Подсказки бионики
Первым примером применения бионики были эксперименты братьев Отто и Густава Лиллиенталей (Германия, 1893), исследовавших крылья крупных птиц с инженерной точки зрения. Базируясь на полученных данных, они построили первый летающий планёр, имеющий профиль крыла, как у птиц, и опубликовали книгу «Полёт птиц как основа искусства летать». В дальнейшем эта книга была переведена на многие языки и послужила мощным толчком развития авиации в Америке, Европе и в России. Замечательный русский конструктор Василий Слесарев в начале прошлого века исследовал полёт насекомых, строение их крыльев и на базе этого создал новую конструкцию винта большого диаметра на своём самолёте «Святогор».
Посмотрим, чем же так интересны их крылья для инженера XX века.
Первые летающие насекомые появились примерно 470 млн лет тому назад. Поверхности их крыльев были жёсткими и служили им только для планирования с одной ветки на другую. Понятно, что такой полёт был весьма примитивен, малоуправляем и в большой степени зависел от погоды. Подлинной революцией стало появление стрекоз на рубеже между девоном и карбоном (примерно 360 млн лет тому назад). Их крылья содержали два тонких слоя кутикулы, что сделало крыло очень лёгким и гибким. Кроме того, более совершенный мышечный аппарат груди позволял стрекозе совершать как быстрые колебания крыла, так и быстрые вращения его вокруг своей продольной оси. Всё это позволяло стрекозе совершить мгновенный бросок и захват жертвы, что благоприятно повлияло на популяцию данных насекомых. Так, гигантская стрекоза меганевра, размах крыльев которой достигал метра, в небе каменноугольного периода господствовала безгранично.
Предки современных бабочек, насекомые с размером крыльев не более 15 мм, жили в далёком юрском периоде (примерно 220 млн лет тому назад). Они служили пищей мелким и весьма подвижным рептилиям, детёнышам крупных динозавров, крошечным птеродактилям. Но наиболее опасными их преследователями были стрекозы: к тому времени они уже более 100 млн лет ловили свои жертвы в быстром броске. Из законов аэродинамики и из жизни современных бабочек мы можем описать особенности полёта их древних предков.
Силовое воздействие F воздушного потока на тонкую гладкую пластину (крыло) подсчитывается по формуле
F = Cf S ρo V2/2,
где Cf — коэффициент сопротивления; S — площадь обтекаемой гладкой пластины; ρo — плотность воздуха; V — скорость воздушного потока. Расчёты показывают, что силовое воздействие потока на крыло предка бабочек было небольшим. Во-первых, малые размеры крыла делали низким значение S; во-вторых, мышцы насекомых, как показывают их останки, были весьма невелики, что свидетельствует о низкой частоте взмахов крыльями, и, следовательно, скорость воздушного потока V была мала. И в-третьих, плотность атмосферы начала юрского периода несколько меньше современной (ρ = 1,1 кг/м3 против 1,23 кг/м3 сегодня). Из сказанного следует, что полёт древних предков бабочек был медленным, длился недолго, а высота полёта не превышала метра. Полёт современных насекомых, имеющих аналогичные особенности строения тела, подтверждает это заключение. Как видно, древнее животное оказалось в тупиковой ситуации: чтобы улучшить подвижность в полёте, надо усилить воздействие воздушного потока на крыло. А для этого необходимо увеличить размеры насекомого, изменить строение грудного отдела, крыла, мышц и т.д., что делает жертву более заметной и тем самым существенно тормозит её эволюционное развитие.
В этой ситуации древние предки бабочек нашли весьма оригинальное решение, произведя подлинную революцию в мире насекомых. Суть данного новшества проиллюстрируем на примере прямоугольного тонкого крыла.
Известно, что объём воздуха, который взаимодействует с крылом в воздушном потоке V равен объёму воздуха Vc, заключённому в мнимом цилиндре, диаметр которого равен ширине С данной гладкой пластины. Обычно, чтобы у насекомого возросло силовое воздействие F на крыло, у него увеличивается площадь несущей поверхности крыла S.
Но древние бабочки нашли иной способ: вместо увеличения размеров крыла они создали на нём чешуйчатый покров, состоящий из многих тысяч маленьких чешуек, размер которых не превышал 230 × 80 микрон.
Чешуйчатый покров образовывал воздушную нишу высотой h, которая создавала дополнительную воздушную массу Vρ и тем самым увеличивала силовое воздействие воздушного потока на крыло.
По аналогии влияния чешуйчатого покрова на лётные характеристики современных бабочек можно с уверенностью сказать, что чешуйки кардинально изменили характер полёта древних животных: из вялопротекающего и маломанёвренного он стал энергичным и манёвренным, что позволило насекомому производить мелкие и быстрые броски в непредсказуемых направлениях. Это резко затруднило преследователю бабочки поразить свою цель, а у неё появилось больше шансов уйти от хищника. Очевидно, что, чем больше высота воздушной ниши h, тем больше силовое воздействие воздушного потока на чешуйчатое крыло бабочки. Чтобы увеличить величину воздушной ниши h, чешуйки располагаются на крыле в несколько слоёв. У некоторых ночных бабочек величина h может достигать миллиметра и более. Однако это решение оказалось приемлемо только для ночных бабочек (многослойный чешуйчатый покров предохраняет ночных насекомых от охлаждения) и не подходит для дневных (он приводит к перегреву). И здесь природа вновь находит оригинальное решение. Она создаёт воздушную нишу внутри самой чешуйки. При этом увеличивается силовое воздействие воздушного потока на крыло, но не нарушается тепловой баланс летящего насекомого. Есть и ещё один положительный момент: вес однослойного чешуйчатого покрова не превышает 5%, в то время как вес многослойного может достигать 25% от веса крыла.
Наглядный пример чешуйки с внутренней нишей — чешуйка крыла бабочки Адмирал Pyrameis atalanta (L.). Верхний слой чешуйки имеет рёбрышки, которые соединены между собой перемычками; каждое рёбрышко имеет Λ-профиль. Нижний слой представляет собой плоскую тонкую плёнку. Трабекулы разъединяют слои, образуя внутреннюю нишу. Между перемычками верхнего слоя создаются воздушные окна.
Всесторонние исследования показали, что данный покров обладает широким спектром функциональных возможностей, которые можно разбить на четыре группы в зависимости от выполняемых ими задач:
1. Увеличивает подъёмную силу крыла, управляет микропотоками воздуха возле крыла и стабилизирует полёт.
2. Ослабляет воздействие климатических факторов (сохраняет тепло и отражает солнечные лучи), усиливает водо-, пылеотталкивание и стекание статического электричества с поверхности крыла, придаёт защитную окраску, обеспечивает акустическую скрытность и локационную малозаметность, препятствует попаданию в ловчие сети паука и липкие выделения растений.
3. Придаёт следующие окраски: распознавательные (видов и полов), привлекательные и сигнальные при спаривании; андрокониальные чешуйки источают специфические запахи.
4. Обеспечивает автономию чешуйки, прикреплённой к поверхности крыла.
И это далеко не полный перечень возможностей чешуйчатого покрова бабочек.
Появление чешуек на крыльях древних насекомых дало существенные преимущества в борьбе за выживание, благоприятно отразившись на популяции бабочек. Так, сегодня отряд чешуекрылых — второй по численности среди насекомых, а отдельные его представители — рекордсмены по дальности и скорости полёта.
И теория, и экспериментальные данные показали, что качество поверхности обшивки влияет не только на аэродинамические параметры самолёта. Так, после Второй мировой войны американский инженер В. Крамер исследовал кожу дельфина и спроектировал двухслойное покрытие из резины и силикона, копирующее её. Покрытие на 40% уменьшало сопротивление обтекания. Другой пример: шкура акулы собрана из множества так называемых кожных зубчиков (dermal denticls), внешние поверхности которых имеют маленькие рёбрышки. Немецкий исследователь Д. Бехерт изучал это покрытие и выяснил, что оно уменьшает гидравлическое сопротивление тела акулы. Специалисты NASA также изготовили аналогичное покрытие, продули его в аэродинамической трубе и выяснили, что металлический аналог акульей шкуры уменьшает сопротивление обтекания на 8%. Позднее это покрытие, успешно применённое на авиалайнере «Airbus-340», уменьшило сопротивление его обтекания на 5%. И это далеко не полный список «подсказок» природы и их удачных механических аналогов.
Обшивка бабочки
Благодаря описанным выше положительным свойствам чешуйчатого покрова крыла бабочки появилась идея использовать её металлический аналог в самолётостроении. С этой целью была изготовлена металлическая версия чешуйки, названная «обшивка бабочки». Её установили на модели крыла и продули в аэродинамической трубе.
Результаты исследований показали, что при резком увеличении угла атаки крыла, возникающем при совершении летательным аппаратом манёвра, «обшивка бабочки» увеличивает на 15% силовое воздействие потока на крыло, причём оно на 60% продолжительнее, чем воздействие на такое же крыло, но с гладкой обшивкой. Более того, «обшивка бабочки» уменьшала на 9% вибрацию крыла в воздушном потоке.
На рисунке схематически изображён механизм взаимодействия чешуйки с внешним потоком 1. Резкое увеличение угла атаки приводит к росту давления HP на внешнюю поверхность обшивки крыла. Разность воздушного давления, возникшая между HP и участком внутренней полости с низким давлением LP, приводит к затеканию воздуха 2 во внутреннюю полость обшивки. Это приводит как к увеличению давления в этой полости, так и к образованию вторичного потока 3 в направлении от закрытого края к соплу концевого края. Λ-профиль рёбрышек образует каналы между верхней и нижней поверхностями обшивки. Эти каналы определяют направление вторичного потока 3 и выброс воздуха 4 из сопла обшивки. Таким образом, объём воздуха, который взаимодействует с «обшивкой бабочки», намного превышает объём воздуха, взаимодействующего с гладкой обшивкой, и увеличивает силовое воздействие на крыло. Кроме того, в турбулентном потоке, который возникает при резком увеличении угла атаки крыла, неизменно наблюдаются перепады воздушного давления, но внутренняя полость их компенсирует. А течение воздуха во внутренней полости приводит к диссипации энергии колебания, снижая вибрацию крыла.
Поскольку применение «обшивки бабочки» увеличивает силовое воздействие потока на крыло в момент совершения самолётом манёвра, темп его разворота существенно возрастёт и маневрирование будет более энергичным. Тем самым данная обшивка создаст больше шансов лётчику боевой машины выйти победителем в ближнем бою.
Чешуйчатый покров не только улучшает манёвренность летательного аппарата. Летучие мыши издают ультразвуковые сигналы, которые, отражаясь от летящего насекомого, точно указывают хищнику место и скорость полёта жертвы. Чтобы остаться незамеченными, ночные бабочки уплотнили свой чешуйчатый покров до 2000 чешуек на квадратный миллиметр при толщине 1 мм. В результате ультразвук, попав на данное покрытие, теряет бóльшую часть своей энергии и отражается от крыла насекомого весьма слабым сигналом. Аналогичная конструкция может существенно снизить радиолокационную заметность летательного аппарата.
«Обшивка бабочки» может служить не только для успешного ведения боевых действий, но и для безопасности полёта любого летательного аппарата. Чешуйки способны производить отрыв сочленения прилипших отростков от поверхности крыла. При этом совершенно не портится крыловая мембрана, толщина которой не превышает нескольких десятков микрон. Если бы данная идея была применена на космических челноках, то, возможно, удалось бы избежать крушения корабля Columbia, произошедшее вследствие отрыва тепловой пластины, приведшего к повреждению топливных баков ракетоносителей и к взрыву.
Таким образом, в маленькой чешуйке бабочки заложено очень много полезных идей. Они могут и должны улучшать лётные характеристики самолёта, повышать безопасность полёта, а также снижать затраты на поиск новых конструкторских решений. Уникальность данного изобретения состоит в том, что оно не требует изменений в уже существующей конструкции самолёта, достаточно только «переодеть» его в «обшивку бабочки». За Россией закреплено первенство в данных исследованиях (Россия, патент № 2061915, 1996, автор И. Ковалёв).
В заключение я хочу поблагодарить своего учителя — кандидата биологических наук О. М. Бочарову-Месснер, чьи научные работы легли в основу моих исследований, и лётчика первого класса Е. Б. Капарчука за помощь и поддержку при работе над этой статьёй.
Литература
Kovalev I. Butterflies and helicopters // Bulletin of the Entomological Society of Canada, 2005, Vol. 37 (3), September, pp. 140—142.
Kovalev I.S. Acoustic properties of wing scaling in Noctuid Moth Barathra brassical L. (Lepidoptera, Noctuidae) // Entomological Review, 2003, Vol. 82, No. 2, pp. 270—275.
Kovalev I.S. Effect of the scales coverage of the moth gastropacha populifolia esper (Lepidoptera, lasiocampidae) on the reflection of the bat echolocation signal // Entomological Review, 2004, Vol. 83, No. 3, pp. 513—515.
Kovalev I. The Functional Role of the Hollow Region of the Butterfly Pyrameis atalanta (L.) Scale // The Journal of Bionic Engineering, 2008, Vol. 5, Issue 3, pp. 224—230.
