Текст книги "Юный техник, 2010 № 09"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…
По примеру Карлсона

«Предлагаю снабдить каждого человека индивидуальным пропеллером с моторчиком, примерно таким же, как был у всем известного Карлсона. Тогда, между прочим, мы избавились бы не только от транспортных пробок на улицах, но и от лифтов в домах»….

Такое вот письмо прислал когда-то в «Патентное бюро» 4-классник Алексей Орлов из Тулы. Назвать это изобретением, увы, нельзя, ведь никакого технического решения Алексей не предложил. Но повод для разговора есть.

Если посмотреть на двигатель Карлсона взглядом специалиста, получится примерно следующее: Карлсон имел летательный аппарат индивидуального пользования вертолетного типа. Снаряженная масса около 3 кг, максимальная грузоподъемность 50 кг, тип двигателя поршневой, четырехтактный, использует в качестве топлива сахаристые углеводороды (варенье), расход топлива 3 л на полет, максимальная скорость – около 10 км/ч.

Теперь, отталкиваясь от этой модели, давайте поищем аналоги подобных устройств в арсенале современных конструкторов.

Начнем, с ракеты

Оказывается, при создании индивидуальных летательных аппаратов конструкторы прежде всего обратили внимание на ракеты. Так, еще в 1965 году легендарный шпион Джеймс Бонд в исполнении киноактера Шона Коннери продемонстрировал полет с помощью ракетного ранца. Причем такое устройство было вполне реальным.

Называлось оно Small Rocket Lift Device(«маленькое ракетное подъемное устройство»), сокращенно SLRD.

Создал его еще в 1958 году инженер компании Bell AerospaceУэнделл Мур. В качестве топлива SLRD использовал перекись водорода. В камере сгорания она соединялась с катализатором и, разогревшись до 700 °C, создавала реактивную струю, которая и поднимала одетого в термозащитный костюм пилота в воздух.

Первым испытателем аппарата был сам автор. Ему удалось подняться на высоту 4,5 м и маневрировать в течение 18 секунд. Немного, конечно, но ведь и автомобили начинали не с 1000-километровых пробегов.

В 60-х годах ранец имел большой успех у публики. Его показывали на выставках, снимали в фильмах, с ним устраивали разные шоу. Только не покупали, поскольку изобретатель просил за свое детище 150 000 долларов. В итоге последний раз SLRD продемонстрировали в 1984 году на открытии Олимпийских игр в Лос-Анджелесе, после чего сдали в музей Нью-Йоркского университета, где он хранится и поныне.

В начале 90-х годов американские инженеры Лэрри Стэнли и Бред Баркер создали новую версию ранца Мура – RB 2000 Rocket Belt. Их аппарат мог летать уже 30 секунд и развивал при этом скорость до 160 км/ч. Однако опасность и скоротечность таких полетов привела к тому, что и поныне ракетные ранцы считают редкой экзотикой.

Персональные геликоптеры.

Иное дело – вертолет, рассчитанный на одного человека. Таких конструкций, начиная с 60-х годов, тоже создавалось немало. И дело в конце концов дошло до того, что в декабре 2000 года американский инженер Майкл Мошье продемонстрировал разработанный им индивидуальный вертолет SoloTrek. Масса аппарата 150 кг, высота – 2,5 м. Бензиновый двигатель вращает два пропеллера над головой пилота, который находится в вертикальном положении и маневрирует в воздухе с помощью двух ручек управления.

В перспективе Мошье собирался оснастить «Солотрек» навигационным оборудованием и креслом-катапультой с парашютом.

Уже через год, 18 декабря 2001 года, аппарат прошел первые испытания. Он поднялся на 60 см и парил в воздухе 19 секунд. Экспертам этого показалось явно недостаточно, и они хотели прекратить финансирование проекта. Однако Мошье доработал конструкцию, и весной 2005 года успешно прошли испытания его четвертой версии, носящей название Springtail EFV-4A.

Теперь изобретатель предлагает свой аппарат киностудиям и паркам развлечений. Военные в качестве заказчиков тоже не исключаются: для них разработана специальная версия – Springtail XVC-4.

Индивидуальные летательные аппараты:

1– проект Леонардо да Винчи

2– вертолет Ка-8;

3, 4, 5– вертолет « Соло-трек» и его модификации.

Впрочем, Майкл Мошье и его конструкция – не единственные в своем роде. Немецкому конструктору-одиночке Андреасу Петзольдту недавно удалось разработать конструкцию газотурбинного монокоптера, который, считают эксперты, наиболее близок к тому, чтобы стать массовым.

Двигатель этого 30-килограммового летательного аппарата ранцевого типа содержит в себе камеру сгорания из титана, снабженную 12 инжекторами, впрыскивающими топливо. Поддерживающий работу турбины компрессор вращается со скоростью 1100 оборотов в секунду.

По расчетам изобретателя, одной заправки авиационным топливом хватит монокоптеру примерно на 20 минут свободного полета. Стендовые испытания модели прошли успешно, однако подниматься на аппарате в воздух пока рановато: у монокоптера недоработаны системы управления и поддержания устойчивости.

А параплан-то лучше…

Здесь, видимо, самое время вспомнить, что в 70-е годы XX века американские инженеры пытались создать для терпящих бедствие пилотов оригинальное спасательное средство – кресло-вертолет. В случае необходимости пилот катапультировался, как обычно. Только вместо традиционного парашютного купола над ним раскрывался вертолетный ротор. Раскрутившись потоком набегающего воздуха, он замедлял падение кресла с пилотом. После этого переходил в рабочее положение, и включался небольшой реактивный двигатель за спиной пилота, и тот мог до посадки улететь километров на восемьдесят, развивая скорость до 200 км/ч.

Как вариант этого устройства рассматривалась и конструкция кресла-самолета. После катапультирования стабилизирующий парашют вытягивал из спинки кресла телескопическую балку, на которой размещались раздвижные киль и стабилизатор. После этого из кресла выдвигались плоскости крыла. Далее спереди надувался обтекатель, а под креслом начинал работать реактивный двигатель.

Так выглядит аппарат Карлсона – параплан– в наши дни.

Обе конструкции прошли предварительные летные испытания, но в серию так и не пошли. Уж слишком капризны они оказались – обычный парашют куда надежнее.

«А нельзя ли еще к парашюту приделать пропеллер с моторчиком?..» Именно эта идея и привела к созданию в конце XX века параплана. Сейчас такие конструкции изготовляются серийно и стоят относительно недорого.

Например, парамотор «Пегас» вместе с пропеллером и куполом типа «летающее крыло» весит 27 кг и имеет мощность 25 л.с.

Навесив такую конструкцию на спину, словно рюкзак, парапланерист включает мотор, раздувает купол, разгоняется и взлетает, развивая скорость 20–30 км/ч.

…Получается, что с конструкцией Карлсона современные инженеры пока тягаться не могут, кое-чего добиться им все же удалось. Летать над транспортными пробками уже есть на чем. Вот только как-то трудно представить, что бабушки и мамы с колясками будут выпархивать из окон многоэтажек на парапланах. Так что лифты, наверное, из домов исчезнут еще не скоро…

Андрей СЕВЕРЦЕВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Бабочка и самолет

Говорят, люди научились летать, наблюдая за птицами. Однако не будем забывать и еще об одной разновидности замечательных летунов. Это насекомые. Не могут ли они подсказать современным ученым и инженерам, как усовершенствовать летательные аппараты, все еще уступающие по маневренности, экономичности и другим параметрам природным летунам?

Вот что рассказал нам об этом бионик Игорь КОВАЛЕВ, ученик замечательного советского исследователя полетов насекомых, кандидата биологических наук Ольги Михайловны Бочаровой-Месснер.

Бионика, напомним, это наука о применении в технике «патентов» живой природы. Существует множество примеров того, как природа подсказывала человеку решения его технических проблем. Здесь остановимся на том, как насекомые помогают людям познать тайны полета.

Ископаемые останки животных свидетельствуют, что освоение насекомыми воздушного пространства началось примерно 370 млн. лет назад, в позднем девонском периоде. Крылья первых летающих насекомых были не очень совершенными, жесткими и служили им лишь для перелета с одного растения на другое.

Следующим важным этапом эволюционного развития насекомых стало появление стрекоз около 360 млн. лет тому назад. Стрекозы имели уже более совершенные крылья и мускульный привод, что позволило им повысить скорость и высоту полета, улучшить маневренность. В общем, конструкция оказалась настолько удачной, что стрекозы благополучно дожили до наших дней, не совершенствуя свой летательный аппарат.

И все же подлинной революцией в мире летающих насекомых стало появление бабочек в раннем юрском периоде – примерно 200 млн. лет тому назад. Для того чтобы понять суть новшеств, которые природа изобрела для бабочек, обратимся к законам аэродинамики.

Сейчас ученые знают, что аэродинамическая сила машущего крыла насекомого прямо пропорциональна так называемой присоединенной воздушной массе, которая движется вместе с крылом. В свою очередь, величина этой массы определяется площадью гладкого крыла – чем оно больше, тем больше и масса.

Согласно этому закону, древние насекомые в течение 170 млн. лет, вплоть до появления первых бабочек, увеличивали величину присоединенной воздушной массы, а значит, и величину аэродинамической силы крыла, лишь увеличивая его площадь. А потому размах крыльев, например, гигантской стрекозы меганевра достигал 1 м.

А вот для бабочек природа нашла иной путь увеличения присоединенной воздушной массы. Если взглянуть на крыло бабочки под микроскопом, то видно, что его поверхность сплошь покрыта многими тысячами маленьких чешуек, длиной не более 250 мкм. Благодаря этому крыло бабочки способно «прихватывать» дополнительную воздушную массу, тем самым увеличивая воздействие воздушного потока, то есть подъемную силу крыла.

Более того, со временем чешуйки на крыльях бабочек начали располагаться в несколько слоев. У некоторых современных ночных бабочек общая толщина чешуек может достигать 1 мм и более!

Однако такое решение оказалось приемлемо только для ночных бабочек – многослойный чешуйчатый покров предохраняет ночных насекомых от охлаждения.

А вот днем подобная «шуба» приводит к перегреву бабочек в полете. Поэтому природа нашла еще одно оригинальное решение. У бабочек появились воздушные ниши внутри каждой чешуйки; они увеличивают подъемную силу, не нарушая теплового баланса насекомого.

Кроме того, такое «конструкторское» решение улучшает маневренность, стабилизирует полет, а также позволяет бабочкам летать совершенно бесшумно, не привлекая звуком внимание врагов.

Сегодня отряд чешуекрылых находится на втором месте по численности, уступая первое место лишь жукам. Причем некоторые бабочки являются рекордсменами по дальности и скорости полета среди насекомых.

Влияние чешуйчатого покрова на летные характеристики бабочек столь велико, что его повреждение лишает бабочку способности летать. Именно потому бабочек не рекомендуется брать в руки.

Учитывая все свойства чешуйчатого покрова крыла бабочки и тот большой вклад, который чешуйки внесли в эволюцию бабочек, у меня возникла идея о возможном использовании ее аналога в самолетостроении.

С этой целью была изготовлена металлическая версия чешуйки. Данная «обшивка» имела верхнюю и нижнюю плоскости. Верхняя плоскость формируется при помощи ребрышек, которые соединены между собой перемычками. Между ними располагаются воздушные окна. Нижняя плоскость представляет собой тонкую плоскую пластину. Между верхней и нижней плоскостью есть воздушная полость, образованная при помощи маленьких опор (см. рис.).

Наглядным примером чешуйки с внутренней воздушной нишей является чешуйка крыла бабочки Danaus plexippus. Верхний слой чешуйки имеет ребрышки, соединенные между собой перемычками.

Нижний слой представляет собой плоскую тонкую пленку. Трабекулы-подпорки разделяют слои, образуя внутреннюю нишу. Между перемычками верхнего слоя находятся воздушные окна.

На рисунке показан вертикальный разрез чешуйки крыла:

_{UL– верхний слой; LL– нижний слой; Т– трабекула}

Когда модель крыла с такой обшивкой была продута в аэродинамической трубе, оказалось, что при этом на 15 % увеличивается силовое воздействие потока на крыло. Летательный аппарат с подобными крыльями будет намного маневреннее обычного.

Кроме того, как показывают исследования, у ночных бабочек не случайно плотность чешуек превысила 2000 на кв. мм. В результате ультразвуковое волны локаторов летучих мышей, которые охотятся за этими бабочками, попав на чешуйки, теряют большую часть энергии и отражаются от крыла насекомого весьма слабым сигналом. Так же можно существенно снизить и радиолокационную заметность самолета.

Взаимодействие внешнего потока с «обшивкой бабочки»:

_{1– внешний поток; 2– забор воздуха во внутреннюю полость; 3– вторичный поток; 4– выброс воздуха из обшивки; HP– область высокого воздушного давления; LP– область низкого давления.}

Далее, в ходе эволюционного отбора, на крыльях бабочек из рода Plusia чешуйчатый покров стал еще своего рода зеркалом, в котором отражаются окружающие листья, травинки. В результате бабочка словно бы надела маскировочный халат. Подобная маскировка, наверное, пригодится и боевой технике.

Таким образом, как мы видим, в чешуйке бабочки заложено много всего, что может существенно улучшить летные характеристики самолетов. Такое покрытие запатентовано, и есть надежда, что со временем чешуйчатая обшивка появится на летательных аппаратах нового поколения.

Кстати…

У БАБОЧКИ ЕСТЬ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?

Бабочки могут совершать перелеты в сотни и тысячи километров. При этом скорость полета некоторых бабочек превышает 100 км/ч.

Между тем при замедленной съемке отчетливо видно, как бабочка в полете периодически складывает крылья в вертикальном положении. Подъемная сила их в этот момент равна нулю, и бабочка, казалось бы, должна терять высоту. Но на практике этого не происходит. Почему?

На этот вопрос попытались ответить ученые Института эволюционной морфологии и экологии животных РАН.

В лаборатории морфологии беспозвоночных под руководством доктора биологических наук В. Свешникова были проведены сотни экспериментов, которые показали, что бабочка-лимонница в этот момент даже получает дополнительное ускорение и взмывает вверх. За счет чего?

Съемка крупным планом с разных ракурсов показала, что в момент «схлопывания» крыльев над телом насекомого отчетливо виден канал почти с правильным овальным сечением. Это сопло своеобразного реактивного двигателя, помогающего бабочке не только держаться в воздухе, но и придающего ей дополнительное ускорение.

В самом деле, в какой-то момент передняя пара крыльев образует своего рода воздухозаборник, а задняя – реактивное сопло. При сближении крыльев бабочки смыкают сначала переднюю часть крыльевых пластин, а потом волна как бы перекатывается к их задней кромке. В итоге крылья с силой выталкивают «зажатую» между ними порцию воздуха из «сопла», создавая тем самым реактивную струю…

Поскольку эта струя направлена под небольшим углом вниз, часть реактивной силы удерживает бабочку в воздухе и даже помогает набрать высоту, а другая сообщает ей дополнительную скорость.

Всего ныне ученым известны более десятка аэродинамических эффектов, которые помогают бабочкам лучше летать.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

СПАТЬ, ЧТОБЫ ПОМНИТЬ. Президента США Джона Кеннеди, актрису Мэрилин Монро, ученого-физика Альберта Эйнштейна и премьер-министра Великобритании Уинстона Черчилля объединяла общая привычка – после обеда они любили вздремнуть.

«Это не прихоть и не лень, а насущная необходимость», – утверждают ученые из Калифорнийского университета в Беркли. Они установили, что сон улучшает способность мозга к обучению и стимулирует память. Эксперименты, проведенные на 39 добровольцах, показали, что кратковременный дневной сон, словно душ, смывает «грязь» с мозгов, бодрит, освежает, помогает перевести накопленные сведения из кратковременной памяти в долговременную.

Как полагает профессор психологии Калифорнийского университета Мэттью Уолкер, результаты эксперимента подтвердили гипотезу, согласно которой во сне новые сведения раскладываются по полочкам и результаты обучения намного улучшаются. А вот бессонные ночи на 40 процентов ухудшают способность учащихся усваивать знания.

ЯЙЦА – ДЕТЕКТОРЫ ВЗРЫВА

Специальное исследование яичной скорлупы при взрывах и ударах провели специалисты университета города Дебрецен (Венгрия). Эксперимент проводился так: ученые выдували содержимое куриного яйца через два отверстия, проколотые иголкой. Затем наполняли высушенную скорлупу водородом и помещали ее в пластиковый пакет. После этого пакет поджигали и скорлупа взрывалась, а ученые фиксировали размеры и количество получившихся осколков.

На следующем этапе исследований яйцами стреляли в мишень из гигантской рогатки. Оказалось, что при этом скорлупа распадалась на меньшее число осколков, чем при водородном взрыве.

В результате физики установили основной закон взрыва – чем сильнее давление на покрытие (например, на яичную скорлупу), тем мельче окажутся его осколки. По словам ученых, это открытие и выведенные формулы могут быть использованы для определения мощности взрывчатки, использованной при теракте.

КТО ТОРОПЛИВЕЕ?

Ученые установили, что пешеходы во всех странах мира за последние 10 лет заметно ускорили свои шаги. Самые торопливые замечены в, казалось бы, спокойном Копенгагене. Самыми же медленными людьми в Европе оказались швейцарцы из Берна.

Профессор Р. Вайзмен, руководивший исследовательской группой из Университета в Хертфордшире, считает, что результаты их работы очень важны, так как они указывают на улучшившуюся физическую форму людей. Однако американские исследователи из Калифорнийского университета опровергают мнение о том, что быстрая ходьба является показателем хорошего здоровья и физической формы. По их данным, наоборот, торопыги в большей мере страдают от болезней сердечно-сосудистой системы, вгоняя себя в стрессовое состояние нескончаемой гонкой.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ?
Дешевле некуда?.

Автомобильные концерны издавна конкурируют друг с другом в создании самых скоростных, самых шикарных, самых грузоподъемных автомобилей. Теперь, похоже, к этому перечню добавились еще и своеобразные состязания по созданию самого дешевого автомобиля.

Тон этому соревнованию задали индусы. Несколько лет тому назад индийские инженеры объявили о создании прототипа автомобиля, который, по их расчетам, в серийном производстве должен был стоить менее 2000 долларов США.

Они и в самом деле создали маленький городской пятидверный четырехместный хетчбэк (длина 3 м, ширина 1,5 м, высота 1,7 м). Вес – 600 кг. Объем двигателя – 0,6 л, мощность – 33 л.с. Мотор расположен в задней части, но вес его скомпенсирован за счет системы амортизации. Максимальная скорость – 105 км/ч. Расход топлива – около 4,55 л на 100 км пути. Емкость топливного бака – 15 л. Объем багажника – 150 л. Кузов изготовлен из листового пластика, кабина с минимальными удобствами. В базовой комплектации отсутствуют кондиционер, гидроусилитель руля, стеклоподъемники, подушки безопасности. Тем не менее, с началом производства Tata Nanoспрос на этот автомобиль оказался столь высок, что очереди вытянулись на многие месяцы, а производственная база компании не в состоянии удовлетворить спрос. В итоге руководство Tataрешило не упускать своей выгоды и повысило цену самой дешевой версии машины до 3600 долларов.

Этим обстоятельством тут же воспользовались японцы. Руководители фирмы Nissanговорят о скором выпуске микроавтомобиля, который будет стоить порядка 2000–2500 долларов. Но, похоже, борьбу за титул «самой дешевой в мире малолитражки» готовы выиграть специалисты китайской компании Geely. Для этого на базе трехместного концепта IG Fantasticони намерены разработать однодверный миникар, который будет стоить примерно 2200 долларов.

Автомобиль имеет три посадочных места, причем водительское кресло находится посередине, что при небольших габаритах кузова значительно увеличивает удобство в управлении, а кроме того, позволяет использовать автомобиль в странах как с правосторонним, так и левосторонним движением.

Дверь у концепта и в самом деле только одна. Причем открывается она не вбок, а вверх – словно «крыло чайки». Правда, конструкторы обещали также подумать и над конструкцией обычной или сдвижной двери.

В целях дешевизны конструкторы также намерены отказаться от системы вентиляции, стеклоподъемников, обивки салона и магнитолы. Зато под капот поставят совсем неплохой бензиновый двигатель объемом 1,0 л и мощностью в 70 л.с.

Китайцы обещают сделать очень качественную машину. Первые серийные автомобили должны сойти с конвейера в 2012 году.