Порхающие дроны и москитный аэрофлот. О новом расцвете орнитоптеров

В моем блоге я неоднократно обращался к темам бионики – вот пара ^[1] примеров ^[2]. Бионика – это инженерная дисциплина, изучающая возможности заимствования технологических решений из живой природы. Как правило, бионика сводится к экзотическим проектам, годами пребывающим на стадии «proof-of-concept», но тем временем готовящим почву для локального технологического прорыва. Например, именно бионические разработки привели к созданию кевлара ^[3]. Тем не менее, простое заимствование идей у природы порой заводит технологию в тупик на долгие годы – пока не удастся выйти из плоскости и абстрагироваться от неоптимального решения, полученного в ходе эволюции методом проб и ошибок. Но при этом бывает и так, что ниша для давнего полуигрушечного изобретения все-таки находится. Одним из таких изобретений является орнитоптер ^[4] – летательный аппарат с машущими крыльями, а также близкий к нему мускулолет ^[5]. Именно по принципу орнитоптера должен был действовать один из первых авиа-прототипов, изображенных на эскизах Леонардо да Винчи и на заглавной картинке к этой статье.

Не так давно я обнаружил на Хабре интереснейшие публикации пользователя @Ayasmarsa ^[6]с ответами и вопросами ^[7] на тему орнитоптера, датированные 2017 годом. Предположу, что тему стоит освежить и хочу рассмотреть, в каких нишах орнитоптер может быть полезен уже сейчас.  

Некоторые исторические свидетельства, а также миф о Дедале и Икаре ^[8] позволяют предположить, что первые попытки освоить полет были рассчитаны именно на одиночный (планирующий) полет изобретателя и функционально имитировали полет птиц, а впоследствии – рукокрылых. Тем не менее, уподобить человека птице по определению очень сложно, так как нелегко сымитировать искусственное перо с присутствующей в нем воздушной прослойкой (а также функциональными характеристиками маховых перьев). Кроме того, кости человека неполые, и поэтому слишком тяжелые по сравнению с птичьими. Наконец, человек не обладает килевой мускулатурой и такими точками на корпусе, к которым нормально прикреплялись бы крылья (с сохранением рук и плечевого пояса).  Вот как резюмировал эти недостатки сэр Джордж Кейли (1773-1857), увлекавшийся конструированием аэростатов и интересовавшийся устройством орнитоптера:

Идея прикрепить крылья к рукам человека достаточно смехотворна, поскольку на грудные мышцы птицы приходится более двух третей всей ее мускульной силы, тогда как у человека те мышцы, которые могли бы приводить в движение прикрепленные к рукам крылья, не содержат и одной десятой всей мышечной массы человека. Не доказано, что в пересчете на вес человек значительно слабее птицы, поэтому представляется вероятным, что можно было бы выгодно перераспределить человеческую мускульную силу так, чтобы она прикладывалась к легкой подъемной поверхности, площадь которой относится к весу человека в той же пропорции, что и площадь крыла к весу птицы. Я совершенно уверен, что важность этого благородного искусства будет вскоре осознана человечеством, и мы сможем путешествовать по воздуху индивидуально и семьями.  Такие полеты будут безопаснее, чем путешествия по воде, причем, удастся развивать скорость от 20 до 100 миль в час. При этом необходим лишь перводвигатель, который позволит в единицу времени генерировать больше мощности (пропорционально весу), чем мышечная система животного.

Краткая история пилотируемых орнитоптеров

Знаменитый орнитоптер Леонардо да Винчи, датируемый концом XV века ^[9], никогда не летал и, вероятно, даже не был собран, оставшись простым чертежом. Вероятно, Леонардо не рассчитал подъемной силы аппарата и не смог подобрать самые легкие материалы для конструкции. Тем не менее, он явно учитывал более ранние неудачные попытки полететь на искусственных крыльях ^[10], предпринятые «прыгунами» — энтузиастами, пытавшимися не взлететь с земли, как это сделал Дедал, а стартовать с башни. Так, известен опыт монаха Эльмера из английского Мальмсбери; авиатор сконструировал крылья, на которых пролетел около 200 метров, получил при падении травмы, но выжил. Но идею пилотируемого орнитоптера все-таки удалось воплотить сразу нескольким европейским изобретателям на рубеже XIX и XX веков – именно в тот период, который закончился вскоре после появления самолета, сконструированного братьями Райт в 1903 году. Наиболее заметные орнитоптеры условно «викторианской» эпохи подробно рассмотрены на сайте «On Verticality ^[11]». Перечислю здесь некоторые из них:

Сам миф о Дедале и Икаре – это история о крайне ненадежной летательной конструкции, созданной гениальным инженером. Малоизвестно, почему Дедал и Икар решились на столь опасный побег с Крита; дело в том, что именно Дедал спроектировал дворец-Лабиринт, в котором жил Минотавр – и поэтому царь Минос держал архитектора в плену, чтобы тот не разгласил никому схему Лабиринта. Маршрут Дедала и Икара известен – Дедал долетел с Крита на Сицилию, расстояние между этими островами составляет 998 км. В 1988 году команда студентов и ученых из Массачусетского технологического института, вдохновившись подвигом Дедала, соорудила пилотируемый орнитоптер Daedalus, оснащенный машущими крыльями и весивший всего 31 кг. Аппарат представлял собой аналог велосипеда, не только с крыльями, но и со стабилизирующим хвостом; пилотировал его Канеллос Канеллопулос, 30 лет, многократный чемпион Греции по велогонкам. Каннелопулос смог благополучно добраться с Крита на остров Санторин, преодолев расстояние в 119 км; впрочем, на подлете к острову хвост аппарата сломало встречным ветром, так что Каннелопулосу повезло остаться в живых. Остается добавить, что «Daedalus 88» был аналогом «Daedalus 87», который разбился при тренировочном полете в феврале того же 1988 года на озере Роджерс ^[12] (пустыня Мохаве, штат Калифорния), где находится исследовательский полигон NASA.

Этот пример кажется мне классическим «исключением, подтверждающим правило» - практика показала, что пассажирский управляемый орнитоптер непрактичен и опасен, поскольку человек – очень тяжелая «полезная нагрузка», требующая утяжелять всю конструкцию, а птичье крыло – не только легкий, но и очень подвижный орган, конфигурация крыла постоянно меняется в ходе полета.

Тем не менее, идея орнитоптера получает новый импульс, если реализовать ее не в виде самолета, а в виде беспилотного летательного аппарата (далее БЛА). Обратите внимание: аппараты да Винчи и Трюве напоминают по форме крыльев не столько птицу, сколько летучую мышь или дракона. Кроме того, крылья орнитоптера могут функционально имитировать не только летательный аппарат птицы или летучей мыши, но и крылья насекомых, описывая при движении восьмерку – подобно стрекозьим. Для «инсектоподобных» аппаратов существует название «энтоптер».

Динамика машущих крыльев: колибри, шмель, стрекоза

У самолета «разделена ответственность» за две ключевых составляющих полета – тягу и подъемную силу. Для тяги используется двигатель, а для обеспечения подъемной силы – аэродинамическая плоскость (крыло). Именно благодаря подъемной силе объект остается в воздухе. Птичьи крылья дают тягу и подъемную силу одновременно, поэтому птице приходится активно менять форму крыла, сочетая маховые движения (преобладает тяга) и парение (преобладает подъемная сила). Большинство птиц умеют подхватывать воздушные потоки и таким образом экономить силы, даже спать в полете ^[13].

Верхняя поверхность птичьих крыльев обладает характерной кривизной, именно поэтому при полете над крылом создается область низкого давления, а под крылом – область более высокого. Поэтому, чем меньше птица, тем активнее и быстрее ей удается маневрировать, меняя положение крыла и взаимное расположение этих областей.

Вот упрощенная схема маховых движений колибри:

Маховые движения летучих мышей более частые и (казалось бы) беспорядочные, чем у птиц. Тем не менее, испытания в аэродинамической трубе показывают ^[14], что рукокрылые – более эффективные летуны, чем птицы. Высокая маневренность и подъемная сила у рукокрылых достигаются не только за счет быстрых машущих движений, но и благодаря подвижности пальцев, а также ценой заметной атрофии задних лапок. Летучие мыши не умеют взлетать с земли, при этом, известно всего несколько видов летучих мышей, способных ходить (спойлер ^[15]: вампир умеет не только ходить, но даже бегать). Аналогичный ход – пожертвовать лапками – наблюдается и у некоторых птиц, в особенности у фрегатов, проводящих большую часть жизни над водой.   

Крылья насекомых, напротив, никакой кривизны не имеют, они плоские и обычно очень тонкие. Большинство насекомых создают подъемную силу стремительными движениями в вертикальной плоскости. Этот механизм настолько сложно воспроизвести механически, что до середины XX века сохранялось убеждение, будто шмель летает вопреки законам аэродинамики ^[16]. Моделирование показало ^[17], что полет шмеля действительно не похож ни на полет птиц, ни на полет других насекомых, поскольку подъемная сила достигается не за счет аэродинамической плоскости крыльев, а благодаря тончайшей вибрации крыльев, создающих вокруг шмеля вихревые потоки. В этом отношении шмель сближается с вертолетом.

Еще более затейливо работают крылья у стрекозы, здесь нам не обойтись без гифки.

Стрекоза – древний агрессивный воздушный хищник, поэтому логично, что у нее было больше всего времени на развитие формы и динамики крыльев, а естественный отбор поддерживал, прежде всего, развитие скоростных и маневренных показателей крыла. Крылья стрекозы вычерчивают восьмерку (каждая пара – свое кольцо) и рассчитаны не только на закладывание крутых виражей в погоне за добычей, но и на «боевые вылеты» - то есть, на авиационные дуэли с другими стрекозами. Именно поэтому площадь крыльев у стрекозы доведена до максимальной, а сами они настолько тонкие, что фактически представляют собой бионический аналог слюды и даже не заживают. При этом стрекоза может резко менять скорость полета и надолго зависать в воздухе. Как подробно разобрано в этой ^[18] статье, две пары стрекозьих крыльев функционально не являются ни крылом самолета, ни винтом вертолета, а представляют собой отдельный механизм, который вполне реализуем на базе дрона.

Дроны-орнитоптеры

Рассмотрим, по каким показателям дроны с машущими крыльями могут конкурировать с современными коптерами, как правило, оснащаемыми одним или несколькими винтами вертолетного типа.

Дроны самолетного и вертолетного типа, вполне обычные в настоящее время, уже приближаются к своей предельной эффективности (во многом потому, насколько хорошо они изучены и оптимизированы). При этом дроны-орнитоптеры явно могли бы поспорить с ними как в преодолении больших расстояний, так и в маневрировании в тесном помещении. Орнитоптер не так шумен, как квадрокоптер и значительно менее опасен, поскольку крылья машут значительно медленнее, чем вращается пропеллер. Пользователь @ayasmarsa, занимающийся конструированием орнитоптеров, в первом своем посте на Хабре указывал на сложности ^[19], связанные с созданием именно тяжелых пилотируемых орнитоптеров, масса которых превышает 40 кг. Тем не менее, в своем последнем на данный момент ^[20] посте он демонстрирует видео двух крупных махолетов, «Serenity» и «FlapFlyer», которые (как можно судить по тексту) превышают массу 40 кг и оснащены двумя парами крыльев, рисунок движения которых сильно напоминает динамику крыльев стрекозы.  Логично предположить, что миниатюрные дроны стрекозиного типа как раз обладали бы основными аэродинамическими достоинствами стрекозы, и превосходили бы винтокрылые дроны схожих параметров.

Самым сложным аспектом при проектировании дрона-орнитоптера оказалось создание надежного передаточного механизма. Притом, что крылья орнитоптера движутся значительно медленнее, чем винты квадрокоптера, двигатель орнитоптера получается тяжелым и громоздким, а преодолевать сопротивление воздуха (ветра) должен не менее успешно, чем двигатель квадрокоптера. Постоянное переключение передач в орнитоптере чревато расшатыванием и дребезгом мелких деталей, что существенно усложняет установку любой сложной электроники или оптики на орнитоптере. Возвращаясь к мощной грудной и килевой мускулатуре птиц, признаем, что синтетические материалы для орнитоптера должны быть максимально легкими, прочными и эластичными, но все равно маловероятно, что они смогут сравниться по параметрам с мускулатурой птиц или насекомых. Предположу, однако, что в перспективе такие материалы можно выращивать ^[21]. Дистанционное управление орнитоптером – фактор, лишь повышающий требования к прочности корпуса, системы передач, а также к длительности работы батареи. Все эти требования, опять же, выполнимы ценой утяжеления конструкции.

Еще один аспект, отличающий орнитоптер от живого летуна, заключается в том, что практически все управляющие функции машины перекладываются на хвост (а у птиц распределяются между хвостом и крыльями). Поэтому площадь хвоста у орнитоптера приходится увеличивать, а геометрию – усложнять. Динамику крыльев удается серьезно улучшить, именно уподобляя модель стрекозе, как в этой сборке

разработанной в 2020 году китайскими и тайваньскими инженерами ^[22]. Аппарат может взлетать, резко задирая нос и увеличивая угол атаки; в такой период крыло не генерирует подъемной силы, возникает так называемое «динамическое сваливание». При динамическом сваливании крыло фактически играет роль парашюта  и позволяет контролируемо замедлять аппарат. Удалось добиться, чтобы такой орнитоптер быстро входил в режим динамического сваливания и быстро выходил из него – поэтому значительно повысилась маневренность аппарата. Он смог быстро летать в захламленном помещении, уклоняясь от столкновений, садиться на поверхность минимальной площади и даже на «жердочку». Комбинация рулевых движений хвоста и периодических переходов в динамическое сваливание позволяет дрону-орнитоптеру парить, скользить, порхать, зависать в воздухе и, самое главное, осуществлять мягкую посадку «на аэродинамике», когда батарея уже серьезно разряжена.   

Один из самых совершенных дронов-орнитоптеров, теоретически имеющихся в продаже и подтверждающих указанную здесь тенденцию к миниатюризации, является MetalFly BionicBird ^[23], который весит всего 10 грамм и летает в радиусе 100 метров.

Дрон оснащен фронтальными лампами, литий-полимерным аккумулятором ^[24] и гибкими крыльями; способен летать в течение 8 минут. Существуют и аналогичные модели орнитоптеров – потяжелее и с более узким радиусом досягаемости, например, эта ^[25], летающая на 25-30 метров, максимальная длительность работы без подзарядки также составляет до 8 минут.    

Таким образом, ключевыми показателями орнитоптеров, ради которых стоит развивать такую технику, являются бесшумность, маневренность и длительность автономной работы, а также, возможно, потенциал сохранения живучести при сильно поврежденных крыльях. Если эта статья покажется Хабру интересной, то я попробую написать и продолжение к ней – о потенциальном использовании орнитоптеров на других планетах, прежде всего, на Марсе ^[26].