Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 04
Форма крыла самолета неизменна. Его поведение можно изучать при постоянной скорости. Это позволило создать хоть и довольно сложную, но достаточно точную теорию крыла.
Машущее же крыло непрерывно меняет профиль и форму. Все его точки движутся с переменными скоростями. Теория крыла самолета к нему почти неприменима. Аппаратура, позволяющая изучать мельчайшие подробности обтекания крыла самолета, абсолютно не пригодна для изучения работы крыла насекомых и птиц. А потому к созданию махолета ученые шли практически на ощупь.
Очень часто изобретатели создавали махолеты, похожие на стрекоз или птиц (рис. 1). (Возможно, это такая же ошибка, как паровоз с ногами или пароход с хвостом рыбы.) Поэтому сегодня мы уделим внимание конструкциям, в которых отсутствует слепое подражание живой природе.
В Московском авиационном институте им. С.Орджоникидзе махолетами занимаются давно. Еще в 1940 году старший инженер кафедры аэродинамики А.И. Болдырев испытал крыло. в котором колебалась лишь небольшая его часть — предкрылок (рис. 2).
Рис. 2
Оказалось, что подъемная сила крыла возрастала при этом в четыре раза да еще появлялась мощная горизонтальная тяга. Специалисты поначалу отнеслись к идее скептически. Но когда построенная инженером Б.С.Блиновым летающая модель с бензиновым мотором во время доклада взлетела прямо со стола и разбилась о потолок зала, в идею поверили. В 1946 году Болдырев построил самолет с предкрылком. (Размах крыльев — 6 м; взлетный вес — 290 кг; мощность мотора — 22 л.с.) Предкрылок на стенде создавал тягу — 90 кг, и этого было вполне достаточно для полета. Но произошла поломка пары шестерен, и больше испытания не возобновлялись.
Над махолетами работали не только в МАИ. На страницах «ЮТа» вы не раз читали о разработке в США микромахолетов размером со стрекозу или голубя. Судя по наличию патента России N? 2162428, такие работы ведутся и у нас. В этом патенте речь идет о крыле, которое представляет собой гибкий конденсатор, изгибающийся под действием электростатических сил. Но, если, судя по патентам, американские махолеты копируют движения крыльев стрекозы или мухи — крыло при ходе вниз закручивается вдоль продольной оси на некоторый угол, позволяющий создать значительную подъемную силу и некоторую горизонтальную тягу, а при ходе вверх подъемная сила не создается, а напротив, возникает толчок вниз, — крыло махолета, описанное в российском патенте, работает иначе. При движении вверх-вниз оно проходит через этапы свертывания в спираль, чем, по мнению авторов, достигается снижение отрицательной подъемной силы.
Нужно сказать, что новые патенты на летательные аппараты с машущими крыльями в нашей стране выдаются почти каждый год. Одно из таких изобретений, махолет «ПЧЕЛА» (патент РФ N? 2007337), очень любопытно.
Двенадцать створчатых крыльев аппарата расположены подобно лепесткам ромашки (рис. 3).
Каждый лепесток-крыло имеет легкий каркас, рационально пронизанный ребрами жесткости. На пересечении лепестков установлен гидроцилиндр, сообщающий ему возвратно-поступательное движение. У традиционного машущего крыла на шарнирной подвеске скорость различных точек разнится от нуля до максимальной. Значительная часть его почти не работает. У «Пчелы» все точки крыла имеют постоянную скорость, за счет чего эффективность его должна получиться в 3–4 раза выше. Есть в этом аппарате и еще одна тонкость. Крылья работают в паре с расположенными над ними неподвижными поверхностями, снабженными створками. В результате их совместного действия образуется некое подобие поршневого насоса. Крыло дает тягу как при ходе вниз, так и при ходе вверх. Аналогичным образом устроен и движитель горизонтальной тяги.
Любопытна силовая установка летательного аппарата. В основе ее свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания. Он состоит из цилиндра сгорания, передающего возникающую при сгорании топлива силу непосредственно через шток на поршень гидравлического насоса. За счет подачи им масла или другой рабочей жидкости и будут работать гидроцилиндры. Такая силовая установка должна в принципе получиться очень легкой и экономичной. К сожалению, несмотря на много попыток и десятки патентов, свободнопоршневой гидродвигатель пока не создан. Сочетание в одном изобретении двух трудноразрешимых проблем оставляет лишь незначительный шанс на успех. Впрочем, ничто не мешает на первых порах все силы сосредоточить на самом летательном аппарате, а гидропривод выполнить традиционно. В случае успеха будет получен летательный аппарат, превосходящий по скорости и экономичности вертолет.
Проблема машущего полета близка к разрешению. Мы надеемся, что наши юные читатели убедятся в этом воочию.
Рис. 4. Чтобы понять трудности, возникающие при создании махолета, полезно сделать его модель. Фюзеляж модели — сосновая рейка сечением 6х6 мм. Лонжерон крыла из бамбука. Поверхность — из трансформаторной бумаги либо лавсановой пленки. Задняя кромка крыла упрочнена соломинкой. Крылья приводятся в движение при помощи коленчатого вала и резиномотора. Но, обратите внимание, резиномотор состоит из двух пучков резиновых нитей, работающих не на скручивание, а на растяжение. Это увеличивает его КПД. Резинка наматывается на пластинки, приделанные с помощью ниток и клея к валу. Важно так выбрать угол их оси относительно вала, чтобы момент вращения, создаваемый резинкой, был максимальным, когда движение крыла требует наибольшей силы. Модель лучше запускать в спортивном зале. Длительность полета 30–40 секунд. За это время можно хорошо разглядеть все подробности движения крыльев.
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
Соль как источник энергии
Еще в 1748 году французский физик Жак Нолле поместил обтянутый пленкой из свиного пузыря сосуд со спиртом в бак с водой (рис. 1). Через некоторое время пленка выгнулась наружу, а спирт в сосуде оказался разбавлен водой.
Рис. 1
Вот как объясняется это явление. Пленка имела мельчайшие поры, непроницаемые для сравнительно крупных молекул спирта, но достаточно большие для молекул воды. Под действием теплового движения они начали просачиваться через поры в сосуд со спиртом. Давление в нем выросло. Это явление получило название осмоса. Его можно наблюдать, когда раствор и растворитель разделены проницаемой для растворителя и не проницаемой для растворенного вещества пленкой-мембраной. При этом со стороны раствора возникает осмотическое давление.
Любопытна причина его возникновения. Оказывается, молекулы растворителя, попав в сосуд с растворенным веществом, ведут себя подобно газу в пустоте — разбегаются. Как показал в 1887 году знаменитый голландский химик Вант-Гофф, осмотическое давление численно равно тому давлению, которое создало бы растворенное вещество, находясь в газообразном состоянии. (И это при том, что порой растворенное вещество, например сахар, газообразной формы попросту не имеет!)
Осмотическое давление, как и давление газа, способно совершать работу. Разумеется, растворы спирта или сахара ввиду своей дороговизны как источники энергии не пригодны.
Морская и пресная вода — другое дело! Разделив их полупроницаемой мембраной, можно получить давление до… 24 атмосфер. Как от плотины высотой в 240 метров! Для более соленых вод, например Мертвого моря или залива Кара-Богаз-Гол, напор был бы в 8 — 10 раз выше.
Отсюда следует, что в устьях рек, впадающих в море, где пресная и соленая вода попросту смешивается, теряется громадная энергия.
Способы ее получения существуют. Вот один из них (рис. 2).
Рис. 2
Речная вода по трубам направляется к гидротурбине, лежащей на дне моря. Казалось бы, вода лишь заполнит трубу, но дальше течь не будет. Но ученые предлагают за турбиной поставить мембрану, проницаемую для пресной воды. В этом случае на ней возникнет осмотическое давление. Оно создаст поток пресной воды в сторону моря, и турбина начнет работать. Получится соляная ГЭС, имеющая множество преимуществ перед обычными. Ей не требуется плотина, ни к чему затопление земель.
Есть у соляной ГЭС и недостатки. Ее машинный зал и осмотические мембраны должны располагаться на дне моря, где-то на глубине 200–250 метров. Мембраны нужно периодически чистить и обновлять, а делать это на таких глубинах не просто. Следует подумать и о том, как подействует проникновение речной воды на обитателей морского дна. Пока ни одной соляной ГЭС еще не построено. Но есть и другой способ использования энергии осмотического давления.
