скоростью 1 — 3 м/сек, а крупная стрекоза, используя на высоте 3 — 4 м токи воздуха, восходящие от нагретой почвы и растительности, может планировать до 4 — 5 мин. Но поскольку планирующий полет требует большой абсолютной величины крыла, он не получил большого развития у насекомых.

Основной формой полета насекомых является гребной полет, т. е. полет в результате непрерывных ритмических взмахов крыльями. Познакомимся теперь с механизмом гребного полета, с аэродинамическим эффектом движения крыла на двух схемах Маньяна (рис. 18). На первой схеме (А) показана стадия опускания крыла, на второй (Б) — стадия его подъема.

В полете крыло насекомого работает то верхней, то нижней поверхностью, поворачиваясь вокруг продольной оси насекомого. Когда крыло переходит из положения I в положение IV, оно бьет сверху вниз своей нижней поверхностью (положения II и III показывают это особенно ясно). Возникает подъемный эффект, в результате которого тело насекомого поднимается вверх. При переходе из положения IV в V крыло поворачивается вокруг продольной оси и, пройдя через вертикальное положение, переходит в наклонное — нижним краем вперед. После этого начинается обратное движение крыла, т. е. его подъем вверх, изображенный на схеме (Б). Нетрудно увидеть, что, переходя из положения VI в VII и VIII, крыло, словно весло, ударяет спереди назад. Вследствие этого тело насекомого получает толчок вперед. Дойдя до крайней верхней и задней точки, крыло снова поворачивается около своей продольной оси, затем принимает горизонтальное положение, и цикл повторяется вновь. Первую часть траектории крыла называют подъемной, или элеваторной, вторую — пропеллирующёй. За полный цикл вершина крыла описывает по отношению к телу насекомого восьмеркообразную кривую, наклоненную верхним концом назад, или лемнискату, которая при движении растягивается в кривую, напоминающую синусоиду (рис. 19). Благодаря большой частоте взмахов элеваторный эффект аэродинамически сливается с пропеллирующим, и насекомое движется вверх и вперед. Таким образом, согласно теории Марея — Бюлля — Маньяна, принцип работы крыла насекомого столь же прост, сколь и совершенен.

Рис. 18. Правое крыло летящего насекомого в основных положениях I — VIII. Вид сзади (вверху), сбоку (в середине) и сверху (внизу). Обращенная к зрителю вентральная поверхность заштрихована накрест, когда она видна, и косо, когда она заслонена туловищем (по Маньяну)

Итак, крыло насекомого в полете все время меняет свое положение относительно тела и воздуха, постоянно меняет угол атаки и скорость. Это открывает огромные возможности для активного воздействия на угол атаки, потому что всегда можно подобрать такие режимы взмаха, чтобы свести лобовое сопротивление к минимуму.

Вот наглядное тому подтверждение. Недавно советские инженеры Н. В. Погоржельский, И. Н. Виноградов и Г. А. Гладких спроектировали по принципу работы крыла насекомого ветряк.

Использование в его конструкции восьмеркообразного взмаха (особыми добавочными и подвижными лопастями) принесло ощутимый эффект по сравнению с работой обычных ветряков. Такой ветряк может работать при очень малых скоростях ветра и практически бездействует только при полном штиле.

Рис. 19. Траектория, описываемая концом крыла насекомого. Вверху — относительно его тела, внизу — относительно неподвижного наблюдателя (по В. Ковалеву и С. Ошанину)

Гребной полет имеет у насекомых различные формы. Он является предпосылкой для планирования и парашютирования, а главное — позволяет достигать больших скоростей. В 1937 г. в одном из солидных американских журналов появилось сообщение о том, что определенный вид мух способен летать со скоростью до 1554 км/час. Публикация была воспринята по-разному: одна часть читателей была ошеломлена сообщением, другая — приняла сенсацию восторженно. Но все это длилось недолго — возмущенные физики заявили, что в рамках элементарных законов природы полет мухи со сверхзвуковой скоростью невозможен. Однако скорости перемещения насекомых достаточно велики. Тот, кому приходилось гоняться за бабочками, знает, что и капустница, и белянка, и бабочка адмирал, если они вздумали лететь на дальнее расстояние, мгновенно превращаются из еле-еле порхающих созданий в скоростные махолеты, способные развивать скорость до 40 км/час. Во всяком случае, угнаться за ними — дело совершенно безнадежное. Известен случай, когда бабочка данаида, выпущенная в Бристоле, пролетела за 5 час около 130 км.

Точно определить абсолютные скорости полета насекомых в естественных условиях очень трудно. Карл фон Фриш, например, выпускал занумерованных пчел на большом расстоянии от улья, куда они немедленно возвращались. Моменты выпуска и возвращения в улей точно регистрировались. В этих опытах скорость полета равнялась 23,5 км/час. Другие исследователи установили, что медоносная пчела может летать со скоростью до 50 км/час. Французский ученый А. Маньян (1934 г.) прикреплял к телу насекомого тонкую нить, которая сматывалась с легко вертящегося барабана, и таким образом определял скорость полета насекомых 30 видов. Однако этот метод далеко не безупречен, поскольку вес нити и трение оси барабана, несомненно, уменьшали скорость полета насекомых. Ныне, используя комплекс новейших методов и средств исследования, ученым все же удалось получить достаточно достоверные данные о скорости полета ряда насекомых. Так, майские жуки пролетают в секунду до 3 м, шмель — до 5 м, жуки-навозники — до 7 м, стрекозы — до 10 м. Бабочка олеандровый бражник — жительница средиземноморских тропиков — по неизвестным причинам нередко прилетает к берегам Балтийского моря. Расстояние в 1200 км она покрывает менее чем за сутки, т. е. летит со средней скоростью 15 м/сек, или 54 км/час. Из известных нам насекомых наибольшей скоростью горизонтального полета, по-видимому, обладает крупная стрекоза дозорщик. Не раз наблюдалось, что она подолгу сопровождала в полете учебный самолет, летевший со скоростью 144 км/час и более, и временами даже обгоняла его!

Абсолютные скорости полета насекомых зависят от длительности полета, температуры воздуха, скорости и направления ветра и ряда других параметров. Но при всех благоприятных условиях абсолютная скорость насекомых, за исключением таких, как бабочки бражники, стрекоза дозорщик, все же очень мала, в десятки раз меньше, чем у современных самолетов. Сравним скорости самолета со скоростями птиц и насекомых. Если скорость самолета равна 900 км/час, то для стрижа она равна 100, для скворца 70, для вороны 50 и для шмеля 18 км/час. Зато не может не вызвать самого большого восхищения относительная скорость полета насекомых. Если сравнить относительные скорости для тех же примеров, т. е. подсчитать, сколько раз за единицу времени данный летун успеет отложить длину своего тела в полете, то оказывается, что относительная скорость больше всего у насекомого и меньше всего у самолета!

Большинство насекомых (даже хорошо летающих), видимо, ограничивается небольшими перелетами. Так, медоносная пчела летает за нектаром на расстояние (в среднем) 1,5 — 2,25 км. Но для того, чтобы собрать 400 г меда, она должна, по расчетам пчеловодов, совершить от 40 до 80 тысяч полетов, т. е. в общей сложности должна пролететь расстояние, равное двум окружностям Земли! Известно немало случаев "беспосадочного перелета" насекомых из одной местности в другую, находящуюся на большом расстоянии от первой. В Японии, например, часто наблюдается перелет стрекоз между островами, удаленными друг от друга на 50 — 60 км. Известны перелеты лугового мотылька из Кокчетава в Актюбинск и другие пункты на расстояния 400 — 450 км. Зарегистрированы случаи перелетов роев саранчи через Красное море, где промежуточные посадки исключены. В научной литературе имеются указания на то, что австралийских стрекоз ловили в открыто океане на расстоянии 1540 км от их родного материка. Многие бабочки (среди них наши адмиралы) проделывают путь в Африку, а следующее поколение возвращается обратно в Европу. Одной из рекордсменок по дальности полетов является американская крупная бабочка данаис — она перелетает из Мексики в Канаду и Аляску, покрывая, таким образом, расстояние до 4000 км.

Разумеется, при таких перелетах нельзя не учитывать воздушных течений. Но как бы то ни было, собранные учеными данные убедительно говорят о том, что маленькие, нежные на вид существа — насекомые (речь идет о насекомых отдельных видов) способны находиться в воздухе в течение многих часов и' преодолевать гигантские расстояния. Этим они, безусловно, обязаны совершенству своего летательного аппарата и главным образом высокой экономичности работы своего "мотора". По экономичности полета многие насекомые превзошли даже птиц. Так, саранча в полете теряет примерно 0,8% своего веса за час полета. "Горючим" для ее мышечного двигателя служат жировые запасы. У тех насекомых, которые расходуют в полете углеводы, потери веса больше: например, плодовая мушка дрозофила теряет за час полета 7 — 10% своего веса. Интересный расчет экономичности полета пчелы произвел кандидат биологических наук Ю. М. Залесский. Вес пчелы с грузом нектара и пыльцы равен примерно 0,2 г, вес мышц, приводящих в движение крылья, составляет меньше 15 % веса насекомого. Если пчела пролетает от места сбора нектара и пыльцы до улья 3 км, то совершенная ею работа исчисляется в 0,6 кгм. Известно, что 1 кгм работы соответствует 0,0024 ккал. Следовательно, произведенная пчелой работа (0,6 кгм) эквивалентна 0,00144 кал. Сгорая в организме при совершении работы, 1 г сахара дает 4,1 кал. Поэтому пчела, пролетая расстояние в 3 км, расходует только 0,00035 г сахара. В зобе пчелы помещается 0,02 г нектара с концентрацией в нем сахара, равной 20%; иными словами, в зобе находится 0,004 г чистого сахара. Следовательно, даже при расстоянии 3 км полет пчелы вполне рентабелен, так как расход "горючего" — сахара — не превосходит 9 % полезного груза!

Теперь сопоставим приведенные данные с соответствующими данными для летательных аппаратов, созданных человеком. Вертолет расходует за час полета 4 — 5% веса (разумеется, речь идет о топливе), а реактивный самолет — 12%. Как видно, инженерам стоит поучиться искусству экономии горючего в полете у саранчи, да и у пчелы тоже.

Высокая экономичность полета насекомых в значительной степени обусловлена режимом работы их крыльев. Так, скорость взмаха, т. е. скорость, с которой движется конец крыла по отношению к телу насекомого, довольно велика. По Маньяну, у стрекозы она равна (для заднего крыла) 2,75, у пчелы — 5,5 и у каллифоры — 8,4 м/сек. Теперь остановимся на ритме ударов крыла. Полет начинается с редких взмахов, свободно улавливаемых глазом, затем взмахи крыльев становятся значительно чаще и полет сопровождается гудением и жужжанием. Несомненно, что частота последовательных сокращений мышц крыла у насекомых значительно больше, чем у позвоночных. Для сравнения укажем, что черный гриф, у которого размах крыльев превышает длину тела почти в 3 раза, делает в течение секунды всего один взмах; фазаны, куропатки, перепела, рябчики, стремительно перелетающие по прямой, в основном на короткие расстояния, делают в секунду до 5 взмахов крыльями. В отличие от птиц, у хорошо летающих видов насекомых с небольшими крыльями частота взмахов очень высока. Оказывается, что сила, необходимая для удержания в воздухе разных насекомых одинакового веса при помощи взмахов крыльями, обратно пропорциональна частоте взмахов. Насекомое, делающее 55 взмахов в секунду, расходует вдвое больше мощности, чем насекомое того же веса, но делающее ПО взмахов в секунду. Исследования показали также, что при одинаковых условиях вес поднимаемого груза зависит от частоты взмахов крыльями. В этом отношении весьма показателен полет медоносной пчелы. Установлено, что рабочая пчела, вылетающая из улья за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в секунду. Когда же она возвращается с грузом, число взмахов возрастает до 280 — 330. Очевидно, наделяя медоносную пчелу способностью делать очень частые взмахи крыльями, природа имела в виду дать ей возможность нести, помимо веса своего тела, добавочный груз — взяток (нектар, пыльца). Расчеты показывают, что если бы пчела делала не 280 — 330 взмахов в секунду, а 560 — 660, т. е. вдвое больше, то она могла бы переносить по воздуху груз весом в 16 таких же пчел, как и она сама!

Рис. 20. График роста скоростей пассажирских и транспортных самолетов за последние 20 лет (по В. Мясищеву)

Весьма поучительно проведенное учеными сравнение летных характеристик насекомых и летательных аппаратов, построенных человеком. Оказывается, природа испокон веков великолепно "знала" формулу, которую не так давно вывели математики. Эта формула — очень простое соотношение, которое называют числом Рейнольдса[3]. В числителе — произведение размаха крыльев тела на скорость его Движения, в знаменателе — кинематический коэффициент вязкости воздуха v. Так вот, это самое число Рейнольдса — одна из самых важных летных характеристик. Чем больше число Рейнольдса, тем интенсивнее бесчисленные воздушные водовороты, завихрения около крыла самолета, и он тормозится. У современных пассажирских лайнеров число Рейинольдса громадно — порядка миллионов, тогда как для саранчи оно примерно равно 2000!

Рис. 21. График роста длины взлетно-посадочных полос за 20 лет (по В. Мясищеву)

Не менее остро, чем проблема повышения экономичности полета самолетов, ныне стоит вопрос о создании летательных аппаратов, не требующих длинных взлетно-посадочных полос и способных садиться и взлетать почти вертикально. Можно назвать несколько причин, выдвинувших эту задачу в число самых актуальных проблем современности. По утверждению известного советского авиаконструктора В. Мясищева, основная причина — стремительный рост скорости полета самолетов. С 1945 по 1965 г. только у пассажирских и транспортных самолетов скорость выросла в среднем в 2 раза (с 350 — 450 до 700 — 1000 км/час) и практически приблизилась к околозвуковым скоростям (рис. 20). Чем выше скорость самолета, тем больше, как правило, и его пробег при посадке. Головокружительная скорость при посадке, достигающая 250 — 300 км/час, требует огромных посадочных полос. За последние 25 лет их длина увеличилась более чем в 3 раза — с 700 — 800 м до 2,5 — 3 км (рис. 21). Столь большие размеры взлетно-посадочных полос и чрезмерно высокий уровень шума, создаваемого мощными двигательными установками, заставляют располагать аэродромы далеко за пределами городов. В результате мы оказались свидетелями своеобразного парадокса: увеличение скорости полета на маршрутах средней протяженности весьма мало сказывается на сокращении общей продолжительности путешествия. Например, на маршруте Москва — Ленинград чистое время полета равно 50 мип и составляет примерно 1/₃ от общего времени, затрачиваемого пассажиром. А остальные 2/3 — больше 1,5 час — приходятся на поездки из города в аэропорт отправления и из аэропорта назначения в город. Вторая причина актуальности проблемы вертикального взлета и посадки связана с появлением тяжелых транспортных летательных аппаратов. Практика показала, что эти аппараты могут успешно решать такие важные народнохозяйственные задачи, как доставка грузов, машин и оборудования в труднодоступные, удаленные от основных дорог районы новостроек. Получаемый при этом эффект значительно возрос бы, если бы транспортные самолеты обладали способностью совершать взлет и посадку на небольшие, специально не подготавливаемые площадки. Необходимость в подобных машинах испытывает и военно-транспортная авиация. Наконец, третья причина носит сугубо военный характер. Так, например, самолеты-перехватчики не имеют времени разгоняться по бетонированным дорожкам аэродромов. Они должны свечой взмывать вверх на перехват противника. Упомянем еще одно обстоятельство. Боевые сверхзвуковые самолеты базируются сегодня на аэродромах с бетонированными взлетно-посадочными полосами длиною до 3,5 км. Не говоря уже о том, что строительство подобных сооружений связано с большими затратами, эти аэродромы легко обнаружить и разрушить. Больше того, но мере развития боевых действий такие стационарные аэродромы могут оказаться на большом удалении от района применения самолетов, эффективность использования которых при этом существенно снизится. Решение этого вопроса связывают также с созданием не зависящих от аэродромов боевых машин с вертикальным взлетом и посадкой.

За последнее время предложено немало способов уменьшения длины разбега самолетов. Здесь и применение ракет, и форсирование двигателей, и т. п. Для сокращения пробега самолетов применяют тормоза, реверсивные винты, тормозные щитки на крыльях и фюзеляже, парашюты и тормозные приспособления, устанавливаемые на посадочных полосах. Все это несколько задержало увеличение размеров аэродромов, но, несмотря ни на что, аэродромы для современных самолетов имеют огромную протяженность. Чтобы избавиться от бетонированных дорожек, иногда применяют взлет со специальной тележки, оставляемой на земле, посадку на лыжи и др.

Рис. 22. Американский экспериментальный вертикально взлетающий аппарат с гибридным несущим трехлопастным ротором

Но все это полумеры. Для истребителя-перехватчика, например, они не подходят. Он должен взлетать и садиться без разбега, с очень небольшой площадки. Не подходят они и для пассажирских и транспортных аппаратов, обладающих высокой скоростью полета и большой грузоподъемностью. И вот десятки и сотни инженеров разных стран продолжают ломать голову над тем, как же решить эту задачу, которая сегодня кажется неразрешимой. Изобретательная человеческая мысль не желает мириться с пессимистическими прогнозами. Стремление решить проблему вертикального взлета и посадки наиболее эффективным образом привело к появлению самых неожиданных проектов летательных аппаратов. Так, конструкторы одной американской фирмы наделили свою новую вертикально взлетающую машину (рис. 22) легким алюминиевым ротором треугольной формы с тремя лопастями по углам. После осуществления взлета ротор выключается, одна из его лопастей "выстраивается" вдоль фюзеляжа, а поднимающиеся из него специальные створки закрывают зазор "лопасть — фюзеляж". Остальные две лопасти при этом превращаются в придатки треугольного крыла и участвуют в создании подъемной силы, удерживающей машину в воздухе. Новый вид вертолета-самолета развивает скорость в горизонтальном полете до 700 км/час. При приземлении аппарата ротор вновь приводится в движение, и машина спускается по вертикали на землю, не требуя аэродрома. Ротор аппарата вращается газовой турбиной. Движение по горизонтали осуществляется на реактивных двигателях, находящихся в конце фюзеляжа. Идею вращающегося треугольного крыла использовали и конструкторы другой американской фирмы. Больше того, они развили ее дальше. В предложенном ими проекте самолета "Гелиплейн" машина снабжена двумя вращающимися треугольными крыльями, но уже без концевых лопастей. Роль последних в создании необходимой вертикальной тяги, по замыслу конструкторов, должны выполнять отклоняющиеся концевые части крыльев. Предполагается, что подобные машины, обладая способностью вертикального взлета и посадки, смогут развивать скорость до 950 км/час. Еще более оригинальный проект вертикально взлетающего пассажирского аппарата предложил немецкий изобретатель Рейнхольд Каллетш. Во время стоянки на земле эта машина должна напоминать самолет без крыльев, опирающийся на телескопические стойки шасси длиной 5 м. Особенностью этого аппарата является подъемное устройство, представляющее собой три вращающиеся в перпендикулярной к фюзеляжу плоскости штанги-спицы, на концах которых шарнирно укреплены эллипсообразные пластины-крылья. На взлете и при посадке для вращения такого составленного из крыльев "винта" должны применяться укрепленные на штангах реактивные сопла, к которым подаются газы от турбореактивных двигателей самого аппарата. Аналогичное устройство, но уже меньших размеров предусмотрено и на хвосте фюзеляжа. Во время вращения "винтов" специальное приспособление будет управлять положением пластин-крыльев с таким расчетом, чтобы они все время находились под некоторым углом атаки к набегающему потоку и, следовательно, создавали необходимую подъемную силу. После осуществления вертикального старта "винты" будут останавливаться, и их пластины-крылья станут выполнять свои традиционные функции.

Можно было бы рассказать по меньшей мере еще о двух десятках "летающих неожиданностей", существующих либо еще только на листах ватмана, либо в виде экспериментальных машин. Однако ни один из предложенных проектов не дает авиаконструкторам права утверждать, что проблема вертикального взлета и посадки решена. Не говоря уже о многочисленных технических трудностях, препятствующих созданию высокосовершенных вертикально взлетающих самолетов, здесь еще приходится считаться с экономической стороной проблемы. Проведенные одной американской фирмой исследования показывают, что стоимость аппаратов вертикального взлета и посадки будет почти вдвое, а эксплуатационные расходы — примерно на 75% больше, чем у современных самолетов. Нет нужды доказывать, что решать проблему вертикального взлета и посадки такой дорогой ценой нельзя.

Где же выход? Да опять-таки в применении "изобретенного" природой механизма машущего полета и прежде всего в моделировании довольно широко распространенного среди насекомых "стоячего" полета. Стоячий полет, т. е. полет, при котором организм при помощи крыльев может держаться в воздухе совершенно неподвижно, является разновидностью гребного полета. Все, вероятно, видели летом небольших мух, "висящих" в воздухе как бы в одной точке (при этом тело насекомого большей частью занимает горизонтальное положение). Время от времени они внезапно передвигаются на несколько десятков сантиметров и вновь неподвижно "застывают" в воздухе. Передвижение происходит настолько быстро, что уловить его нельзя, можно лишь убедиться, что муха исчезла с прежнего места и появилась в другом. Это мухи семейства сирфид (журчалки). Их стоячий полет может длиться часами и, по-видимому, не утомляет насекомое. Сирфиды могут "выключать" пропеллирующую часть своего полета, оставляя только подъемную (элеваторную), поэтому они не подвигаются вперед и "зависают" неподвижно в любой точке пространства. Траектория перемещения крыла у них изменена следующим образом. Крыло опускается, не заносясь вперед. Оно ударяет, таким образом, вниз всей своей поверхностью и дает элеваторный эффект. Дойдя до предела опускания, крыло поворачивается на 90° вокруг своей продольной оси передним краем вверх, так что плоскость крыла становится вертикально. В таком положении оно возвращается по прямой вверх, прорезая воздух передним краем, как ножом. При таких условиях поднятие крыла не дает пропеллирующего эффекта и вся работа крыла ограничена элеваторными ударами. Достигнув верхнего положения, крыло поворачивается и снова принимает горизонтальное положение. В эту долю секунды муха успевает "начать падение", завершающееся мягкой вертикальной посадкой, т. е. делает то, на что способен не каждый вертолет. Приведем еще один пример. Пчела, садясь на цветок, на момент неподвижно повисает в воздухе, затем вытягивает вперед все шесть лапок и плавно опускается всей тяжестью своего тела на избранную "посадочную площадку", удерживаясь на ней лапками с цепкими коготками. Полная безопасность посадки! И еще одна деталь. В отличие от вертолета, нуждающегося для посадки в довольно ровной, горизонтальной площадке, пчела и другие насекомые садятся на неровный и часто совсем не горизонтально расположенный предмет, в приведенном примере на цветок. Даже в этой небольшой детали посадки есть чему поучиться у насекомых.

Большой интерес для техники представляет высокая маневренность полета насекомых, умение виртуозно управлять им. Так, бражники развертывают на лету свой длинный хоботок и вводят его в цветок, не присаживаясь. Например, бабочка языкан питается на льянке, у которой вход в венчик закрыт двумя губами. Ориентация хоботка должна быть здесь очень точной, и насекомому в этом помогает работа крыльев. Бражник при этом покачивается в воздухе около цветка вправо и влево. Одними из самых поворотливых в воздухе насекомых являются многие мухи. Так, даже на комнатной мухе, которая не принадлежит к особенно хорошо летающим формам, можно наблюдать, как одна особь гоняется за другой. Муха очень быстро бросается в воздухе из стороны в сторону, а другая муха следует за первой на коротком расстоянии, в точности повторяя траекторию ее полета. Относительно стрекоз, перепончатокрылых и бражников известно, что они могут передвигаться в воздухе не только вперед, но и назад. Немало насекомых способно выполнять в воздухе невероятные "эволюции", вплоть до самых головокружительных фигур "высшего пилотажа". В частности, равно или разнокрылые стрекозы могут вертикально подниматься и опускаться, а затем посредством быстрой авторотации переходить в обычный полет. Одна из сирфид легко делает "бочку" и "мертвую петлю" Нестерова. Более того, она может даже повисать в воздухе в полной неподвижности спинкой вниз! Делается это так: сначала муха занимает нормальное положение, спиной вверх, затем она поворачивается на 90° вокруг продольной оси крыльев головой вверх, затем поворачивается в том же направлении еще на 90° и принимает положение спиной вниз. Весь этот каскад фигур насекомому удается выполнить благодаря очень большой быстроте работы рецепторного и летательного аппаратов и их точной координации. Достаточно сказать, что муха хризотоксум кувыркается в воздухе с такой скоростью, что каждый ее поворот в вертикальной плоскости занимает всего лишь 0,001 сек!

Рассмотренные выше многообразные преимущества летных характеристик насекомых побудили отдельных ученых, инженеров, изобретателей различных стран заняться разработкой энтомоптеров — аппаратов, летающих по тому же принципу, что и насекомые. За последнее время у нас в СССР и за рубежом было создано несколько моделей энтомоптеров. Некоторые из них даже поднимались в воздух. Однако соперниками самолетов и вертолетов эти экспериментальные аппараты, как известно, пока еще не стали по той простой причине, что все конструкции энтомоптеров были созданы без учета необычайно сложной кинематики и аэродинамики крыла насекомого, которое хранит еще десятки нераскрытых секретов.

Но создание энтомоптера уже не фантастика. Это вполне осуществимая машина. Следует лишь иметь в виду, что небольшие размеры насекомых, их малый вес обусловливают совсем другую аэродинамику полета, чем та, которая возможна для больших конструкций. Здесь нельзя основываться только на законах подобия, так как с увеличением размеров энтомоптера до размеров самолета значительно меняются все соотношения между прочностью и гибкостью крыла, частотой взмахов и другими показателями. Вероятно, первые "настоящие" энтомоптеры, созданные с учетом подробных знаний о физическом механизме полета насекомых, будут летательными аппаратами так называемой "малой авиации". Управляемые по радио, они будут служить надежным средством связи, для переброски небольших грузов, для аэрофотосъемки, для подъема аэрологических приборов на высоту и других целей. Далее, энтомоптеры, по-видимому, станут удобным транспортным средством для широких масс населения. Такой махолет по своим размерам, как нам мыслится, не будет больше современного легкового автомобиля, он будет гораздо проще по конструкции, легче в управлении и научиться летать на нем можно будет за несколько дней. Для полета из Москвы в Ленинград потребуется израсходовать не более... десятка литров бензина!

Есть еще один вид махолетов, попытки создания которых почти всегда оканчивались неудачами или едва уловимыми успехами; над ними работали многие поколения изобретателей, а некоторые упорно продолжают трудиться и сейчас. Это — мускульный махолет, или попросту мускулолет. Аппараты с машущими крыльями, напоминающими птичьи, строят из самых легких материалов. Сами изобретатели и их немногочисленные приверженцы и помощники впрягаются в изготовленные ими механизмы и с яростью раскачивают рычаги до полной потери сил в надежде преодолеть земное притяжение. Мускулолеты подбрасывают, разгоняют на велосипедных колесах по наклонной плоскости, дают первый сильный толчок длинными резиновыми шнурами. Однако ничего обнадеживающего из проводившихся до последнего времени экспериментов извлечь не удалось, и многие изобретатели в конце концов пришли к выводу, что "человек не может летать, пользуясь только силой своих мышц". В ряде статей попытки создания мускулолетов были даже отнесены к категории бредовых идей. Но вот, сравнительно недавно, группа советских спортсменов из бухты Провидения доказала, что такой полет совершенно реален. Они сконструировали своеобразный летающий велосипед, приводимый в движение, как и обычный наземный, усилием мышц ног. На нем северянам удалось пролететь 200 — 300 и. Конструкторы одной английской фирмы и студенты Саутгемптонского университета несколько усовершенствовали этот "летающий велосипед", и в настоящее время они уже пытаются ставить на таких мускулолетах "рекорды" дальности и маневренности.

Сегодня мускулолет еще очень несовершенен. И, вероятно, он никогда не станет транспортным средством. Но после того, как биологи и инженеры досконально изучат законы работы крыла птиц и насекомых, а энтузиасты машущего полета получат в свое распоряжение новейшие конструкционные материалы, можно надеяться, что мускулолет приобретет широкое применение в спорте. Это будет интереснейший и очень полезный спортивный аппарат, с помощью которого можно будет выполнять большие прыжки в длину и высоту, совершать довольно длительные полеты на "бреющей" траектории. Под словом "будет" мы имеем в виду оставшуюся треть XX столетия. Мы глубоко верим, что именно в наш ракетный век миф об Икаре станет былью (рис. 23). Стремление человека подняться в воздух, парить в нем, опираясь на силу собственных мышц, неукротимо!

Рис. 23. Крылья Икара в ракетный век

В сущности, ученые и инженеры сейчас делают лишь первые шаги на пути к решению задачи машущего полета. Пока эта проблема полностью решена только в природе — у летающих животных. И мы не должны закрывать глаза на все те трудности, с которыми связаны исследования полета птиц и насекомых и выяснение теоретических предпосылок для создания аппаратов с машущими крыльями. Но, располагая теорией машущего полета и накопив достаточный опыт в строительстве орнитоптеров и энтомоптеров, самолетостроители, надо полагать, со временем перейдут к созданию "большой махолетной авиации". В ней, несомненно, будет использован весь арсенал разнообразных и замечательных свойств, присущих летательному аппарату насекомых и птиц, начиная от тонкого управления полетом и кончая способностью их крыльев одновременно создавать тягу и подъемную силу. Фюзеляжи будущих транспортных и пассажирских махолетов, вероятно, будут сделаны из легкой и термостойкой пластмассы, по прочности не уступающей лучшим сортам стали; крылья, очевидно, будут изготовлены из стеклопластика или дюраля с легкой обтяжкой, по своим характеристикам приближающимся к материалам "одежды", в которую природа облачила пернатых летунов и насекомых. Из чего именно будет сделана такая обтяжка, пока трудно сказать. Очень может быть, что поначалу для этих целей строители махолетов используют уже известную нам легкую оболочку типа "ламинфло", имитирующую по своим свойствам чудесную антитурбулентную и гидрофобную кожу дельфинов. Что касается выбора источников энергии для будущих махолетов, то здесь, надо полагать, подойдут любые двигатели, вплоть до атомных, если их удастся сделать достаточно легкими.

Такие махолеты будут поднимать (на единицу мощности) больше грузов и пассажиров, стоить они будут значительно дешевле нынешних самолетов (как винтовых, так и реактивных). Можно предположить, что будут созданы и многокрылые махолеты. Несколько "асинхронных" пар узких крыльев, несомненно, обеспечат махолету значительно более высокую относительную скорость, чем широкие и короткие крылья орла или летучей мыши. Полет на махолете будет совершенно безопасен, так как машущий полет допускает очень малые, почти "нулевые" скорости. И последнее. При переходе на машущий полет отпадет нужда в строительстве длинных взлетно-посадочных дорожек и дорогостоящих аэродромов.

Рассмотрев все важнейшие аспекты проблемы машущего полета, в заключение необходимо подчеркнуть, что изучение полета птиц и насекомых нельзя считать лишь подсобным методом, призванным облегчить создание летательных аппаратов с машущими крыльями, — оно имеет гораздо большее значение. Даже если бы такие аппараты и не были созданы либо их практическое применение на первых порах оказалось бы недостаточно эффективным, все равно наука останется в выигрыше, так как бионические исследования полета птиц и насекомых (как и вообще механизмов локомоции летающих и плавающих животных) сулят открыть новые страницы в аэро- и гидродинамике.

Беседа третья. Биотоки в упряжке

Представьте себе, что по рельсам модели кольцевой железной дороги бойко бегает маленький локомотивчик с вагончиками. Он меняет скорость и направление движения, повинуясь в буквальном смысле слова мановению руки сидящего в кресле и лукаво улыбающегося человека. Люди стоят вокруг модели как зачарованные. Им кажется, что из сказки в жизнь пришел волшебник и удивляет всех присутствующих своим могуществом. Но вот легким взмахом кисти "волшебник" остановил игрушечный поезд, и вы видите, что из-под эластичной манжеты, надетой на правую руку "чародея", откровенно свисают провода, которые тянутся к двум небольшим коробочкам, положенным на пол, а оттуда — к железной дороге...

Что же это такое? Как удается человеку лишь одним мановением руки, не прикасаясь к паровозу, останавливать и пускать в ход, менять скорости и направление его движения.

Оказывается, когда человек двигает рукой или ногой, то в его мышцах возникают биотоки. Да, да, те самые биотоки, действие которых обнаружил еще в конце XVIII века известный итальянский физиолог Луиджи Гальвани. Элементарным источником биотоков, своеобразным биогенератором служит живая клетка. Человек может по своему желанию вызывать появление биотоков в мышце и регулировать их величину, даже не производя движения. Достаточно лишь мысленного приказа, т. е. принятия решения — пусть мышцы руки сократятся. "Депеша" с распоряжением побежит по нервному волокну от "командного пункта" к исполнительному органу. Весь процесс протекает почти мгновенно. Но что значит "почти"? Биотоки, возникающие при работе мышц, — это разряды, длительность которых равняется тысячным долям секунды, а амплитуда — тысячным долям вольта.

Возникающие в мышцах биопотенциалы нетрудно снять простыми электродами и усилить. Это и сделал автор модели железной дороги, старший инженер Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения Е. Полян. Для управления локомотивчиком он создал устройство, в котором использовались два сигнала: один, снимаемый с мышц, сгибающих кисть, другой — с мышц, которые ее разгибают. Почему два? Один из них преобразуется в команду "передний ход", другой — в команду "задний ход". Вот, пожалуй, и весь "секрет" описанного эксперимента, если не касаться трудностей защиты слабенького начального импульса от шумовых помех и других "подводных камней", которые пришлось обходить энтузиасту биоточного управления.

Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам биотоки — слабые электрические сигналы — и тогда, когда часть руки ампутирована. Но в этом случае импульсы, поступая в нервные окончания культи и возбуждая усеченные мышцы, дают лишь ощущение тех или иных движений. Реализовать их мышцы не могут: исполнительный . механизм — часть руки с кистью — отсутствует. При этом, чем отчетливее и острее эти ощущения, тем больше сосредоточивается на них внимание инвалида. Утрата руки трагична. Пропадает непревзойденный, виртуознейший инструмент природы, способный создавать бессмертные полотна, ваять и строить, извлекать из неодушевленного рояля чарующую музыку Чайковского, умеющий водить трактор, управлять любым станком и космическим кораблем. И дело не только в том, что человек уже не может стать ни художником, ни скульптором, ни музыкантом, ни каменщиком, ни космонавтом. Теряется нечто большее: созидательные отделы мозга заходят в тупик. Как бы ни пылало и ни буйствовало воображение, как бы ни велика была сила воли и мощь таланта, ничто уже не может вызвать к жизни картины Рембрандта или Репина, скульптурные творения Родена или Коненкова, музыку Паганини или Глинки. Именно поэтому, начиная с античных времен и до наших дней, человеческая изобретательская мысль с неотступной страстностью и упорством ищет способы вернуть руку тем, кто ее лишился.

История протезирования знает немало попыток непревзойденных мастеров точной механики воссоздать подвижную руку, активный протез. В кожаных перчатках, начиненных множеством шестеренок и рычажков, воплощалась логика французских геометров и волшебство швейцарских умельцев-часовщиков. Но конструкции оставались сложными узлами мертвого металла: слабые остатки мышц неспособны были вдохнуть жизнь в стальное подобие кисти...

И вот поздним осенним вечером в октябре 1956 г. в лабораторию к известному советскому ученому, специалисту по теории машин и автоматов А. Кобринскому пришел специалист по технике протезирования Я. Якобсон. Гость рассказал о механических протезах предплечья, объяснил принцип их действия, сетовал, что механические протезы с большим трудом воспроизводят даже простейшие движения. Под конец беседы у ученых возникла идея использовать для управления протезом руки... биотоки.

Как известно, путь от идеи до ее реализации нелегок. Нужно было всесторонне исследовать проблему биоэлектрического протезирования, провести огромную теоретическую и экспериментальную работу. Все исследования были поставлены широко. Помимо А. Кобринского и Я. Якобсона за разработку принципиально нового типа протеза взялись многие сотрудники Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения во главе с его директором профессором Б. Ильиным-Поповым.