ОРНИТОПТЕР КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ БПЛА

Понятие БПЛА, их классификация

Прежде чем приступить к рассмотрению орнитоптера, необходимо определить, что понимается под беспилотным летательным аппаратом (далее – БПЛА).

Существует множество различных трактовок БПЛА. Одну из самых простых высказал доктор технических наук Свищев Г. П.: «Беспилотный летательный аппарат – летательный аппарат (ЛА) без экипажа на его борту, предназначенный для управляемых или неуправляемых полетов» [1, с. 109].

Более подробное описание определено в Федеральных правилах пользования воздушного пространства Российской Федерации: «БПЛА – летательный аппарат, выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов» [2].

По принципу полета БПЛА классифицируют на:

1.     БПЛА с жестким крылом (самолетного типа);

2.     БПЛА с гибким крылом;

3.     БПЛА с вращающимся крылом (вертолетного типа);

4.     БПЛА с машущим крылом;

5.     БПЛА аэростатического типа.

К БПЛА самолетного типа относятся летательные аппараты, подъемная сила которых создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Данный тип аппаратов отличается высокой скоростью, а также максимальной высотой и длительностью полета. На сегодняшний день это самый распространенный тип БПЛА, который используется во многих странах мира в различных целях.

Более экономичным типом летательных аппаратов является БПЛА с гибким крылом, в которых в качестве несущего крыла используется гибкая (мягкая) конструкция из ткани, эластичного полимерного материала или упругого композитного материала, обладающего свойством обратимой деформации. Главными недостатками этого типа БПЛА можно выделить относительную трудность управления и зависимость от условий окружающей среды.

У БПЛА с вращающимся крылом, часто называемых БПЛА вертолетного типа, подъемная сила создается аэродинамически, но не за счет крыльев (как у аппаратов самолетного типа), а за счет вращающихся аэродинамических поверхностей, в роли которых выступают лопасти несущего винта (винтов). Преимуществами БПЛА вертолетного типа являются способность зависания в точке и высокая маневренность.

Одними из самых первых летательных аппаратов, попытки создания которых были еще в глубокой древности, можно считать летательные аппараты с машущим крылом, основанные на бионическом принципе – копировании движений, создаваемых птицами и насекомыми в полете. 

Особый тип БПЛА, в котором подъемная сила создается преимущественно за счет силы Архимеда, действующей на баллон с легким газом (как правило, гелием), называется аэростатическим. К этому типу, в основном, относятся беспилотные дирижабли. Наиболее типичное применение беспилотные дирижабли получили в сфере рекламы и видеонаблюдения, а также в качестве ретрансляторов сигналов.

В данной статье внимание уделяется четвертому типу БПЛА, поскольку именно он представляет особый интерес для исследования.

История и попытки создания орнитоптера в разные периоды становления авиации

Еще в давние времена люди мечтали подняться в воздух и научиться летать, подобно птицам. В древнегреческом мифе об Икаре и Дедале рассказывается о том, как Дедал сделал крылья из перьев больших птиц, перевязанных льняными нитками и скрепленных воском, для того, чтобы вместе со своим сыном улететь из плена.

Наблюдения за полетом птиц привели людей к созданию первых крыльев из прутьев, полотна и перьев. Но вскоре оказалось, что ни одни созданные по первым представлениям крылья не смогут оторвать человека от земли. Многие попытки человека взлететь после прыжка с отвесных скал или башен стоили экспериментаторам жизни.

Первым и самым известным изобретателем летательного аппарата, который имитировал технику полета птиц, является итальянский ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Он первым занялся анализом проблемы полета человека и разработал несколько моделей аппаратов, которые получили название орнитоптер.

Орнитоптер или махолет, - ЛА, крылья которого выполнены машущими с имитацией движения крыльев птицы или крыльев насекомого. Буквально орнитоптер означает «птицекрыл» (от греч. ornis, род. падеж, ornithos – птица и pteron – крыло) [1, с. 332].

Среди предложенных Леонардо да Винчи вариантов были орнитоптеры с лежащим или вертикальным расположением летчика, орнитоптер-лодка, орнитоптер с пружинным приводом и ряд других. Чертежи и рисунки спроектированных моделей летательных аппаратов сохранились и до наших дней. Первый летательный аппарат Леонардо да Винчи построил в 1485-1487 годах. В этом орнитоптере человек должен был находиться в лежачем положении, а для полета планировалось задействовать силу рук и ног. При взмахах человека крыло двигалось вниз и одновременно назад, что обеспечивало создание не только подъемной силы, но еще и направленной в сторону полета силы, которая была необходима для горизонтального полета.

Кроме Леонардо да Винчи попытки строительства орнитоптеров предпринимались изобретателями из различных стран, среди которых были Густав Трувэ (1801 год), Артур Штенцель (1897 год), Б.И Черановский (1935 год) и другие.

Принцип работы орнитоптера на примере полета птиц

Для анализа работы орнитоптера, в первую очередь, необходимо рассмотреть полет птиц, который лежит в основе данного типа БПЛА.

Аэродинамика полёта птиц сложна и на сегодняшний день известна лишь в общих чертах. Связано это с тем, что особенности строения крыльев, длина и пропорции маховых перьев, отношение массы тела птицы к площади её крыльев, степень развития мускулатуры являются решающими, но малоизученными факторами, определяющими характеристики полёта птиц [3].

Схематично физическую основу полета можно характеризовать так. Крыло всегда сверху более или менее выпукло, а снизу вогнуто, передний край крыла более толстый (здесь лежит скелет, мышцы и несколько слоев перьев), задний - тонкий и эластичный (образован лишь вершинами маховых). Обтекая верхнюю выпуклую поверхность крыла, встречный поток воздуха ускоряет движение, и над крылом образуется область пониженного давления. Создается подъемная сила, подсасывающая (поднимающая) крыло вверх. Когда в полете птица опускает крыло, одновременно протекают два процесса. Отгибающиеся под давлением воздуха первостепенные маховые концевой части крыла создают пропеллирующий эффект, в результате чего возникает тяговая сила, толкающая крыло (и птицу) вперед. Одновременно воздух обтекает основную часть крыла (область второстепенных маховых) и здесь создается, за счет разности давлений над крылом и под крылом, подъемная сила, преодолевающая силу тяжести птицы. При подъеме крыла вверх маховые несколько поворачиваются, пропуская воздух и поэтому подъем совершается с меньшим усилием. Двигающаяся вверх и назад вершина крыла создает некоторую дополнительную силу тяги, а основная часть крыла по-прежнему создает подъемную силу. Подъемная сила возникает и при обтекании воздухом тела и хвоста летящей птицы [3].

Такой полет, когда птица ритмично поднимает и опускает крылья, называется машущим. Изменяя площадь крыла и его наклон ("угол атаки"), варьируя частоту взмахов, птица изменяет величину тяги и подъемной силы, меняя тем самым скорость и высоту полета.

Аэродинамические формы птиц весьма совершенны. Клюв, голова, шея плавно вытянуты по направлению полёта, ноги поджаты и почти не выступают из перьев, напоминая самолётное «убранное шасси». Переход крыла к корпусу плавен (особенно у чаек). Хвостовое оперение минимально.

Сложности постройки и управления

Современная концепция орнитоптеров предполагает в себе два направления развития: создание пилотируемого и беспилотного орнитоптера-робота.

Первое направление связано с попытками создания управляемого летательного аппарата. Инженеры и конструкторы разных периодов становления авиации предлагали различные технологические решения, однако многие проблемы по созданию пилотируемого орнитоптера так и остались не решенными.

Второе направление по созданию беспилотного орнитоптера с появлением новых материалов и технологий получила большее развитие. На сегодняшний день известны первые созданные беспилотные роботы, которые способны совершать самостоятельные полеты, взлет и посадку. Данные разработки были представлены на промышленной ярмарке Hannover Messe 2011 немецкой компанией Festo, которая прошла в Ганновере (Германия). Хотя их характеристики весьма скромные, факт успешного создания первых автоматизированных орнитоптеров служит подтверждением интереса к данному типу БПЛА и его развития.

Несмотря на обширные знания в области орнитологии и наличие передовых технологий, вопрос создания беспилотных орнитоптеров остается открытым. Можно выделить две основных трудности, которые возникают при конструировании и проектировании:

1)    Сложность привода машущих крыльев;

2)    Сложность управления полетом.

Первая и самая главная сложность конструирования орнитоптера связана с созданием и проектированием привода машущих крыльев, обеспечивающих процесс махов крыла. Крылья птиц устроены таким образом, что в процессе полета они могут изменять свое «строение». С этой точки зрения их можно рассматривать как адаптивную систему с большим количеством степеней свободы, обеспечивающую изменение: площади крыльев, угла установки его отдельных частей; сечения профиля крыла; отклонения горизонтального оперения по вертикальной составляющей или на некоторый угол относительно горизонтальной проекции и других параметров. Сложность представляет и реализация силовой установки для такого рода системы.

Сложность управления полетом связана, в первую очередь, с обеспечением максимальной маневренности и высокой стабильности работы при изменении внешних условий, а также созданием необходимых запасов устойчивости системы. В целях сохранения энергии требуется создание системы, обеспечивающей чередование активного (машущего) и пассивного (парящего) полета. Наличие пассивной составляющей, когда орнитоптер совершает свободный полет (планирование), позволяет сэкономить количество используемой аппаратом энергии. Необходимым условием является и высокая автоматизация орнитоптера, что проявляется в применении большого числа датчиков положения и акселерометров, необходимых для самостоятельного определения режима полета.

Решение задач конструирования

Среди требований, предъявляемых к орнитоптерам, можно выделить:

1)    Высокую дальность и продолжительность полета;

2)    Малый вес и габариты;

3)    Компактность конструкции и возможность транспортировки различными видами транспорта, в том числе и вручную;

4)    Высокую устойчивость и управляемость систем;

5)    Специальные задачи.

Дальность и продолжительность полета – один из основных параметров, характеризующих БПЛА разных классов, который зависит от потребления энергии во время полета. Увеличение дальности и продолжительности полета возможно при применении более совершенных источников энергии или изменении структуры полета орнитоптера. Повышение продолжительности пассивного полета по отношению к активному так же приводит к сохранению энергии. Для сохранения энергии возможно использовать максимальное раскрытие крыльев для получения наибольшего размаха при планировании. При изучении птиц было рассчитано, что раскрытие крыльев во время пассивной фазы полета позволяет увеличить подъемную силу и сохранить до 11% энергии [4].

Еще одним основным параметром, который предъявляется к орнитоптерам, является малый вес и габарит конструкции. Это требование обеспечивается применением современных материалов, в качестве которых могут выступать композитные материалы. Скелет представленного на промышленной ярмарке в Германии орнитоптера SmartBird был изготовлен из углеволоконного композита, а оболочка – из полиуретановой пены. Такие современные материалы вместе с применением современной электронной аппаратуры позволили конструкторам получить модель весом в 450 грамм при длине корпуса в 1 метр и размахе крыльев в 2 метра.

Преимущества и перспективы применения орнитоптера

Говоря о перспективах применения орнитоптеров в современном мире, необходимо рассмотреть преимущества такого рода летательных аппаратов по сравнению с другими БПЛА.

К преимуществам орнитоптеров можно отнести:

-    Малозаметность и скрытность передвижения;

-    Высокий коэффициент нагрузки на единицу мощности силовой установки;

-    Маленькие размеры площадок для взлета и посадки, а также отсутствие необходимости в использовании специальных средств запуска орнитоптера;

-    Высокую маневренность полета;

-    Применение двигательной установки небольшой мощности, которая позволит снизить вес и энергозатраты и др.

Главным отличием орнитоптеров от других типов БПЛА является имитация полета птиц, которая обеспечивает ему скрытность перемещения. Даже на небольшой высоте при достижении высокой степени имитации будет достаточно сложно отличить орнитоптер от настоящей птицы. Такие комплексы будут обладать наибольшим интересом для военных структур, в которых необходима скрытность и эффективность действия. Возрастающие потребности Вооруженных Сил в отношении БПЛА являются подтверждением всестороннего развития беспилотников, преимущественно, отечественного производства.

Одним из основополагающих преимуществ орнитоптера является нагрузка на единицу мощности. Этот коэффициент, представляющий собой отношение веса машины к мощности двигателя, является характеристикой экономичности летательного аппарата [5]. Для сравнения коэффициентов нагрузки на единицу мощности и нагрузки на крыло была составлена таблица 1, где представлены расчетные данные птиц и отечественных и зарубежных самолетов:

Таблица 1.

 Сравнение коэффициентов

Из приведенной таблицы следует, что, несмотря на превышающую на порядки нагрузку на крыло самолетов, нагрузка на 1 л.с. у птиц на порядки превышает нагрузку у самолетов и колеблется в пределах от 35 до 135 кг [6]. Но даже по наличию примерных расчетов нагрузки можно заявить о высокой экономичности полета птиц по сравнению с самолетами. Дальнейшее изучение механики полета и применение ее для создания орнитоптера в будущем позволит получить совершенно новый тип летающих аппаратов, которые будут затрачивать гораздо меньше мощности для достижения результатов, получаемых на современных самолетах.

Немаловажным фактором служит размер площадки взлета и посадки. Наряду с БПЛА вертолетного типа, орнитоптеры предъявляют минимальные требования к площадкам взлета и посадки, позволяя производить запуск в различных условиях местности без наличия специальных приспособлений.

Таким образом, орнитоптер можно выделить как промежуточное звено между БПЛА самолетного и вертолетного типов, обладающее лучшими характеристиками обоих. Он также является одним из перспективных направлений развития беспилотной авиации, которое позволит достичь значительных успехов в сокращении энергопотребления для проведения полета. Несмотря на то, что нагрузка на крыло самолета в среднем в 10 раз больше, чем на крыло птицы, последние могут поднять в воздух на несколько порядков больший вес, чем самолет. Новые системы, имитирующие полет птиц, будут интересны как в гражданской отрасли, где их возможности перевозки грузов будут намного превышать возможности современной беспилотной авиации, так и в военных структурах, где орнитоптеры могут прочно занять место главных разведывательных аппаратов.

Список литературы:

1. Авиация. Энциклопедия / Под ред. Г. П. Свищева — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1994.
2. Постановление Правительства РФ от 11 марта 2010 г. N 138 "Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации".
3. Earls KD (2000). «Kinematics and mechanics of ground take-off in the starling Sturnis vulgaris and the quail Coturnix coturnix». J Exp Biol. 203 (4): 725-39.
4. John Videler. Avian Flight. — Oxford University Press, 2005. — ISBN 978-0-1985660-8.
5. Тихонравов М. К. Полет птиц и машины с машущими крыльями. — Киев: Тип. Государственного научно-технического издания, 1937. — 84 с.
6. Рынин Н. А. Новейшие успехи воздухоплавания. — СПб.: Тип. Ю. Н. Эрлих, 1910. — 136 с.