*Автор: Олег Сивченко». В моем блоге я неоднократно обращался к темам бионики – вот пара примеровhttps://habr.com/ru/post/597479/. 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. 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 – летательный аппарат с машущими крыльями, а также близкий к нему мускулолет. 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 @Ayasmarsaс ответами и вопросамиhttps://habr.com/ru/post/404541/ 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 Икареhttps://godsbay.ru/antique/myths_antiq6.html 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, 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, 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 Verticalityhttps://www.onverticality.com/blog?tag=flight». Перечислю здесь некоторые из них:

Орнитоптер Густава Трюве, взлетевший в 1893 году. Управлялся человеком, но приводился в движение пороховым двигателем, который сконструировал сам изобретатель.

Орнитоптер Отто Лилиенталя, одна из моделей, датируемая 1896 годом. Авиатор совершил более 2000 полетов, но погиб в 1896 году при одном из испытаний, упав с 15 метров из-за порыва ветра.

Орнитоптер Эдварда Фроста, оснащенный двигателем внутреннего сгорания (1902 год). Фрост постепенно оптимизировал эту конструкцию, сократив количество крыльев с трех пар до одной; тем не менее, сложно сказать, осуществил ли он контролируемый полет, либо у него получились лишь длинные прыжки.

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 (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