Тайна полёта птеродактиля: крылья бегущей волны
А. А. Гришаев, независимый исследователь
Окаменелости останков птерозавров с очевидностью свидетельствуют о том, что эти создания имели пару крыльев — каждое из которых представляло собой, в расправленном виде, кожистую перепонку, натянутую между скелетным «хлыстом» передней кромки крыла и корпусом. Судя по многочисленности этих окаменелостей, птерозавры не были ошибкой Природы: они использовали свои крылья по назначению, причём умели не только планировать, но и владели техникой полёта с активной тягой.
Казалось бы, птерозавры могли создавать активную тягу на таком же принципе, какой используют летучие мыши и птицы. А именно: при маховых движениях их крыльев, реактивная тяга возникает из-за отбрасывания воздуха назад гибкими задними участками крыльев, которые пассивно изгибаются вверх при махе крыльями вниз, и наоборот [1]. Однако, существует ограничение на вес существа, использующего такой машущий полёт. Чтобы держать в воздухе всё больший вес, требуется — при той же скорости полёта — всё большая площадь крыльев, а при увеличении этой площади увеличиваются силы сопротивления маховым движениям, для преодоления которых требуются всё более мощные мышцы, т.е., опять же, всё больший вес… Получается заколдованный круг. Сегодня самыми крупными летающими птицами считаются кондоры, достигающие веса всего-то в 15 кг (при этом они утаскивают баранов по 40 кг). Но птерозавры существенно превосходили кондоров по размерам крыльев и весу! «К летающим ящерам принадлежали… гиганты — например, птеранодон, найденный в 1975 г. при раскопках в национальном парке Биг-Бенд в Техасе (США): размах его крыльев достигал 15.5 м. Это одно их самых удивительных существ, когда-либо обитавших на Земле. Его крылья вчетверо (и более) длиннее, чем у альбатроса, кондора и других современных животных-«авиаторов». Под такими крыльями было, словно маленький мотор, подвешено мизерное в сравнении с ними туловище. Некоторые учёные считают, что птеранодон даже не мог махать крыльями!» [2]
Действительно, махать крыльями по-птичьи птеранодон физически не мог. Ведь у него не было аналогов ни птичьих грудных мышц, ни птичьей килевой кости, к которой крепятся сухожилия этих мышц. Т.е., махать крыльями по-птичьи ему было просто нечем. Но не мог ли он приводить крылья в движение иным способом?
Исследователь птерозавров К.Гумеров [3] обращает внимание на непропорциональность в их анатомии: довольно-таки мощную шею и большую голову. Если бы птерозавр вытянул шею вперёд — как это делают в полёте, например, гуси — то его центровка оказалась бы далеко впереди первой трети крыла, поэтому птерозавр свалился бы в пикирование. Для обеспечения центровки горизонтального полёта, птерозавру пришлось бы выгнуть шею назад-вверх по-лебединому, чтобы его голова оказалась примерно над первой третью крыла. К.Гумеров полагает, что махи крыльями производились благодаря маятниковым движениям тяжёлой головы на могучей шее [3]. Но каким же образом разрывался вышеназванный заколдованный круг?
Впрочем, мы усматриваем теоретическую возможность некоторого выигрыша в работе машущих крыльев при горизонтальном полёте, если они приводились бы в движение через колебания тяжёлой головы мышцами изогнутой шеи. При сопоставимости масс, во-первых, головы плюс шеи, и, во-вторых, корпуса плюс крыльев, шейные мышцы «болтали» бы не только голову, но и корпус: когда, по отношению к центру масс, голова двигалась бы вверх, корпус двигался бы вниз, и наоборот. Таким образом, основаниям крыльев сообщалось бы колебательное движение вверх-вниз — что и являлось бы источником их движений, т.е. работал бы метод «возбуждения колебаний пластины через болтанку закреплённого конца». При этом, движения крыла не являлись бы, в строгом смысле, махами, ведь здесь основание и конец крыла двигались бы в противофазе — и, значит, где-то посередине длины крыла находилась бы узловая линия с нулевой амплитудой колебаний.
Такой режим колебаний крыльев птерозавра — с наличием узловой линии — допускал бы, на наш взгляд, несколько большие, чем у птиц, размеры крыльев и полётный вес. Действительно, сила сопротивления маховому движению прямо пропорциональна площади крыла и квадрату скорости махового движения. У крыла птицы нулевая амплитуда колебаний приходится на соединение крыла с корпусом, а у крыла птерозавра она приходилась бы на середину крыла. Поэтому, при одинаковых угловом размахе и частоте движений крыла, средняя скорость махов у крыла птерозавра была бы вдвое меньше, чем у птичьего крыла такой же длины. Тогда, при одинаковых коэффициентах динамического сопротивления махам и одинаковых отношениях длины крыла к ширине, крыло птерозавра испытывало бы такое же сопротивление махам, что и птичье крыло, будучи длиннее его в 41/4»1.41 раз (всего-то!) При этом площади крыльев птерозавра и птицы относились бы как квадраты их длин, т.е. крыло птерозавра имело бы вдвое большую площадь. Соответственно, при одинаковой скорости полёта и одинаковых коэффициентах аэродинамического сопротивления, крылья птерозавра имели бы вдвое большую подъёмную силу, что позволяло бы удерживать в воздухе вдвое больший вес. Но, даже при этих идеализированных допущениях, проблема полёта птерозавра, очевидно, далеко не решается. К тому же, как можно видеть на репродукции окаменелости птеродактиля — Рис.1, с общедоступного веб-ресурса [4] — для болтанки головы на выгнутой назад шее эта шея слишком коротка — с учётом большой длины шейных позвонков.
Рис.1.
Итак, птеродактили не могли махать крыльями ни по-птичьи, ни через раскачку корпуса из-за отдачи при болтанке головой. Что же они могли? Неужели они владели техникой активного полёта, при которой они крыльями не махали? Анализ Рис.1 позволяет ответить на этот вопрос утвердительно!
Мы просмотрели ряд репродукций окаменелостей птерозавров — вышеприведённая является лучшей из них в том смысле, что здесь повреждения и смещения костей друг относительно друга практически отсутствуют. Поэтому мы исходили из того, что эта окаменелость воспроизводит анатомически нормальное положение костей скелета у птеродактиля со сложенными крыльями. Здесь, как и на других фотографиях, бросается в глаза одна «странность», а именно, наличие «лишнего» сустава в крыле. Действительно, после одинарной плечевой кости идёт двукостное предплечье, а затем… ещё один двукостный сегмент почти такой же длины, как и предплечье. Причём, сама плечевая кость так неестественно коротка и приведена в такое положение в плечевом суставе, что напрашивается вывод: она не выходила за пределы корпуса, и, значит, передняя часть перепонки крыла крепилась, начиная с предплечья. Именно такая анатомия позволяла, на наш взгляд, осуществить поразительный по простоте и эффективности способ создания тяги распростёртыми перепончатыми крыльями.
Действительно, обратим внимание на пару ключиц, соединённых в виде буквы V. При горизонтальном положении корпуса, эта пара ключиц отходила от плечевых суставов назад-вниз, а плечевые кости — назад-вверх. Теперь представим, что птеродактиль имел мышцы между плечевыми костями и соответствующими им ключицами. Сокращение этих мышц стягивало плечевые кости и ключицы друг с другом. При этом ключицы упирались в грудную клетку, и, значит, плечевые кости несколько поворачивались в своих суставах так, что их локтевые концы приопускались вниз. Таким образом, сокращение ключично-плечевых мышц дёргало вниз корневые участки передних кромок распростёртых крыльев; при расслаблении же этих мышц происходил пассивный возврат в исходное положение плечевых костей и, соответственно, передних кромок крыльев. Едва ли можно сомневаться в том, что периодическое сокращение ключично-плечевых мышц приводило передние кромки крыльев в колебательное движение — которое порождало в перепонке волну, бегущую к задней кромке. Эта волна увлекала с собой некоторое количество воздуха и отбрасывала его назад — что и порождало реактивную тягу.
В пользу именно такого полётного движителя птеродактиля свидетельствует ещё и следующее различие в строении его крыльев и крыльев летучей мыши. Перепончатые крылья летучей мыши имеют скелетные рёбра жёсткости, образованные сильно вытянутыми косточками пальцев. Ясно, что такие рёбра жёсткости препятствуют ходу бегущей волны в перепонке — и летучие мыши отмахивают воздух по-птичьи. У крыла же, лишённого таких рёбер жёсткости, условия для хода бегущей волны идеальны — при нужном натяжении перепонки.
Рис. 2.
Кстати, нужное натяжение перепонки было бы весьма проблематично обеспечить, если, в полётном положении крыла, кости его передней кромки были бы вытянуты почти по струночке — как это обычно предполагают. На основе Рис.1, нам представляется полётная конфигурация скелета, схематически изображённая на Рис.2. Крылья были нужны птеродактилям не для того, чтобы поражать их размахом современных исследователей, а для того, чтобы летать. И как раз дугообразные, вынесенные вперёд передние кромки крыльев позволяли, на наш взгляд, решить сразу несколько технических проблем. Во-первых, легко обеспечивалось, на всей площади крыла, нужное натяжение перепонки — с возможностью его регулирования. Во-вторых, создавалось соотношение между длиной и шириной крыла, близкое к оптимальному для генерации бегущей волны. В-третьих, изящно решалась проблема центровки: птеродактилю было достаточно поднять шею и отвести голову немного назад — и проекция центра масс оказывалась на первой трети крыла. Мы вновь имеем дело с гениальным техническим решением!
Теперь сделаем некоторые элементарные оценки параметров крыльев бегущей волны. Пусть отношение характерной длины крыла l к его характерной ширине d есть 2.5, пусть площадь крыла есть S=0.8×ld. Частота f колебаний передней кромки крыльев птеродактиля не могла превышать нескольких герц. Пусть на характерной ширине крыла d укладывается одна длина бегущей волны, тогда её скорость v движения по перепонке есть v=fd. Статическая реактивная тяга, развиваемая крылом бегущей волны, покоящимся относительно воздушной среды, есть Fстат=mv/t, где m — масса воздуха, отбрасываемая назад за время t, равное d/v. Учитывая т.н. присоединённую массу отбрасываемого воздуха, будем считать, что m»rS(d/5), где r — плотность воздуха, и, таким образом, Fстат»(1/5)rSv2. Как мы увидим ниже, эта статическая тяга слишком мала, и полёт на ней нереален. Однако, динамическая тяга Fдин крыла бегущей волны отнюдь не уменьшается по мере роста его скорости в воздушной среде — как у аппаратов на винтомоторной тяге — а, наоборот, поначалу растёт. Это связано с тем, что набегающий воздух образует упорядоченные вихревые трубки в вогнутостях перепонки, как это схематически изображено на Рис.3.
Рис. 3.
Вопреки представлениям классической аэродинамики [5] — которая утверждает, что образование вихрей, например, при отрыве потока с крыла, является вредным эффектом, поскольку при этом аэродинамическое сопротивление увеличивается, а подъёмная сила уменьшается — образование вихревых трубок в вогнутостях крыла бегущей волны является эффектом полезным. Воздушный вихрь имеет значительно большую инертность и упругость, чем такая же масса незакрученного воздуха, и поэтому «отталкивание» от вихрей гораздо эффективнее. При малых скоростях движения крыла бегущей волны происходит следующее: чем больше скорость, тем мощнее образуются вихри, и, соответственно, тем больше динамическая тяга. Но, при равенстве скорости полёта и скорости бегущей волны v, очевидно, динамическая тяга равна нулю. Поэтому существует некоторая оптимальная (крейсерская) скорость полёта, при которой динамическая тяга максимальна. Будем считать, что крейсерская скорость Vкр=0.75v, и что на крейсерской скорости Fдин=3Fстат. Для оценки полётного веса, который способны нести крылья бегущей волны, нам потребуется ещё оценка относительного снижения при свободном планировании. Действительно, при свободном планировании вес аппарата уравновешен подъёмной силой, а аэродинамическое сопротивление уравновешено силой тяги, работу которой совершает сила тяжести при снижении аппарата. Для этой работы силы тяжести можно записать упрощённое выражение MgDh=MVDV, где M — масса аппарата, g — ускорение свободного падения, h — высота полёта, V — скорость полёта. Тогда сила тяги, обусловленная силой тяготения при свободном планировании, есть
где Vверт — скорость снижения; при Vверт<<V отношение (V/Vверт) приблизительно равно значению аэродинамического качества. Сделаем оценки для случая относительного снижения 1:10 при свободном планировании на крейсерской скорости. При этом, как следует из вышеизложенного, динамическая тяга Fдин обеспечивала бы горизонтальный полёт (без снижения!) птеродактиля с весом 10Fдин; полёт же с набором высоты 1:10 обеспечивался бы для веса 9Fдин. Результирующие оценки приведены в таблице, за исходный параметр брались размеры крыла. Как можно видеть, начиная с длины крыла 2.5 м, соотношение между размерами крыльев и весом становится реалистичным для активного полёта существа на крыльях бегущей волны.
Длина крыла, м Полная площадь крыльев, м2 Частота колебаний, Гц Скорость бегущей волны, м/с Крейсерская скорость полёта, м/с Динамич. тяга, кг Вес, для набора высоты 1:10, кг 2.0 2.56 2.4 1.92 1.44 0.75 6.75 2.5 4.00 2.3 2.3 1.73 1.68 15.1 3.0 5.76 2.2 2.64 1.98 3.21 28.9 3.5 7.84 2.1 2.94 2.21 5.40 48.6 4.0 10.24 2.0 3.20 2.40 8.34 75.1Полученные цифры, казалось бы, не соответствуют техническим параметрам сверхлёгкой авиации. Действительно, в случае мёртвых крыльев дельтапланов и парапланов, при тех же полётных весах и тех же площадях крыльев требуются полётные скорости, в пару раз большие полученных нами. Но вспомним, что крылья бегущей волны работают в упорядоченно завихрённом воздухе — не только отталкиваясь от него, но на него и опираясь. Поэтому подъёмная сила крыльев бегущей волны, соответственно, больше. Если это увеличение подъёмной силы описать множителем, равным тройке — как и увеличение динамической тяги, см. выше — то наши оценки оказались бы вполне разумными… если бы не ещё одно обстоятельство.
Вспомним: кондор, при собственном весе 15 кг, способен нести в воздухе дополнительный груз в 40 кг. В принципе, кондор смог бы лететь при собственном весе 50 кг. Но такой полёт требовал бы предельного напряжения сил. Существо, которому постоянно приходилось бы надрываться — явно находилось бы не в своей стихии. Неспроста кондор, как мы видим, имеет почти трёхкратный «запас прочности»! Так вот: наши оценки получены для технически предельных режимов полёта. Эти режимы, теоретически, возможны — но, на практике, птеродактилям был жизненно необходим какой-либо «фокус», позволявший им летать не на пределе своих возможностей.
Такой «фокус» мы усмотрели после того, как обратили внимание — у птеродактилей не было ни руля поворота, ни рулей высоты, ни элеронов! Как же они управляли своим полётом? Чтобы выполнить поворот, птеродактиль мог бы ослаблять натяжение перепонки на крыле с той стороны, в которую требовалось повернуть. Этот приём уменьшал бы тягу крыла и его подъёмную силу. Асимметрия тяги крыльев вызывала бы поворот, а для компенсации асимметрии подъёмных сил крыльев птеродактиль мог бы заваливать голову в сторону, противоположную повороту. Что же касается руля высоты, то на малых скоростях он всё равно был бы неэффективен, поэтому управление по тангажу, на наш взгляд, могло обеспечиваться лишь в небольшом диапазоне отклонений вектора полёта от горизонтальной плоскости — сдвигами центровки через смещения головы назад или вперёд. Как можно видеть, возможности для пилотажа у птеродактиля были более чем скромные. Если порыв ветра накренил бы набравшего высоту птеродактиля, то он уже не смог бы вернуться в свой горизонтальный полёт!
Спрашивается: зачем было птеродактилям набирать высоту, если это было для них смертельно опасно? Полёт же на сверхмалой высоте оправдан лишь на огромных открытых пространствах с ровной горизонтальной поверхностью. Напрашивается вывод: птеродактили были приспособлены к полёту на предельно малой высоте над морской гладью! И тогда «фокусом», облегчавшим такой полёт, наверняка являлся экранный эффект, благодаря использованию которого летают экранопланы (см., например, [6,7]) — оптимальная высота полёта при этом составляет примерно половину характерной ширины крыла. Вот почему птеродактилям были не нужны элероны: сгущение воздуха между крыльями и водной поверхностью автоматически отрабатывало возмущения по крену, в том числе при поворотах (см. выше). По-видимому, птеродактили охотились на рыбу и других обитателей моря, с подлёта хватая жертву своими зубастыми клювами — «пикирование» в воду с метровой высоты было, технически, совершенно безопасно. Да и взлёт с воды — на скорости 2-3 метра в секунду — не должен был представлять собой проблему. Такую взлётную скорость птеродактиль мог бы набрать, пуская бегущую волну, с уменьшенной амплитудой, по распростёртым на воде крыльям — отталкиваясь при этом не от воздуха, а от воды (сравните: шестиметровая рыба-меч, пуская по своему телу бегущую волну, движется в воде со скоростью до 120 км/час). В итоге вырисовывается дивная картина крадущегося полёта птеродактиля — сверхнизкого и сверхмедленного, на крыльях бегущей волны, эффективность работы которых увеличена за счёт экранного эффекта. Такой полёт, с технической точки зрения — это редкостный шедевр!
И, несмотря на очень узкую полётную специализацию птеродактиля, налицо неоспоримое преимущество: по сравнению с птичьими крыльями, крылья бегущей волны способны держать в воздухе гораздо больший вес, да ещё при гораздо меньшем отношении массы полётных мышц к общей массе тела. Позволим себе выразить надежду на то, что окажется возможным создать летательный аппарат, у которого полёт будет основан на вышеописанных принципах — и который сможет нести существенную полезную нагрузку.
Автор весьма признателен К.Гумерову за постановку задачи, за адреса информационных ресурсов, и за полезное обсуждение.
Ссылки.
[1] А.А.Гришаев, А.А.Гришаев-старший. Секрет машущего полёта птиц. — Доступна на данном сайте.
[2] Энциклопедия для детей. Т.2, Биология. М., «Аванта+», 1999.
[3]
[4] -foto.htm
[5] Л.Прандтль. Гидроаэромеханика. Ижевск, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000.
[6]
[7]
Источник:
Поступило на сайт: 22 апреля 2009.
Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg
Комментарии к книге «Тайна полёта птеродактиля: крылья бегущей волны», Андрей Альбертович Гришаев
Всего 0 комментариев