В.А. ХАМИТОВ,
п. Октябрьский, Пермская обл., учитель физики

Тропическая лиана и ее вклад в развитие авиации

Человек давно приглядывался к полету птиц, стрекоз, бабочек и т.п. Но прямое копирование природы в создании махолетов приносило сплошные неудачи и разочарования. Капризные аппараты не желали летать. Это был тупиковый путь в развитии авиации. И тут на помощь авиаконструкторам пришла тропическая лиана.

Биологи многих стран мира давно обратили внимание на замечательные летные качества семян тропичесской лианы занония макрокарпа (Zanonia macrocarpa) из семейства тыквенных, растущей в джунглях Индонезии и Филиппин. Созревший плод лианы, раскрываясь, разбрасывает множество семян вокруг себя. Семена медленно планируют, удаляясь иногда на большие расстояния от материнского растения.

Семя представляет собой плоское зерно, окруженное тонкой тканью, усиленной волокнами и образующей листок, концы которого оттянуты назад относительно зерна (на языке авиации – имеют стреловидность). Его геометрические размеры довольно значительные – размах до 200 мм, хорда 60 мм, а масса достигает 6 г. В полете из-за деформации концов семени возникают крутящие моменты относительно его центральной части, что в сочетании со стреловидностью обеспечивает продольную балансировку в полете, а продольная устойчивость создается передним расположением центра масс.

Распространение семян этой лианы продолжительное время изучали многие известные ботаники, но никто из них не задумывался о возможности практического применения природной конструкции.

Впервые на летные качества тропического семени обратил внимание любитель, который не был ни авиатором, ни специалистом по аэродинамике. Обычный учитель из Гамбурга Ф.Альборн, изучавший на досуге свойства семян Занония макрокарпа, опубликовал в 1899 г. брошюру «Об устойчивости аэропланов». В ней он убедительно доказывал, что полет семян тропической лианы может служить примером планирования.

Другой энтузиаст – австрийский промышленник Иго Этрих, давно мечтавший о полетах, прочитав брошюру, решил строить планер. Планер построили к октябрю 1906 г. Скатываясь с деревянной рампы, на которую были уложены рельсы, планер разгонялся при взлете. У небольшого городка Траутенау в Моравии в том же году австрийский инженер, пилот-испытатель Франц Велес пролетел на планере около 250 м.

Следующие планеры имели уже большие размеры, облик их все больше напоминал вид семян лианы. Но как управлять планером в полете? Природа об этом молчала.

Решая эту задачу И.Этрих последовательно добавил горизонтальное оперение, колесное шасси, а затем поставил на планер двигатель. Получился самолет. Но возникла новая трудность. Установка достаточно мощного (24 лошадиные силы) двигателя внутреннего сгорания лишала летательный аппарат устойчивости в полете, так как скоростной воздушный поток от винта деформировал гибкое крыло. Пришлось установить полное хвостовое оперение. В итоге самолет стал напоминать голубя.

Самолет Иго Этриха «Таубе»

С 1912 г. немецкие фирмы Rupler, Jeannin, Gotha начали его серийный выпуск и назвали модель «Etrich Taube», т.е. «голубь Этриха». Так живая природа подсказала физикам и инженерам удачную и эффективную идею летающего крыла.

Школьное КБ

Изучая пилотажные свойства семян тропической лианы, я вдоволь поэкспериментировал сам и решил остальные опыты провести с учащимися на факультативных занятиях. Организовали «школьное конструкторское бюро» (КБ). Из материалов потребовались ножницы, бумага и картон разной толщины, скрепки и пластилин. Составили план испытаний летных качеств семян. И вот какие выводы делали сами ребята в процессе испытаний.

Крыло любого профиля, сходного с профилем семени занония макрокарпа, без груза на передней кромке нормально лететь не могло. Оно вращалось в воздухе и медленно падало на пол. Добавочный груз на передней кромке хорды стабилизировал полет.

Модель, которую слегка подталкивали, плавно опускалась на пол. Чем крупнее была модель, тем устойчивее был ее полет. Модель, не имея обычных атрибутов самолета – ни фюзеляжа, ни руля, летела, к удивлению ребят, очень ровно и плавно.

При запуске с начальным поперечным креном до 40–45° летающее крыло демонстрировало изумительную устойчивость в полете.

Малые модели масштаба 1:2 и 1:4 пролетали от 4 до 7 м. Модель-копия, запущенная с высоты 1,5–2 м, пролетала расстояния до 10 м. Увеличивая высоту запуска, можно было добиться увеличения дальности полета.

Перед посадкой модели ровно и почти горизонтально летели над полом. Действовал экранный эффект, который удерживал модель в воздухе.

Трудно было правильно отцентрировать модель. Малейшее смещение груза по хорде крыла вело к ухудшению летных качеств модели. Непригодны для моделей тонкая бумага и толстый картон. Бумага мнется, изменяя поток воздуха, который обтекает крыло. Толстый картон тяжел для планирующих моделей. На полет влияли плавность обвода профиля и начальная скорость.

Семена тропической лианы – планеры, а не самолеты. Превышение начальной скорости приводило к резкому набору высоты, а затем перевороту модели.

Успехи с полетом моделей привели ребят к вопросу о возможности управления полетом крыла. Какие должны быть органы управления у таких самолетов?

Испробовали макеты летающих крыльев разных профилей. Предусмотрели элероны и стабилизаторы. На моделях получали фигуры высшего пилотажа: виражи, «мертвую петлю» и т.д. Проверили влияние стреловидности на скоростные качества моделей. Оказалось, что чем больше угол стреловидности, тем быстрее летит крыло. И, наконец, наиболее увлеченные «авиаторы» предложили поставить двигатель на модель.

Ученики с удовольствием получали навыки технического конструирования (от идеи до ее технического воплощения). Их скепсис: «Такие вещи не летают. Это противоречит здравому смыслу!» – развеивался в ходе эксперимента. Они поняли, что у живой природы можно многому научиться. Было бы желание наблюдать и конструировать!

От редакции. Мы напечатали статью в сокращенном варианте. «Отчет о летных испытаниях КБ» и физический смысл экспериментов будут опубликованы в январских номерах газеты «Физика»