Модели
с машущими
крыльями

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ
      Машущий полет птиц и насекомых всегда привлекает внимание той легкостью, с которой они его совершают. Наблюдения убеждают,, что, например, при полете чайка прикладывает силы не больше, чем при быстром передвижении по земле. Летящий воробей прикладывает силы не больше, чем прыгающий по земле. Но скорость их полета во много раз больше скорости передвижения по земле.
      Некоторые птицы часами держатся в воздухе и пролетают тысячекилометровые расстояния; это показывает, насколько экономно расходуют они свою мускульную энергию.
      На заре развития авиации появились маленькие модели принципиально различных схем, летавшие с помощью резиновых моторов. Среди них были модели самолетов (аэропланов), имевшие рейку, на которой крепились крыло, стабилизатор и винт, вращаемый резиновым мотором; модели вертолетов (геликоптеров), у которых на рейку крепились два противоположно вращающихся от резиновых моторов винта; и несколько хорошо летавших (моделей махолетов (орнитоптеров), у которых к рейке крепились крылья, машущие с помощью резиновых моторов.
      Через 40 лет после первых полетов этих моделей уже строили в большом количестве самолеты различных конструкций и успешно летали на них. Освоить полет на аппарате, имеющем неподвижное крыло и винт (аэроплане), оказалось нетрудно.
      Только через 60 лет после первых полетов моделей вертолетов люди смогли освоить полет на вертолете. Освоить «полет на аппа-рате с вращающимися крыльями оказалось труднее, чем с неподвижными крыльями.
      В настоящее время, спустя 90 лет .после первых полетов моделей с машущими крыльями, все еще не освоен полет на аппарате с машущими крыльями (.махолете). Освоить полет на аппарате с машущими крыльями оказалось наиболее сложным.
      После практического освоения полета на вертолете стало известно, что он расходует горючего на полет больше, чем самолет, не может развивать скорости самолета и в целбм ряде других свойств не может с ним соревноваться. Но, несмотря на это, вертолеты строят и применяют потому, что у них выявились и такие полезные свойства, которых не имеет самолет.
      Винт (ротор) вертолета, отличаясь от винта самолета только лишь размерами, дает значительно большую тянущую силу. Например, винт, установленный на самолете типа «По-2», имея диаметр 2,5 м9 дает тягу всего около 2 кг на лошадиную силу мотора. А винты (роторы) вертолета только лишь за счет увеличения размеров диаметра до 12 м дают около 14 кг тяги на лошадиную силу мотора.
      В махолетах с полностью машущим крылом тягу создавать будет все крыло, котороепо размерам намного больше винта самолета, следовательно, и тяга, создаваемая крыльями на одну лошадиную силу, а вместе с тягой и экономичность полета должны быть также очень большими.
      Полеты на махолете еще не освоены. Поэтому все качества махолета являются только предположительными. Но можно быть уверенным, что построенный и освоенный махолет будет полезен и найдет свою область применения та!к же, как нашел ее вертолет.
      Теоретически машущий полет начали изучать раньше всех других видов полета. С машущим полетом связаны имена таких замечательных деятелей и ученых, как А. Ф. Можайский, К. Э. Циолковский, Н. Е. Жуковский, В. В. Голубев, В. С. Пышнов, М. К. Тихонравов и многих других. И сейчас erfo изучают в основном только отдельные энтузиасты-любители, не использующие достаточно экспериментальную базу. Поэтому в
      теории машущего полета много неясньих и неизученных вопросов.
      К настоящему времени во многих странах построено довольно большое количество моделей разнообразных конструкций, удачно летавших с помощью машущих крыльев. По схемам некоторых наиболее удачно летавших моделей строились и строятся большие аппараты (махолеты).
      В последние годы в Советском Союзе были проведены удачные полеты на планерах с упруго подвешенными подрессоренными крыльями конструкции А. Ю. Монацкова. Планеры Монацкова строились для изучения безмоторного полета с крыльями, взмахивающими за -счет встречных порывов ветра.
      На очереди стоит полет человека на моторном аппарате с машущими крыльями.
      Изучение машущего полета на больших аппаратах (махолетах) не отрицает предварительного его изучения на летающих моделях. Модели являются своеобразными летающими лабораториями для испытания и проверки в полете различных механизмов и машущих крыльев. Сначала на модель с неподвижным крылом обычной проверенной самолетной схемы вместо винта устанавливают небольшие машущие тянущие крылышки — махалки. Это позволяет выявить в условиях полета тяговые и несущие свойства различных крылышек. Затем размеры махалок увеличивают за счет уменьшения неподвижного крыла, и самолетная модель постепенно превращается в махолетную с полностью машущим крылом.
      Совсем не обязательно, чтобы ‘модель махолета напоминала птицу или насекомое (слепое копирование природы не может дать лучших результатов, хотя внимательное изучение ее всегда приводило к открытию полезных законов и зависимостей). К числу моделей с машущими крыльями относят всякую модель, кото-рая совершает полет за счет периодически изменяющихся движений крыльев, частей крыльев или каких-либо приспособлений.
      Хорошо летающая модель с машущими крыльями крупного -размера может явиться прототипом будущего аппарата (махолета). Полеты модели способны подтвердить или опровергнуть многие теоретические рас-
      четы и предположения; следовательно, конструирование и испытание моделей является одним из первых и весьма важных звеньев освоения машущего полета. Поэтому включение огромной армии опытных авиамоделистов в (совместную работу с изобретателями в этой области ускорит освоение машущего полета.
      Эксперименты над моделями с машущими крыльями необычных новых схем помогут не только ускорить создание махолета, но и приведут к дальнейшему развитию современного самолета.
      Примером могут служить колеблющиеся предкрылки системы А. И. Болдырева, которые оказались не только хорошими машущими движителями, но и нужными для современного самолета приспособлениями для сдувания пограничного слоя и задержки срыва .потока с сопутствующим ему уменьшением подъемной силы до очень больших углов атаки.
      Данная брошюра познакомит авиамоделистов с моделями, полеты которьих или проверялись членами Комитета машущего полета или были подробно описаны в литературе.
      Желающим познакомиться с теорией машущего полета рекомендуем прочитать книги М. К Тихонравова, Г. С. Васильева и других (см. стр. 86).
     
      ПРОСТЕЙШИЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РАБОТЫ МАШУЩИХ КРЫЛЬЕВ
      Говорить о преимуществах той или иной конструкции можно лишь тогда, когда эти конструкции удается сравнить в действии. Сравнивать же можно только с помощью «меры» и «числа». В зависимости от поставленной задачи измеряемой величиной — (мерой — может быть полученная тяга, .потребная мощность мотора, скорость полета и т. д.
      Желательно получить но возможности точные замеры. Ко поскольку в области машущего полета еще очень много неясного и неизвестного, большую пользу принесет даиКе неточное сравнение. Численное сравнение поможет оценить качество испытываемой части модели.
      Ниже приводятся описания ряда простейших приспособлений, применявшихся членами секции машущего полета, для сравнения крыльев различных конструкций.
      Инженер В. В. Дыбовский, изучая крылья насекомых, укреплял модель крылышка на упругой стальной спице, зажатой в тисках или воткнутой в подставку (рис. 1). Отклонив пальцем спицу и отпустив ее, он вызывал быстрые упругие колебания свободного конца спицы и укрепленного на ней крылышка. Частоту колебаний спицы Дыбовского можно увеличивать, уменьшая длину свободного конца спицы. О величине тяги, создаваемой колеблющимся крылышком, можно судить по силе, с которой колеблющееся крылышко отбрасывает воздух на пламя горящей свечи, вставленной в поток, или же по углу отклонения легкого шарика, сделанного из ваты и подвешенного на стойке.
      Рис. 1. Спица Дыбовского, иллюстрирующая работу крыльев насекомых
      Рис. 2. Установка Д. В. Ильина для сравнения работы машущих крыльев:
      1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 5 — тяги; 4 — кабанчики крыльев; 5 — крылья; 6 — резиновый мотор; 7 — противовес
      Испытания небольших моделей на ротативной установке (рис. 2), вращающейся на оси, укрепленной на подставке, производил Д. В. Ильин. По скорости вращения установки он судил о тяге, создаваемой моделью.
      Конструктор бесхвостых планеров и трех орнитоптеров — мускуллетов Б. И. Черановский при изучении работы машущего крыла использовал в качестве ротативной машины биллиардный кий. На тонком конце кия он укреплял крылышко, приводимое в движение резиновым мотором.
      Кий он подвешивал в центре тяжести на нитке к потолку (рис. 3). При застопоренном крыле вся система находилась в равновесии. Когда крылышко кия начинало работать, кий вращался или приподнимался вверх в-зависимости от того, куда была направлена аэродинамическая сила, развиваемая крылышком.
      На этом приспособлении он сравнил много различных видов крыльев. Приводы, сообщавшие крыльям движение того или иного характера, были также разные.
      Приводим наиболее простой привод, который может изготовить каждый моделист. Он состоит из подшипника 1 обычной резиномоторной модели, сквозь который проходит проволочная ось 2. С одной стороны к ней крепится резиновый мотор 5. Примерно посредине оси припаивают маленький диск 4 из белой жести, а на оси между диском и подшипником помещают бусины и шайбы, уменьшающие трение. За шайбой свободный конец оси был изогнут так, что при вращении оси он описывал конус с углом при вершине, равным примерно 30°.
      На Зтот конец оси свободно надевалось крыло трубчатым основанием (Черановский использовал в качестве крыла перо 5, взятое из концевого участка крыла птицы). Основание крыла соединялось с концом кия мягкой спиральной пружиной 6.
      При вращении отогнутый конец оси увлекал за собой насаженное ца него крыло. От этого крыло тоже описывало конус. Во время вращения пружина стремилась удержать хорду крыла (см. приложение, стр. 83, ‘пункт 1) в неизменном положении (например, горизонтальном). Ось вставлялась в крыло близко к передней кромке, и центр давления воздуха оказывался сзади оси. Поэтому крыло при подъеме и опускании стремилось повернуться вокруг оси, слегка скручивая или раскручивая пружину, благодаря чему изменялся угол установки (ом. приложение, (пункт 2), а следовательно, и угол атаки крыла (см. приложение, .пункт 3).
      Крыло, вращаемое резиновым мотором, развивало .аэродинамическую силу (ом. приложение, пункт 4). При достаточно быстром вращении крыла оно начинало двигать кий в сторону действия результирующей силы. Если средняя суммарная аэродинамическая сила за оборот оказывалась направленной горизонтально, кий начинал вращаться. Если же сила оказывалась направленной вверх или вниз, конец кия с крылом или поднимался вверх, или опускался вниз.
      Поворачивая основание 7 спиральной пружины, плотно охватывающей конец подшипника, можно было изменять установочный угол крыла, отчего изменялось и направление результирующей аэродинамической -силы.
      На рис. 3 даны схемы таких положений крыла, при которых результирующая сила направлена вперед а и вверх б. В положение б крыло переводится поворотом пружины на кие на 90°.
      Б. И. Черановский считал, что лучшим видом вращения крыла было такое, когда конец крыла из верхней точки А двигался вперед и вниз, как это показано на рис. 3.
      Опыты, поставленные Г. В. Рыбниковым на аналогично действующей установке, показали, что аэродинамическая сила может быть получена большей величины, если установочные углы атаки .изменяются жестким приводам по заданной программе, а конец крыла из верхней точки движется назад и вниз, т. е. в сторону, противоположную направлению вращения крыла на приборе Че-рановского.
      Изобретатель П. Ф. Шалимов для испытания сделанных им крыльев укрепил их на втулке, которая может вращаться на оси, удерживаемой в руке (рис. 4). Перемещая вверх и вниз муфточку, насаженную на эту же ось, можно приводить при помощи тяг крылья в движение, напоминающее взмахи крыльев птицы.
      При взмахах каждое крыло создает тягу. Ко втулке крылья крепятся так, что силы тяги, возникающие на крыльях, приводят всю установку во вращение вокруг рукоятки. Меняя крылья или амплитуду их колебаний, можно по скорости вращения системы судить о развиваемой крыльями тяге.
      Рис. 4. Приспособление П. Ф. Шалимова для сравнения работы машущих птицеподобных крыльев
      Рис. 5. Приспособление В. М. Андреева для испытания крыльев, совершающих параллельные взмахи
      В. М. Андреев для испытания крыльев симметрично укреплял их на жестком стержне, соединенном с осью, которая может вращаться внутри рукоятки.
      Взяв в руки вертикально расположенную рукоятку и делая ею движения сверху вниз и снизу вверх, он полу-
      чал параллельные взмахи крыльев, в результате чего на крыльях появлялась сила тяги, заставлявшая их приходить в быстрое вращение вместе со стержнем внутри рукоятки (рис. 5).
      На этом приспособлении В. М. Андрееву удалось выяснить, что у каждой пары крыльев с различными величинами размаха и хорды есть какая-то наивыгоднейшая величина хода вверх и вниз, при которой они развивают наибольшую тягу, о чем можно судить по числу оборотов. Для подсчета числа оборотов в секунду он привязывал нитку, которая во время эксперимента свободно наматывалась на вращающуюся ось. Разматывая затем Спокойно нитку, он мог сосчитать, сколько оборотов- сделали крылья в замеренное время вращения.
      При помощи этого приспособления были испытаны крылья, свободно поворачивающиеся вокруг лонжерона, как вокруг оси (в пределах допускаемых ограничителями поворота), и таким образом легко изменяющие свои установочные углы от положительных до отрицательных. Затем были испытаны крылья, изменяющие свои установочные углы вследствие большой гибкости задней кромки. Были испытаны также и жесткие, почти не гнущиеся крылья.
      Рис. 6. Приспособление С. Ф. Мишина для испытания крыльев с осью скручивания АБ, расположенной под углом к оси крыла ВГ
      При первых движениях жестких крыльев вверх и вниз у них углы атаки оказывались близкими к +90° или — 90°, но, несмотря на такие большие углы атаки, крылья создавали тягу и приходили во вращение.
      Жесткие крылья давали до! 150 об /мин, а упругие крылья — до 180 — 190 об/мин.
      С. Ф. Мишин на аналогичном приспособлении укреплял в качестве крыла кусок тонкой трехслойной фанеры, вырезанной так, чтобы направление внешних слоев-, составляло с .передней кромкой угол, равный 45°. Трехслойная фанера всегда изгибается так, что ось сгиба-оказывается параллельной внешним слоям.
      Благодаря такому расположению слоев, фанерная-полоса при быстрых подъемах и опусканиях изгибалась, так, что получал# винтообразную закрутку, способствовавшую вращению крыльев в одну и ту же сторону (рис. 6).
      Особенно оригинальны были фанерные голуби Ми шина. Направление внешних слоев у каждого фанерного крыла составляло также 45° с осью корпуса. Голуб и-попарно крепились к концам изогнутых стержней, свободно вращающихся на длинной оси-рукоятке (рис. 7).
      При быстрых подъемах и опусканиях рукоятки
      Рис. 8. Приспособление Г. С. Васильева для изучения работы параллельно машущих крыльев
      Рис. 9. Испытание машущих крыльев человеком, стоящим на коньках: а — путем параллельных взмахов; 6 — путем качания через плечо
      крылья голубей, отгибаясь, закручивались так, что оба создавали тягу, приводившую стержни во встречное вращение.
      Aвтором этой брошюры было сделано приспособление для испытания двух параллельно расположенных машущих крыльев, периодически движущихся навстречу друг другу. При таком движении каждого крыла у них вдоль всего размаха углы атаки оказываются почти одинаковыми. Подбирая для заданной скорости полета нужное число взмахов, можно добиться того, чтобы угол атаки был у всего крыла наивыгоднейшим.
      Приспособление подвешивалось на нитке к потолку я летало по кругу. Конструкция приспособления, сделанного из соломы, достаточно хорошо видна на рис. 8.
      Б. И. Черановский производил испытания, стоя на льду на коньках и удерживая в руках крылья, имевшие около 4 м в размахе, махал ими. Скорость движения на коньках .показывала величину тяги, возникающей на крыльях.
      При параллельных взмахах он опускал крылья за счет приседания и вытягивания рук (рис. 9), а поднимал вверх — за счет распрямления корпуса и поджатия рук.
      Кроме параллельных взмахов, он применял раскачивание крыльев, напоминающее движение байдарочного весла. Осевая труба, соединяющая правое и левое крылья, опиралась на шею и плечи. Поднимая руками нравое крыло, он опускал левое и, наоборот, поднимая левое, опускал правое.
      Работу большинства описанных приспособлений автор видел. Он убежден в том, что, несмотря на их тгри митивность и невысокую точность показаний, все замеры и наблюдения, произведенные на них, все же позволяют изучать качественную и оценить количественную стороны работы крыльев различных типов.
     
      МОДЕЛИ, ИМЕЮЩИЕ НЕБОЛЬШИЕ МАШУЩИЕ КРЫЛЫШКИ И БОЛЬШОЕ НЕПОДВИЖНО УСТАНОВЛЕННОЕ КРЫЛО
      Модели, имеющие небольшие машущие крылышки при значительных неподвижных крыльях, служат как «бы своеобразными летающими лабораториями, на которых удается испытывать механизмы и машущие жрылья. Такие модели являются первым этапом освоения машущего полета.
      Одной из первых удачно летавших моделей, имеющей небольшие машущие крылышки, создающие тягу, я значительное неподвижно установленное крыло, создающее подъемную силу, была модель Х-арграва, испытанная в 1889 году (рис. 10). По внешнему виду модель не похожа на современные. Она имела несущее крыло с размахом, почти равным хорде, и с большим поперечным V. Горизонтального и вертикального оперений на модели не было.
      Крылышки приводились в движение одноцилиндровой паровой машиной. Паровой котел, обогреваемый-горящей ватой, пропитанной спиртом, одновременно-являлся корпусом модели.
      Поршень своим штоком был соединен непосредственно с концами лонжеронов крылышек. Оси качания крылышек прикреплялись к корпусу цилиндра двумя парами качающихся сережек.
      Таким образом, прямолинейное движение поршня-вверХ-вниз передавалось непосредственно на машущие крылышки, не преобразуясь предварительно, как это наблюдается у современных двигателей, во вращательное движение коленчатого вала, создающего добавочные потери.
      Крылышки, установленные только на концах лонжеронов, работали лучше установленных вдоль всего лонжерона. Расчаливание лонжеронов машущих крыльев-ниточками вперед и назад предупреждало возможность-их отклонения.
      Нам неизвестны детали устройства паровой машины этой модели, но по фотографии можно установить, схему ее действия. В верхнем крайнем положении поршня (рис. 11,а) пар, подводимый по трубке, проходит через отверстия в золотнике в верхнюю половину цилиндра и начинает опускать поршень. Шток поршня, опуская концы лонжеронов махалок, одновременно скользит осью-поводком в продолговатом отверстии золотника. К моменту подхода цоршня к нижнему крайнему положению ось-поводок надавливает на нижний: обрез продолговатого отверстия и опускает золотник.
      Перемещение золотника отсекает доступ пара в верхнюю половину цилиндра и направляет его в нижнюю половину цилиндра. Кроме того, при этом па,р из верхней половины получает свободный выход наружу. В результате поршень начинает двигаться вверх, увлекая за собой лонжероны и ось-поводок. Ось-повюдак, скользя в продолговатом отверстии, не смещает золотника с места и не перекрывает пара до момента полного подъема поршня.
      Рис. 11. Схема движения штока, золотника и крыльев:
      а — крайнее верхнее положение поршня и золотника; 6 — крайнее нижнее положение поршня и золотника; 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шток поршня; 4 — золотник; 5 — качающиеся подвесные сережки; 6 — ось-поводок золотника; 7 — продолговатое отверстие для поводка; 8 — пароподводящая трубка; 9 — лонжероны машущих крылышек
      В конце подъема поршня ось-поводок передвигает золотник вверх и переключает пар на опускание поршня. Желающим построить двигатель подобного типа следует прочитать книгу 3. Б. Микиртумова «Двигатели летающих .моделей самолетов».
      Более современная модель с маленькими машущими и большими неподвижными крыльями, использующая в качестве двигателя резиновый мотор, была изготовлена Е. Суховым (рис. 12). Ее внешний вид и конструкция напоминают фюзеляжную модель самолета. Только на месте тянущего винта расположена пара колеблющихся крылышек. Такие крылышки создают приличную тягу, но, как (правило, требуют для полета модели значительно более толстогб резинового мотора, чем это нужно для вращающегося винта.
      На первом всесоюзном конкурсе летающих моделей с машущими крыльями в 1950 году В. Г. Яковлевым была представлена комнатная модель с несущим неподвижным крылом и четырьмя машущими крылышками впереди (рис. 13). Машущие крылышки были соединены попарно тонкими бамбуковыми стерженьками, которые совершали периодически меняющиеся встречные взаимно уравновешивающие движения, напоминающие движения ножниц.
      С крыльями, движущимися по схеме ножниц, Б. И. Черановоким изготавливались не только летающие модели, но и планер, на котором пилот Пищучев показал удовлетворительные по устойчивости и управляемости планирующие полеты как с закрепленными крыльями, так и с крыльями, приводимыми в движение мускульной силой ног пилота. Ощутимого увеличения дальности полета при взмахах в этих испытаниях зафиксировать не удалось.
      Так как участки машущих крылышек, расположенные вблизи оси вращения, почти не создают тяги, машущие крылышки прикреплены к стерженькам на некотором удалении от оси вращения.
      Модель Яковлева показала наибольшую продолжительность полета. Взлетев с рук, она продержалась в воздухе 2 минуты, а при взлете с земли — 1 мин. 30 сек.
      Модель легко поднималась с земли и набирала высоту до 10 м.
      Несмотря на необычность схемы и недостаточный опыт освоения полета с помощью машущих крыльев, полученный результат в то время (был близок к рекордным достижениям винтовых комнатных моделей.
      Модель весила 6 г, была размахом 700 мм, резиновый мотор ее состоял из 6 ниток резины сечением 1X1 мм Модель собрана из тонких соломинок. Крылья ее обтянуты микропленкой.
      Желающие делать комнатные модели могут ознакомиться с соответствующей литературой (ем. стр. 86), в которой описаны различные применяемые материалы и особенности изготовления столь легких моделей.
      На конкурс 11950 года В. Г. Яковлевым и Ю. С. Гуляевым была также представлена схематическая резиномоторная модель с несущим неподвижным крылом и четырьмя машущими крылышками впереди, движущимися по схеме ножниц (рис. 14).
      Эта модель прекрасно взлетала с земли и рук и быстро набирала высоту. На конкурсе она заняла второе место пo продолжительности полета, пролетев 20 секунд.
      Модель весила 35 г. Размах неподвижного крыла был 880 мм, размах машущих крыльев — 440 мм. Резиновый мотор состоял из 40 ниток резины сечением 1X1 мм
      Фюзеляж модели был сделан из тростника сечением 10 мм, лонжероны крыльев — из сосновых реек. Нервюры, закругления крыльев и оперения выполнены из бамбука. Обтянута модель папиросной бумагой.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ