Орнитоптер (от греческого ornis, ornith- «птица» и pteron «крыло») — это летательный аппарат , который летает, взмахивая крыльями. Конструкторы стремились имитировать взмахивание крыльев птиц, летучих мышей и насекомых. Хотя машины могут отличаться по форме, они обычно строятся в том же масштабе, что и летающие животные. Были также построены более крупные пилотируемые орнитоптеры, и некоторые из них были успешными. Пилотируемые орнитоптеры, как правило, приводятся в движение либо двигателями, либо пилотом .
Некоторые ранние грубые попытки полета, возможно, были направлены на достижение полета с машущими крыльями, но, вероятно, фактически было достигнуто только планирование. Они включают предполагаемые полеты католического монаха XI века Эйлмера из Малмсбери (записано в XII веке) и поэта IX века Аббаса ибн Фирнаса (записано в XVII веке). [1] Роджер Бэкон , писавший в 1260 году, также был одним из первых, кто рассматривал технологические средства полета. В 1485 году Леонардо да Винчи начал изучать полет птиц. Он понял, что люди слишком тяжелы и недостаточно сильны, чтобы летать с помощью крыльев, просто прикрепленных к рукам. Поэтому он набросал устройство, в котором летчик ложится на доску и приводит в действие два больших перепончатых крыла с помощью ручных рычагов, ножных педалей и системы блоков.
В 1841 году кузнец калфа (подмастерье) Манойло, который «приехал в Белград из Воеводины », [2] попытался совершить полет с помощью устройства, описанного как орнитоптер («хлопающие крылья, как у птицы»). Получив от властей отказ в разрешении на взлет с колокольни собора Святого Михаила , он тайно поднялся на крышу Думруханы (главного офиса по импортному налогу) и взлетел, приземлившись в кучу снега, и выжил. [3]
Первые орнитоптеры, способные летать, были построены во Франции. В 1871 году Жобер использовал резиновую ленту для питания небольшой модели птицы. Альфонс Пено , Абель Юро де Вильнёв и Виктор Татен также создавали орнитоптеры с резиновым приводом в 1870-х годах. [4] Орнитоптер Татена был, возможно, первым, в котором использовалось активное кручение крыльев, и, по-видимому, он послужил основой для коммерческой игрушки, предложенной Пишанкуром около 1889 года . Гюстав Труве был первым, кто использовал внутреннее сгорание, и его модель 1890 года пролетела расстояние в 80 метров во время демонстрации для Французской академии наук. Крылья хлопали с помощью пороховых зарядов, активирующих трубку Бурдона .
Начиная с 1884 года Лоуренс Харгрейв построил множество орнитоптеров, приводимых в движение резиновыми лентами, пружинами, паром или сжатым воздухом . [5] Он ввел использование небольших машущих крыльев, обеспечивающих тягу для большего неподвижного крыла; это нововведение устранило необходимость в редукторе, тем самым упростив конструкцию.
Э. П. Фрост начал производить орнитоптеры в 1870-х годах; первые модели работали на паровых двигателях, затем в 1900-х годах был построен аппарат с двигателем внутреннего сгорания, достаточно большой для человека, хотя он и не летал. [6]
В 1930-х годах Александр Липпиш и Национал-социалистический летный корпус нацистской Германии сконструировали и успешно осуществили запуск серии орнитоптеров с двигателем внутреннего сгорания, используя концепцию Харгрейва о небольших машущих крыльях, но с аэродинамическими улучшениями, полученными в результате методического исследования.
Эрих фон Хольст , также работавший в 1930-х годах, достиг большой эффективности и реализма в своей работе с орнитоптерами, приводимыми в действие резиновыми лентами. Он добился, возможно, первого успеха орнитоптера с изгибающимся крылом, предназначенного для более точной имитации действия складывания крыла птиц, хотя это было не настоящее крыло с изменяемым размахом, как у птиц. [7]
Около 1960 года Персиваль Спенсер успешно осуществил полет на серии беспилотных орнитоптеров, использующих двигатели внутреннего сгорания с рабочим объемом от 0,020 до 0,80 кубических дюймов (от 0,33 до 13,11 см 3 ) и имеющих размах крыльев до 8 футов (2,4 м). [8] В 1961 году Персиваль Спенсер и Джек Стивенсон осуществили первый успешный полет на дистанционно управляемом орнитоптере с двигателем, известном как Spencer Orniplane. [9] Orniplane имел размах крыльев 90,7 дюймов (2300 мм), весил 7,5 фунтов (3,4 кг) и был оснащен двухтактным двигателем с рабочим объемом 0,35 кубических дюймов (5,7 см 3 ) . Он имел конфигурацию биплана, чтобы уменьшить колебания фюзеляжа. [10]
Пилотируемые орнитоптеры делятся на две основные категории: те, которые приводятся в действие мускульной силой пилота (орнитоптеры с человеческим приводом), и те, которые приводятся в действие двигателем.
Около 1894 года Отто Лилиенталь , пионер авиации, прославился в Германии своими широко разрекламированными и успешными полетами на планере. Лилиенталь также изучал полет птиц и провел некоторые связанные с этим эксперименты. Он построил орнитоптер, хотя его полная разработка была остановлена его безвременной смертью 9 августа 1896 года в результате аварии на планере.
В 1929 году орнитоптер с человеческим приводом, разработанный Александром Липпишем (конструктором Messerschmitt Me 163 Komet ), пролетел расстояние от 250 до 300 метров (800–1000 футов) после запуска с помощью буксира. Поскольку использовался запуск с помощью буксира, некоторые задавались вопросом, способен ли самолет летать самостоятельно. Липпиш утверждал, что самолет на самом деле летел, а не совершал длительное планирование. (Для решения этого вопроса необходимо точное измерение высоты и скорости с течением времени.) Большинство последующих орнитоптеров с человеческим приводом также использовали запуск с помощью буксира, и полеты были короткими просто потому, что сила мышц человека быстро уменьшается с течением времени.
В 1942 году Адальберт Шмид совершил гораздо более длительный полет на орнитоптере с человеческим двигателем в Мюнхен-Лайме. Он пролетел расстояние в 900 метров (3000 футов), сохраняя высоту 20 метров (65 футов) на протяжении большей части полета. Позже этот же самолет был оснащен трехсильным (2,2 кВт) мотоциклетным двигателем Sachs. С этим двигателем он совершал полеты продолжительностью до 15 минут. Позже Шмид построил 10-сильный (7,5 кВт) орнитоптер на основе планера Grunau-Baby IIa, который был поднят в воздух в 1947 году. Второй самолет имел машущую внешнюю панель крыла. [11]
Французский инженер Рене Риу посвятил три десятилетия созданию орнитоптеров с машущим крылом. В 1905 году он изобрел свои первые модели. В 1909 году он выиграл золотую медаль на конкурсе Лепина за уменьшенную модель. В 1913 году он работал над разработкой модели, заказанной пилотом, Дюбуа-Риу. Испытания были остановлены в 1916 году. В 1937 году он завершил работу над Riout 102T Alérion , безусловно, самым успешным пилотируемым орнитоптером с машущим крылом до второго десятилетия XXI века. К сожалению, выводы испытаний в аэродинамической трубе не были благоприятны для продолжения проекта. [12] [13]
В 2005 году Ив Руссо был награжден Дипломом Поля Тиссандье , присуждаемым FAI за вклад в область авиации. Руссо предпринял свою первую попытку полета с использованием мускульной силы человека с машущими крыльями в 1995 году. 20 апреля 2006 года в своей 212-й попытке ему удалось пролететь расстояние в 64 метра (210 футов), что было замечено должностными лицами Аэроклуба Франции. Во время его 213-й попытки полета порыв ветра привел к поломке крыла, в результате чего пилот получил серьезные травмы и стал парализованным . [14]
Группа в Институте аэрокосмических исследований Университета Торонто под руководством профессора Джеймса ДеЛорье в течение нескольких лет работала над пилотируемым орнитоптером с двигателем. В июле 2006 года на аэродроме Bombardier в парке Даунсвью в Торонто машина профессора ДеЛорье, UTIAS Ornithopter No.1, совершила взлет с помощью реактивного двигателя и 14-секундный полет. По словам ДеЛорье, [15] реактивный двигатель был необходим для устойчивого полета, но маховые крылья выполняли большую часть работы. [16]
2 августа 2010 года Тодд Райхерт из того же учреждения пилотировал орнитоптер с человеческим приводом под названием Snowbird . 32-метровый (105 футов) размах крыльев, 42-килограммовый (93 фунта) летательный аппарат был построен из углеродного волокна , бальзы и пены. Пилот сидел в небольшой кабине, подвешенной под крыльями, и качал стойку ногами, чтобы управлять системой проводов, которые махали крыльями вверх и вниз. Буксируемый автомобилем до момента взлета, он затем поддерживал полет в течение почти 20 секунд. Он пролетел 145 метров (476 футов) со средней скоростью 25,6 км/ч (15,9 миль/ч). [17] Подобные полеты с буксировкой совершались и раньше, но улучшенный сбор данных подтвердил, что орнитоптер был способен к самостоятельному полету, оказавшись в воздухе. [18]
Поскольку орнитоптеры можно сделать похожими на птиц или насекомых, их можно использовать в военных целях, например, для воздушной разведки, не предупреждая противника о том, что они находятся под наблюдением. Несколько орнитоптеров летали с видеокамерами на борту, некоторые из них могут зависать и маневрировать в небольших пространствах. В 2011 году компания AeroVironment продемонстрировала дистанционно управляемый орнитоптер, напоминающий большую колибри, для возможных шпионских миссий.
Под руководством Пола Б. Маккриди ( известного благодаря Gossamer Albatross ) компания AeroVironment разработала в середине 1980-х годов для Смитсоновского института радиоуправляемую модель гигантского птерозавра Quetzalcoatlus northropi в половинном масштабе. Она была создана для съемок в фильме IMAX On the Wing . Модель имела размах крыльев 5,5 метров (18 футов) и оснащалась сложной компьютеризированной системой управления автопилотом, в то время как полноразмерный птерозавр полагался на свою нейромышечную систему для постоянной корректировки полета. [19] [20] [21]
Исследователи надеются исключить двигатели и шестерни текущих конструкций, более точно имитируя мышцы животных, участвующие в полете. Роберт С. Майкельсон из Georgia Tech Research Institute разрабатывает возвратно-поступательную химическую мышцу для использования в микромасштабных самолетах с машущим крылом. Майкельсон использует термин « энтомоптер » для этого типа орнитоптера. [22] SRI International разрабатывает полимерные искусственные мышцы , которые также могут использоваться для машущего полета.
В 2002 году Кристер Вольф и Питер Нордин из Технологического университета Чалмерса в Швеции построили робота с машущим крылом, который научился летать. [ 23] Конструкция из бальзы была разработана с помощью программного обеспечения для машинного обучения , известного как стационарный линейный эволюционный алгоритм . Вдохновленное естественной эволюцией , программное обеспечение «развивается» в ответ на обратную связь о том, насколько хорошо оно выполняет заданную задачу. Несмотря на то, что их орнитоптер был ограничен лабораторным аппаратом, он развил поведение для максимальной устойчивой подъемной силы и горизонтального движения. [24]
С 2002 года профессор Тео ван Холтен работает над орнитоптером, который сконструирован как вертолет . Устройство называется «орникоптером» [25] и было создано путем конструирования основного ротора таким образом, чтобы у него не было реактивного момента.
В 2008 году аэропорт Амстердама Схипхол начал использовать реалистично выглядящего механического ястреба, разработанного сокольничим Робертом Мустерсом. Радиоуправляемая роботизированная птица используется для отпугивания птиц, которые могут повредить двигатели самолетов. [26] [27]
В 2012 году компания RoBird (ранее Clear Flight Solutions), ответвление Университета Твенте, начала производить искусственных хищных птиц (под названием RoBird®) для аэропортов, а также сельскохозяйственной и мусороперерабатывающей промышленности. [28] [29]
Адриан Томас и Алекс Качча основали Animal Dynamics Ltd в 2015 году, чтобы разработать механический аналог стрекоз, который будет использоваться в качестве дрона, который превзойдет квадрокоптеры. Работа финансируется Лабораторией оборонной науки и технологий, исследовательским подразделением Министерства обороны Великобритании, и ВВС США. [30]
Любители могут строить и летать на собственных орнитоптерах. Они варьируются от легких моделей, приводимых в движение резинками, до более крупных моделей с радиоуправлением.
Модель с резиновым приводом может быть довольно простой по конструкции и строению. Любители соревнуются за самое продолжительное время полета с этими моделями. Ознакомительная модель может быть довольно простой по конструкции и строению, но продвинутые модели для соревнований чрезвычайно деликатны и сложны в сборке. Рой Уайт является обладателем национального рекорда США для моделей с резиновым приводом в помещении, его время полета составило 21 минуту 44 секунды [ нужна ссылка ] .
Коммерческие игрушечные орнитоптеры свободного полета с приводом от резиновой ленты уже давно доступны. Первый из них был продан под названием Tim Bird в Париже в 1879 году. [31] Более поздние модели также продавались под названием Tim Bird (производились G de Ruymbeke, Франция, с 1969 года).
Коммерческие радиоуправляемые конструкции берут начало от моторных «Чайек» Персиваля Спенсера, разработанных около 1958 года, и работ Шона Кинкейда с конца 1990-х годов по настоящее время. Крылья обычно приводятся в движение электродвигателем. Многие любители любят экспериментировать с собственными новыми конструкциями и механизмами крыльев. Возможность взаимодействовать с настоящими птицами в их собственной области также добавляет большое удовольствие к этому хобби. Птицы часто любопытны и будут следовать или исследовать модель во время ее полета. В нескольких случаях на радиоуправляемых птиц нападали хищные птицы , вороны и даже кошки. Более поздние более дешевые модели, такие как « Стрекоза» от WowWee, расширили рынок от увлеченных любителей до общего рынка игрушек.
Некоторые полезные ресурсы для любителей включают в себя «Руководство по проектированию орнитоптеров», книгу, написанную Натаном Хронистером, и веб-сайт The Ornithopter Zone, который содержит большой объем информации о сборке и полетах этих моделей.
Орнитоптеры также представляли интерес как предмет одного из бывших событий в списке событий Американской общенациональной научной олимпиады . Событие («Летящая птица») подразумевало постройку самоходного орнитоптера в соответствии со строгими спецификациями, при этом баллы присуждались за большое время полета и малый вес. Бонусные баллы также присуждались, если орнитоптер выглядел как настоящая птица.
Как показали птицы, машущее крыло дает потенциальные преимущества в маневренности и экономии энергии по сравнению с самолетами с фиксированным крылом, а также потенциально вертикальный взлет и посадку. Было высказано предположение, что эти преимущества наиболее значительны при малых размерах и низких скоростях полета, [32] но разработка всеобъемлющей аэродинамической теории для машущего крыла остается нерешенной проблемой из-за сложной нелинейной природы таких нестационарных разделяющихся потоков. [33]
В отличие от самолетов и вертолетов, ведущие аэродинамические поверхности орнитоптера имеют маховое или колебательное движение, а не вращательное. Как и в случае с вертолетами, крылья обычно имеют комбинированную функцию обеспечения как подъемной силы, так и тяги. Теоретически, машущее крыло может быть установлено на нулевой угол атаки при движении вверх, поэтому оно легко проходит через воздух. Поскольку обычно машущее аэродинамическое покрытие создает как подъемную силу, так и тягу, структуры, вызывающие сопротивление , сведены к минимуму. Эти два преимущества потенциально обеспечивают высокую степень эффективности. [ необходима цитата ]
Если будущие пилотируемые моторизованные орнитоптеры перестанут быть «экзотическими», воображаемыми, нереальными летательными аппаратами и начнут служить людям в качестве младших членов семейства самолетов, конструкторам и инженерам придется решать не только проблемы конструкции крыла, но и многие другие проблемы, связанные с тем, чтобы сделать их безопасными и надежными самолетами. Некоторые из этих проблем, такие как устойчивость, управляемость и долговечность, необходимы для всех самолетов. Появятся и другие проблемы, характерные для орнитоптеров; оптимизация конструкции машущего крыла — лишь одна из них.
Эффективный орнитоптер должен иметь крылья, способные генерировать как тягу , силу, которая движет судно вперед, так и подъемную силу, силу (перпендикулярную направлению полета), которая удерживает судно в воздухе. Эти силы должны быть достаточно сильными, чтобы противостоять эффекту сопротивления и весу судна.
Проекты орнитоптеров Леонардо были вдохновлены его изучением птиц и задумали использование хлопающего движения для создания тяги и обеспечения поступательного движения, необходимого для аэродинамической подъемной силы. Однако, используя материалы, доступные в то время, аппарат был бы слишком тяжелым и требовал бы слишком много энергии для создания достаточной подъемной силы или тяги для полета. Альфонс Пено представил идею орнитоптера с двигателем в 1874 году. Его конструкция имела ограниченную мощность и была неуправляемой, в результате чего она была преобразована в игрушку для детей. [34] Более поздние транспортные средства, такие как орнитоптеры с человеческим приводом Липпиша (1929) и Эмиля Хартмана (1959), были способными планерами с двигателем, но требовали буксирного транспортного средства для взлета и, возможно, не могли создавать достаточную подъемную силу для устойчивого полета. Орнитоптер Хартмана не имел теоретической базы, основанной на изучении крылатого полета, но демонстрировал идею орнитоптера как птичьего аппарата, а не как аппарата, который напрямую копирует метод полета птиц. [35] [36] В 1960-х годах появились беспилотные орнитоптеры с приводом от двигателя разных размеров, способные достигать и поддерживать полет, что дало ценные реальные примеры механического крылатого полета. В 1991 году Харрис и ДеЛорье осуществили первый успешный полет на дистанционно управляемом орнитоптере с двигателем в Торонто, Канада. В 1999 году пилотируемый орнитоптер, основанный на этой конструкции, совершил полет, способный взлетать с ровного покрытия и выполнять устойчивый полет. [35]
Машущее крыло орнитоптера и его движение в воздухе разработаны для максимального увеличения подъемной силы в пределах веса, прочности материала и механической сложности. Гибкий материал крыла может повысить эффективность, сохраняя при этом простой механизм привода. В конструкциях крыла с лонжероном, достаточно вынесенным вперед от аэродинамического профиля, так что аэродинамический центр находится позади упругой оси крыла, аэроупругая деформация заставляет крыло двигаться способом, близким к его идеальной эффективности (при котором углы тангажа отстают от смещений ныряния примерно на 90 градусов.) [37] Машущее крыло увеличивает сопротивление и не так эффективно, как самолеты с винтовыми двигателями. Некоторые конструкции достигают повышенной эффективности, прикладывая больше мощности к нисходящему ходу, чем к восходящему, как это делают большинство птиц. [34]
Чтобы достичь желаемой гибкости и минимального веса, инженеры и исследователи экспериментировали с крыльями, для которых требуются углеродное волокно, фанера, ткань и нервюры с жесткой, прочной задней кромкой. [38] Любая масса, расположенная позади хвостового оперения, снижает производительность крыла, поэтому по возможности используются легкие материалы и пустое пространство. Чтобы минимизировать сопротивление и сохранить желаемую форму, также важен выбор материала для поверхности крыла. В экспериментах ДеЛорье гладкая аэродинамическая поверхность с двухповерхностным аэродинамическим профилем более эффективна для создания подъемной силы, чем одноповерхностный аэродинамический профиль.
Другие орнитоптеры не обязательно ведут себя как птицы или летучие мыши в полете. Обычно у птиц и летучих мышей тонкие и изогнутые крылья для создания подъемной силы и тяги. Орнитоптеры с более тонкими крыльями имеют ограниченный угол атаки, но обеспечивают оптимальные характеристики минимального сопротивления для одного коэффициента подъемной силы. [39]
Хотя колибри летают с полностью расправленными крыльями, такой полет невозможен для орнитоптера. Если бы крыло орнитоптера полностью расправилось, скручивалось и хлопало небольшими движениями, это вызвало бы сваливание, а если бы оно скручивалось и хлопало очень большими движениями, оно бы действовало как ветряная мельница, что привело бы к неэффективной ситуации полета. [40]
Команда инженеров и исследователей под названием «Fullwing» создала орнитоптер, который имеет среднюю подъемную силу более 8 фунтов, среднюю тягу 0,88 фунта и тяговую эффективность 54%. [41] Крылья были испытаны в низкоскоростной аэродинамической трубе, измеряющей аэродинамические характеристики, и показали, что чем выше частота взмахов крыльев, тем выше средняя тяга орнитоптера.
Орнитоптеры неоднократно описывались в художественной литературе, в том числе в серии «Дюна » Фрэнка Герберта , где они являются основным видом воздушного транспорта, используемого Домом Атрейдесов в пустынном климате планеты Арракис . [42] [43]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Я бы не сказал, что эта «Дюна» соответствует тому видению, которое у меня было при чтении книги. Она лучше. Визуальные эффекты превосходят мое воображение — эти орнитоптеры!
