Орнитоптер (от греческого ornis, ornith- «птица» и pteron «крыло») — летательный аппарат , который летает , взмахивая крыльями . Дизайнеры стремились имитировать взмахи крыльев птиц, летучих мышей и насекомых . Хотя машины могут различаться по форме, обычно они построены в том же масштабе , что и летающие животные. Также были построены более крупные орнитоптеры с экипажем, и некоторые из них оказались успешными. Орнитоптеры с экипажем обычно приводятся в движение двигателями или пилотом .
Некоторые ранние попытки полета с экипажем, возможно, были предназначены для достижения полета с машущим крылом, но, вероятно, на самом деле было достигнуто только планирование. К ним относятся предполагаемые полеты католического монаха XI века Эйлмера из Малмсбери (записанные в XII веке) и поэта 9-го века Аббаса ибн Фирнаса (записанные в 17 веке). [1] Роджер Бэкон , писавший в 1260 году, также был одним из первых, кто рассмотрел технологические средства полета. В 1485 году Леонардо да Винчи начал изучать полет птиц. Он понял, что люди слишком тяжелы и недостаточно сильны, чтобы летать, используя крылья, просто прикрепленные к рукам. Поэтому он нарисовал устройство, в котором летчик лежит на доске и управляет двумя большими перепончатыми крыльями, используя ручные рычаги, ножные педали и систему шкивов.
В 1841 году кузнец калфа (подмастерье) Манойло, «приехавший в Белград из Воеводины », [2] предпринял попытку полета с помощью устройства, описанного как орнитоптер («машущие крыльями, как у птицы»). Получив отказ властей в разрешении на взлет с колокольни Михайловского собора , он тайно забрался на крышу Думруханы (главного офиса налога на импорт) и взлетел, приземлившись в куче снега и выжив. [3]
Первые орнитоптеры, способные летать, были построены во Франции. Жобер в 1871 году использовал резиновую ленту , чтобы привести в движение небольшую модель птицы. Альфонс Пено , Абель Юро де Вильнев и Виктор Татен также изготавливали орнитоптеры с резиновым приводом в 1870-х годах. [4] Орнитоптер Татена был, пожалуй, первым, кто использовал активное скручивание крыльев, и, по-видимому, он послужил основой для коммерческой игрушки, предложенной Пишанкуром ок. 1889. Гюстав Труве был первым, кто применил внутреннее сгорание, и его модель 1890 года пролетела расстояние 80 метров во время демонстрации для Французской академии наук. Крылья взмахивали пороховыми зарядами, приводившими в действие трубку Бурдона .
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.
Е. П. Фрост изготавливал орнитоптеры с 1870-х гг.; первые модели приводились в движение паровыми двигателями, затем в 1900-х годах был построен корабль 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 управляли серией орнитоптеров с двигателем внутреннего сгорания, используя концепцию небольших машущих крыльев Харгрейва, но с аэродинамическими улучшениями, возникшими в результате методического исследования.
Эрих фон Хольст , также работавший в 1930-х годах, добился большой эффективности и реалистичности в работе с орнитоптерами, приводившимися в движение резиновыми лентами. Он добился, пожалуй, первого успеха в создании орнитоптера с изгибающимся крылом, призванного более точно имитировать действие складывающихся крыльев птиц, хотя это не было настоящим крылом с изменяемым размахом, как у птиц. [7]
Примерно в 1960 году Персиваль Спенсер успешно управлял серией беспилотных орнитоптеров с двигателями внутреннего сгорания объемом от 0,020 до 0,80 кубических дюймов (от 0,33 до 13,11 см 3 ) и размахом крыльев до 8 футов (2,4 м). [8] В 1961 году Персиваль Спенсер и Джек Стивенсон управляли первым успешным дистанционно пилотируемым орнитоптером с двигателем, известным как Spencer Orniplane. [9] Орниплан имел размах крыльев 90,7 дюйма (2300 мм), весил 7,5 фунтов (3,4 кг) и был оснащен двухтактным двигателем рабочим объемом 0,35 кубических дюймов (5,7 см 3 ) . Он имел бипланную конфигурацию для уменьшения раскачивания фюзеляжа. [10]
Орнитоптеры с экипажем делятся на две основные категории: те, которые приводятся в движение мускульными усилиями пилота (орнитоптеры с приводом от человека), и те, которые приводятся в движение двигателем.
Примерно в 1894 году Отто Лилиенталь , пионер авиации, прославился в Германии своими широко разрекламированными и успешными полетами на планерах. Лилиенталь также изучал полет птиц и проводил некоторые связанные с ним эксперименты. Он сконструировал орнитоптер, однако его полному развитию помешала его безвременная смерть 9 августа 1896 года в результате крушения планера.
В 1929 году орнитоптер с приводом от человека, спроектированный Александром Липпишем (конструктором Messerschmitt Me 163 Komet ), после буксировки пролетел на расстояние от 250 до 300 метров (800–1000 футов). Поскольку использовался буксирный запуск, некоторые задаются вопросом, способен ли самолет летать самостоятельно. Липпиш утверждал, что самолет на самом деле летел, а не совершал продолжительное планирование. (Для решения этого вопроса необходимо точное измерение высоты и скорости с течением времени.) Большинство последующих орнитоптеров с приводом от человека также использовали буксирный запуск, и полеты были короткими просто потому, что человеческая мышечная сила со временем быстро уменьшается.
В 1942 году Адальберт Шмид совершил гораздо более длительный полет на орнитоптере с приводом от человека в Мюнхен-Лайме. Он преодолел расстояние 900 метров (3000 футов), сохраняя высоту 20 метров (65 футов) на протяжении большей части полета. Позже этот же самолет был оснащен мотоциклетным двигателем Sachs мощностью три лошадиных силы (2,2 кВт). С двигателем он совершал полеты продолжительностью до 15 минут. Позже Шмид построил орнитоптер мощностью 10 лошадиных сил (7,5 кВт) на основе планера Grunau-Baby IIa, который поднялся в воздух в 1947 году. Второй самолет имел машущие внешние панели крыла. [11]
Французский инженер Рене Риу посвятил три десятилетия созданию орнитоптеров с машущими крыльями. В 1905 году он изобрел свои первые модели. В 1909 году он выиграл золотую медаль на конкурсе в Лепине за уменьшенную модель. В 1913 году он работал над разработкой модели по заказу пилота Дюбуа-Риу. Испытания были прекращены в 1916 году. В 1937 году он завершил разработку Riout 102T Alérion , безусловно, самого успешного пилотируемого орнитоптера с машущим крылом до второго десятилетия 21 века. К сожалению, результаты испытаний в аэродинамической трубе не благоприятствовали продолжению проекта. [12] [13]
В 2005 году Ив Руссо был награжден Дипломом Поля Тиссандье , присуждаемым ФАИ за вклад в область авиации. Руссо предпринял свою первую попытку полета с помощью человеческих мышц с машущими крыльями в 1995 году. 20 апреля 2006 года в своей 212-й попытке ему удалось пролететь расстояние 64 метра (210 футов), что наблюдали представители Аэроклуба Франции. Во время его 213-й попытки полета порыв ветра привел к поломке крыла, в результате чего пилот получил серьезные травмы и паралич нижних конечностей . [14]
Команда Института 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 Даунсвью-парке в Торонто машина профессора ДеЛорье, UTIAS Ornithopter No.1 , совершила взлет с реактивным двигателем и полет за 14 секунд. По мнению ДеЛорье, [15] реактивный самолет был необходим для продолжительного полета, но большую часть работы выполняли машущие крылья. [16]
2 августа 2010 года Тодд Райхерт из того же учреждения пилотировал орнитоптер с приводом от человека по имени Snowbird . Самолет с размахом крыла 32 метра (105 футов) и массой 42 килограмма (93 фунта) был построен из углеродного волокна , бальзы и пенопласта. Пилот сидел в небольшой кабине, подвешенной под крыльями, и ногами качал штангу, приводя в действие систему тросов, которые качали крылья вверх и вниз. Его буксировали на машине до взлета, а затем он продержался в полете почти 20 секунд. Он пролетел 145 метров (476 футов) со средней скоростью 25,6 км/ч (15,9 миль в час). [17] Подобные буксируемые полеты совершались и в прошлом, но улучшенный сбор данных подтвердил, что орнитоптер способен к самостоятельному полету в полете. [18]
Практическое применение основано на сходстве с птицами или насекомыми. Парки и дикая природа Колорадо использовали эти машины, чтобы помочь спасти находящегося под угрозой исчезновения шалфейного тетерева Ганнисона . Искусственный ястреб под контролем оператора заставляет тетерева оставаться на земле, чтобы их можно было поймать для изучения.
Поскольку орнитоптеры можно сделать похожими на птиц или насекомых, их можно использовать в военных целях, например, для воздушной разведки, не предупреждая врагов о том, что они находятся под наблюдением. Было запущено несколько орнитоптеров с видеокамерами на борту, некоторые из которых могут зависать и маневрировать в небольших пространствах. В 2011 году компания AeroVironment, Inc. продемонстрировала дистанционно пилотируемый орнитоптер, напоминающий большую колибри, для возможных шпионских миссий.
Под руководством Пола Б. Маккриди (из компании Gossamer Albatross ) компания AeroVironment, Inc. в середине 1980-х годов разработала половинную радиоуправляемую модель гигантского птерозавра Quetzalcoatlus Northropi для Смитсоновского института . Он был построен для съемок в фильме IMAX «На крыле» . Модель имела размах крыльев 5,5 метров (18 футов) и была оснащена сложной компьютеризированной системой управления автопилотом, точно так же, как полноразмерный птерозавр полагался на свою нервно-мышечную систему, чтобы постоянно корректировать полет. [19] [20] [21]
Исследователи надеются отказаться от двигателей и механизмов современных конструкций, более точно имитируя полетные мышцы животных. Роберт Майкельсон из Технологического исследовательского института Джорджии разрабатывает возвратно-поступательную химическую мышцу для использования в микромасштабных самолетах с машущим крылом. Майкельсон использует термин « энтомоптер » для обозначения этого типа орнитоптера. [22] SRI International разрабатывает полимерные искусственные мышцы , которые также можно использовать для полета с машущими крыльями.
В 2002 году Кристер Вольф и Питер Нордин из Технологического университета Чалмерса в Швеции построили робота с машущими крыльями, который обучался технике полета. [23] Конструкция из пробкового дерева была основана на программной технологии машинного обучения , известной как стационарный линейный эволюционный алгоритм . Вдохновленное естественной эволюцией , программное обеспечение «развивается» в ответ на отзывы о том, насколько хорошо оно выполняет данную задачу. Несмотря на то, что их орнитоптер был ограничен лабораторным оборудованием, он развил поведение, обеспечивающее максимальную устойчивую подъемную силу и горизонтальное движение. [24]
С 2002 года профессор Тео ван Холтен работает над орнитоптером, построенным по принципу вертолета. Аппарат получил название «орникоптер» [25] и был изготовлен путем конструкции несущего винта таким образом, чтобы он не имел реактивного момента.
В 2008 году в аэропорту Амстердама Схипхол начали использовать реалистично выглядящего механического ястреба, разработанного сокольничим Робертом Мастерсом. Радиоуправляемый робот-птица используется для отпугивания птиц, которые могут повредить двигатели самолетов. [26] [27]
В 2012 году компания RoBird (ранее Clear Flight Solutions), дочерняя компания Университета Твенте, начала создавать искусственных хищных птиц (называемых RoBird®) для аэропортов, сельского хозяйства и предприятий по переработке отходов. [28] [29]
Адриан Томас и Алекс Качча основали компанию Animal Dynamics Ltd в 2015 году с целью разработки механического аналога стрекоз для использования в качестве дрона, который превзойдет квадрокоптеры. Работа финансируется Лабораторией оборонной науки и технологий, исследовательским подразделением Министерства обороны Великобритании, и ВВС США. [30]
Любители могут создавать и управлять своими собственными орнитоптерами. Они варьируются от легких моделей с резиновым приводом до более крупных моделей с радиоуправлением.
Модель с резиновым приводом может быть довольно простой по конструкции и конструкции. Любители соревнуются с этими моделями за самое продолжительное время полета. Начальная модель может быть довольно простой по дизайну и конструкции, но продвинутые модели для соревнований чрезвычайно сложны и сложны в сборке. Рой Уайт является национальным рекордом США по использованию резиновых двигателей в закрытых помещениях: его время полета составило 21 минуту 44 секунды .
Коммерческие игрушечные орнитоптеры с резиновым приводом, работающие в свободном полете, уже давно доступны. Первый из них был продан под названием Tim Bird в Париже в 1879 году. [31] Более поздние модели также продавались как Tim Bird (производства G de Ruymbeke, Франция, с 1969 года).
Коммерческие радиоуправляемые конструкции берут начало в «Чайках» Персиваля Спенсера с двигателем, разработанных примерно в 1958 году, и в работах Шона Кинкейда с конца 1990-х годов до наших дней. Крылья обычно приводятся в движение электродвигателем. Многим любителям нравится экспериментировать со своими собственными новыми конструкциями и механизмами крыльев. Возможность общаться с настоящими птицами на их территории также добавляет этому хобби огромное удовольствие. Птицы часто любопытны и будут следовать за моделью или исследовать ее во время полета. В некоторых случаях птицы RC подвергались нападению хищных птиц , ворон и даже кошек. Более поздние более дешевые модели, такие как Dragonfly от WowWee , расширили рынок от преданных любителей до обычного рынка игрушек.
Некоторые полезные ресурсы для любителей включают «Руководство по проектированию орнитоптеров», книгу, написанную Натаном Хронистером, и веб-сайт The Ornithopter Zone, который содержит большое количество информации о создании и полетах этих моделей.
Орнитоптеры также представляли интерес как предмет одного из предыдущих мероприятий в списке мероприятий Американской общенациональной научной олимпиады . Мероприятие («Летящая птица») включало в себя создание самоходного орнитоптера в соответствии со строгими характеристиками, с баллами, начисляемыми за большое время полета и малый вес. Бонусные баллы также начислялись, если орнитоптер выглядел как настоящая птица.
Как продемонстрировали птицы, машущие крылья предлагают потенциальные преимущества в маневренности и экономии энергии по сравнению с самолетами с неподвижным крылом, а также потенциально вертикальный взлет и посадку. Было высказано предположение, что эти преимущества максимальны при небольших размерах и низких скоростях полета, [32] , но разработка комплексной аэродинамической теории взмахов остается нерешенной проблемой из-за сложной нелинейной природы таких нестационарных отрывных потоков. [33]
В отличие от самолетов и вертолетов, ведущие крылья орнитоптера имеют маховое или колебательное движение, а не вращательное. Как и в вертолетах, крылья обычно выполняют комбинированную функцию обеспечения подъемной силы и тяги. Теоретически машущее крыло можно установить на нулевой угол атаки при движении вверх, чтобы оно легко проходило по воздуху. Поскольку обычно машущие крылья создают как подъемную силу, так и тягу, конструкции, вызывающие сопротивление , сведены к минимуму. Эти два преимущества потенциально обеспечивают высокую степень эффективности. [ нужна цитата ]
Если будущие моторизованные орнитоптеры с экипажем перестанут быть «экзотическими», воображаемыми, нереальными летательными аппаратами и начнут служить людям в качестве младших членов семейства летательных аппаратов, конструкторам и инженерам придется решать не только проблемы конструкции крыльев, но и многие другие проблемы, связанные с их безопасностью. и надежный самолет. 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 один из них.
Эффективный орнитоптер должен иметь крылья, способные создавать как тягу — силу, которая продвигает корабль вперед, так и подъемную силу — силу (перпендикулярную направлению полета), которая удерживает корабль в воздухе. Эти силы должны быть достаточно сильными, чтобы противостоять воздействию сопротивления и веса корабля.
Проекты орнитоптеров Леонардо были вдохновлены его изучением птиц, и в них была задумана возможность использования машущих движений для создания тяги и движения вперед, необходимого для аэродинамической подъемной силы. Однако при использовании доступных в то время материалов корабль был бы слишком тяжелым и требовал бы слишком много энергии для создания достаточной подъемной силы или тяги для полета. Альфонс Пено представил идею моторного орнитоптера в 1874 году. Его конструкция имела ограниченную мощность и была неуправляемой, из-за чего ее пришлось превратить в игрушку для детей. [34] Более поздние транспортные средства, такие как орнитоптеры с приводом от человека Липпиша (1929) и Эмиэля Хартмана (1959), представляли собой планеры с приводом от двигателя, но для взлета требовали буксирного транспортного средства и, возможно, не были способны создавать достаточную подъемную силу. для продолжительного полета. Орнитоптеру Хартмана не хватало теоретической базы других, основанной на изучении полета крыльев, но он иллюстрировал идею орнитоптера как птичьего устройства, а не машины, которая напрямую копирует метод полета птиц. [35] [36] В 1960-е годы появились беспилотные орнитоптеры различных размеров, способные совершать и поддерживать полет, что стало ценными реальными примерами механического полета на крыльях. В 1991 году Харрис и ДеЛорье управляли первым успешным дистанционно пилотируемым орнитоптером с двигателем в Торонто, Канада. В 1999 году на основе этой конструкции поднялся пилотируемый орнитоптер, способный взлетать с ровного покрытия и совершать продолжительный полет. [35]
Машущие крылья орнитоптера и их движение по воздуху предназначены для максимизации подъемной силы, создаваемой в пределах веса, прочности материала и механической сложности. Гибкий материал крыла может повысить эффективность, сохраняя при этом простой приводной механизм. В конструкциях крыльев, в которых лонжерон выдвинут достаточно далеко вперед от 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 при падении примерно на 90 градусов.) [37] Машущие крылья увеличивают сопротивление и не так эффективны, как самолеты с винтовыми двигателями. В некоторых конструкциях достигается повышенная эффективность за счет приложения большей мощности при движении вниз, чем при движении вверх, как и у большинства птиц. [34]
Чтобы добиться желаемой гибкости и минимального веса, инженеры и исследователи экспериментировали с крыльями, для которых требовалось углеродное волокно, фанера, ткань и нервюры с жесткой и прочной задней кромкой. [38] Любая масса, расположенная позади хвостового оперения, снижает летно-технические характеристики крыла, поэтому там, где это возможно, используются легкие материалы и пустое пространство. Чтобы минимизировать сопротивление и сохранить желаемую форму, важен также выбор материала поверхности крыла. В экспериментах ДеЛорье гладкая аэродинамическая поверхность с крылом с двойной поверхностью более эффективна для создания подъемной силы, чем крыло с одной поверхностью.
Другие орнитоптеры не обязательно ведут себя в полете как птицы или летучие мыши. Обычно птицы и летучие мыши имеют тонкие и изогнутые крылья, обеспечивающие подъемную силу и тягу. Орнитоптеры с более тонкими крыльями имеют ограниченный угол атаки, но обеспечивают оптимальные характеристики минимального лобового сопротивления при одном коэффициенте подъемной силы. [39]
Хотя колибри летают с полностью расправленными крыльями, орнитоптеру такой полет невозможен. Если бы крыло орнитоптера полностью вытянулось, скручивалось и махало небольшими движениями, это вызвало бы сваливание, а если бы оно скручивалось и махало очень большими движениями, оно действовало бы как ветряная мельница, вызывая неэффективную летную ситуацию. [40]
Команда инженеров и исследователей под названием «Fullwing» создала орнитоптер со средней подъемной силой более 8 фунтов, средней тягой 0,88 фунта и тяговым КПД 54%. [41] Крылья были испытаны в низкоскоростной аэродинамической трубе для измерения аэродинамических характеристик, показавших, что чем выше частота взмахов крыльев, тем выше средняя тяга орнитоптера.
Орнитоптеры несколько раз изображались в художественной литературе, в том числе в сериале Фрэнка Герберта « Дюна» , где они являются основным видом транспорта в пустыне. [42] [43]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Я бы не сказал, что эта «Дюна» соответствует тому видению, которое сложилось у меня при чтении книги. Лучше. Визуализация превосходит мое воображение — эти орнитоптеры!
