<< Предыдущая

стр. 2
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Вы, вероятно, не раз, находясь на отдыхе у моря, видели, как быстро мчатся в волнах стаи дельфинов, развивая порой скорость до 30 узлов, т. е. примерно до 56 км/час. Долгое время ученые и инженеры не могли понять, каким образом дельфинам удается раз-

*) Узел — мера скорости движения судов. Он равен 1 мор­ской миле в час, т. е. 1,852 км/час.
ЗА
вивать столь большую скорость и без видимого усилия сопровождать быстроходные корабли в течение многих часов и даже дней, ни на шаг не отставая от них. Ан­глийский исследователь Грей установил, что для дости­жения скорости 30 узлов мышцы дельфинов должны быть примерно в 7—10 раз мощнее, чем на самом деле...
За тщательные экспериментальные и теоретические исследования гидродинамического секрета дельфина принялись советские ученые под руководством акаде­мика В. В. Шулейкина. Еще в 1936 г. В. В. Шулейкин, В. С. Лукьянова и И. И. Стей на заседании Отделения

обтекаемого тела с тдердой оболочкой Ддижение дельдшна
Рис. 9. Движение в воде обтекаемого тела с твердой оболочкой и движение дельфина.
математических наук Академии наук СССР сделали доклад о своих изысканиях, проводившихся в специаль­ной башне. Ученые вывели формулы движения одиноч­ного животного и целой стаи и установили, что при движении тело дельфина испытывает меньшее сопро­тивление со стороны воды, чем тело других обитателей моря. Они провели буксировочные испытания в бас­сейне и замерили сопротивление воды движению на модели. И тогда ученые столкнулись с почти необъяс­нимым законами механики фактом: точно воспроизве­денная по весу и форме тела модель дельфина, которой сообщалась равная тяга, передвигалась по воде гораздо медленнее, чем живой дельфин.
Позднее было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ла­минарное) течение, не переходящее в вихревое (турбу­лентное), а плывущая подводная лодка, сходная по форме с дельфином, вызывает высокую турбулентность (рис. 9). На преодоление сопротивления воды при на­личии турбулентности тратится около 9/10 движущей силы лодки.
В чем же все-таки секрет необычайно высокой ско­рости движения дельфина? Оказывается, вся тайна
«антитурбулентности» это­го животного заключена в структуре его кожи (рис. 10). Эпидермис кожи очень эластичен (по своим свой­ствам он напоминает луч­шие сорта автомобильной резины) и, как показали микроскопические исследо­вания, состоит из двух сло­ев: тонкого наружного и лежащего под ним ростко­вого, или шиловидного. В ячейки росткового слоя снизу по одному входят упругие сосочки дермы, на­поминающие зубцы резино­вой щетки для чистки зам­шевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы сильнее раз­виты в тех местах, где ощу­щается большее давление воды при поступательном движении: в лобной части головы, на передних краях плавников и т. д. Ниже со­сочков дермы располагает­ся густое сплетение колла-геновых и эластиновых во­локон, пространство между которыми заполнено жиром. Такое строение кожного покрова не только защища­ет организм дельфина от потерь тепла и повышает силу сцепления эпидермиса с дермой, но и действует, как превосходный демпфер, который вносит затухание
в поток и предотвращает развитие турбулентности и срыв потока. Демпфирование достигается тем, что весь­ма эластичные жировые клетки подкожного слоя спо­собны менять под давлением свою форму и затем вос­станавливать ее. Кроме того, отличная буферность кожи достигается упругостью коллагеновых и эластиновых волокон.
Благодаря всем этим свойствам кожи поток, обте­кающий тело дельфина, даже при большой скорости движения остается ламинарным, завихрения в нем не возникают. Этот принцип ламинаризации обтекающего потока воды ученые назвали «стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением».
Вот что пишет по этому поводу А. Г. Томилин.

Рис. 11. Расположение гребней под тонким роговым слоем у обыкновенного дельфина (а) и у морской свиньи (б) (по П. Пурвесу).

«В 1963 г. английский зоолог Пурвес обратил вни­мание на расположение в коже китообразных дермаль-ных гребешков, направленных вдоль струй потока. Для их изучения с поверхности кожи обыкновенного дель­фина осторожно удаляли тонкую кожицу рогового слоя и рассматривали гребни под бинокулярной лупой. Ока­залось, что на боках тела (кроме их нижней трети) гребни направлены косо вверх и назад под углом в 30° к продольной оси тела животного (рис. 11). На хво­стовом стебле гребни были той же ориентации, что и на боках тела, а на грудных и спинном плавниках располагались горизонтально. Ученые предполагают, что расположение дермальных гребней в коже китообраз­ных способствует ламинаризации потока. У тихоходных морских свиней гребни располагаются иначе, чем у быстроходных дельфинов».
Ученые установили также, что на упругой коже китообразных и, в частности, дельфинов постоянно


Рис. 12. В момент достижения дельфином критической скорости его кожа собирается в складки, которые сбивают вихревые пото­ки, возникающие вокруг движущегося тела (по А. Г. Томилину).

имеется тонкий слой специальной смазки, вырабатыва­емой особыми железами. Благодаря этому кожа дель­финов обладает гидрофобным, водоотталкивающим, свойством. Важность этого открытия для ряда областей инженерной практики и прежде всего для водного тран­спорта трудно переоценить. Дело в том, что гидрофоб-ность способствует образованию в слое воды, ближай­шем к поверхности движущегося тела, шарообразных структур из отдельных совокупностей молекул; поэтому гидрофобное тело при перемещении в воде как бы ка­тится по шарикоподшипникам. А, как известно, тре­ние качения значительно меньше трения скольжения.
Китообразные владеют еще одним чрезвычайно ин­тересным способом уменьшения трения при своем дви­жении. Речь идет о так называемом двигательном ме­ханизме кожи этих животных. Он вступает в действие тогда, когда дельфины достигают максимальной ско­рости и возникающие при этом вихревые потоки уже нельзя погасить ни антитурбулентными (демпферными), ни гидрофобными свойствами кожи. Именно в этот критический момент начинается волновое движение са­мого кожного покрова тела животного (рис. 12). Эти волнообразные складки кожи, пробегающие по туло­вищу дельфина (они были сфотографированы Ф. Эс-сапьяном во флоридском океанариуме), гасят вихри, возникающие при высоких скоростях, уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного и дают ему возможность легко мчаться даже в тесном стаде, в котором, казалось бы, вихревые потоки вокруг множества близко плывущих особей должны сделать невозможным стремительное передвижение всего стада.
Что же можно и что уже удалось позаимствовать инженерам из «конструкции» кожного покрова кито­образных, чтобы достигнуть в судостроении «дельфинь­его совершенства»?
В 1960 г. природный кожный покров дельфина по­служил работающему в США немецкому инженеру М. Крамеру образцом для создания опытных демпфи­рующих покрытий твердых тел в целях снижения гид­родинамического сопротивления трения. Первая мягкая оболочка — «дельфинья кожа», получившая название «ламинфло» (от слов «laminar flow» — ламинарное те­чение), была изготовлена сначала из двух, а затем из трех слоев резины общей толщиной 2,5 мм. Гладкий наружный слой (0,5 мм) имитировал эпидермис кожи дельфина; средний, эластичный, с гибкими стерженька­ми и демпфирующей жидкостью (1,5 мм) был аналоги­чен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями, а нижний (0,5 мм) играл роль опорной пластины. Демп­фирующая жидкость при давлении сверху могла переме­щаться в пространствах между палочками-стерженька­ми: она играла роль демпфера — гасителя вихрей в пог­раничном слое воды, ближайшем к корпусу модели (рис. 13).
Уже первые опыты с торпедой и катером, обшиты­ми мягкой оболочкой «ламинфло», принесли весьма ощутимые результаты — вызываемое турбулентностью торможение снизилось почти наполовину, скорость увеличилась вдвое! Эксперименты, начатые Крамером,
продолжили ученые разных стран. Изме­нялись соотношения элементов покрытия: толщина слоев, разме­ры и расположение со­сочков - стерженьков, вязкость промежуточ­ной жидкости и т. д. Результаты много­численных испытаний подтвердили возмож­ность снизить сопро­тивление воды на 40 — 60%.
Пока еще обшивка «ламинфло» очень да­лека от того совершен­ства, которое свойст­венно естественной коже дельфинов. В природных покровах быстро плавающих дельфинов демпфиро­вание достигается тем, что мягкий жир под давлением эпидермиса и верхней части дермы перемещается в очень малых полостях меж­ду весьма упругими волокнами. Само демпфирование в покровах дельфинов осуществляется гораздо совершеннее, чем в искусствен­ной коже «ламинфло», так как природный демпфирую­щий слой (дерма с сосочками и жировой пласт толщи­ной в несколько сантиметров) гораздо толще и состоит из более тонких капилляров. Однако продолжающееся изучение специфических особенностей кожи дельфина и непрерывно расширяющийся арсенал средств и воз­можностей современной химии позволяют надеяться, что со временем удастся создать мягкие синтетические оболочки, по своей структуре и упругости весьма близ­кие к природному образцу. И тогда подводные лодки, катера, морские и океанские лайнеры, облицованные искусственной дельфиньей кожей, приобретут неви­данную ранее быстроходность.
Можно также полагать, что подобные амортизирую­щие оболочки будут эффективны не только при движе­нии твердых тел в жидкой или газообразной среде (подводные лодки, самолеты), но и при транспортиров­ке жидких, газообразных и даже твердых тел по трубо­проводам. Недавно сотрудник Питтсбургского универ­ситета (США) Р. Пелт выстлал внутреннюю поверх­ность трубы материалом, имитирующим дельфинью кожу (роль дельфиньей кожи исполняло покрытие из уретановой смолы на полиэфирной основе), и измерил, насколько снизились потери давления при перегонке жидкости по этой трубе. Оказалось, что они уменьши­лись на 35%.
Таким образом, нехитрую трубу (если сделать ее достаточно длинной) можно превратить в самый эко­номичный вид транспорта. Здесь поток грузов может двигаться непрерывно, днем и ночью, без простоев, пе­регрузок и перевалок, без потерь на «усушку-утруску-усыпку». По трубопроводам, выстланным «дельфиньей кожей», можно будет на сотни и тысячи километров пе­рекачивать воду, горючие газы, спирт, патоку, жидкие удобрения, всевозможные гранулы, смешанные с водой в пропорции «один к одному», кормовую пасту для по­росят и коров, помидоры, картофель, фрукты и даже... живую рыбу...
Но вернемся к кораблям голубых дорог и посмот­рим, чем еще может помочь бионика в повышении их быстроходности. Ведь в наше время, время стремитель­ного увеличения скоростей в авиации и невиданного ускорения всех наземных видов транспорта, морские и океанские суда, по сути, не затронуты этим всеобщим прогрессом скоростей, и нет сейчас более сложной и более жгучей проблемы на водных магистралях мира, чем повышение скорости пассажирских и грузовых ко­раблей. Это проблема проблем.
Бионические поиски показывают, что, помимо об­шивки судов искусственной дельфиньей кожей, у при­роды можно позаимствовать еще один весьма эффектив­ный способ повышения быстроходности судов.
А нельзя ли избавиться от волнового сопротивления? Можно, только для этого нужно уйти под воду. «Тео­ретические расчеты и опыты на моделях показали,— пишет контр-адмирал А. Родионов, — что подводный транспорт имеет ряд преимуществ перед надводным. Так, для подводного транспорта сопротивление воды меньше, чем для надводного. (На глубине около 100 м волн, а значит, и волнового сопротивления уже нет.) Это означает, что мощность энергетической установки на подводном транспорте при прочих равных условиях должна быть меньше, чем у надводного. Подводный транспорт не подвержен влиянию ветра, волн, оледе­нения. Ему не нужно снижать скорость и отстаиваться в укрытых местах при штормах и ураганах. Продол­жительность навигации в замерзающих районах для надводных судов (даже с ледоколами) ограничена. В районах с разреженным льдом они плавают, хотя и самостоятельно, но с малой скоростью. Подводные же корабли очень удобны для плавания в северных морях, так как они легко двигаются подо льдами; холода и туманы, любая непогода им не помеха».
Все эти обстоятельства заставили кораблестроите­лей и экономистов более глубоко, нежели это делалось раньше, заняться изучением целесообразности строи­тельства грузовых и пассажирских подводных сущъ, которые во многом обещают быть лучше надводных.
Морской флот ныне является самой мощной в мире транспортной системой, от работы которой зависит бла­госостояние крупнейших стран и развитие мировых эко­номических связей. В 1966 г. в одном лишь Атланти­ческом океане ежедневно в плавании находилось около 4 тысяч судов с грузами. Объем морских перевозок растет из года в год. Вместе с интенсивным ростом гру­зооборота идет фантастическое увеличение размеров и тоннажа строящихся судов. Еще недавно самым боль­шим судном в мире считался японский танкер «Токио Мару» дедвейтом (общей величиной всех грузов) около 150 000 т. Но он недолго удерживал лидерство среди плавающих в настоящее время кораблей грузового фло­та. В 1967 г. вступил в строй танкер дедвейтом 205 000 т. Длина нового судна составляет 342 м, ширина 50 м, высота борта 23 ж и осадка 17,33 м. Танкер предназ­начен для перевозки нефти из портов Персидского за­лива в порты Японии. Но и этот танкер недолго будет крупнейшим судном мира. Четыре японские судострои­тельные фирмы получили заказ на постройку танкеров дедвейтом от 150 000 до 280 000 т. Ведутся переговоры о строительстве танкера-гиганта дедвейтом 500 000 т.
Несколько иначе обстоит дело с грузоподъемностью подводных судов. Хотя теоретические расчеты и пока­зали, что из всех возможных типов подводных судов наиболее экономичны крупные подводные супертанке­ры дедвейтом свыше 100 000 т, однако постройка таких судов пока технически трудно осуществима; поэтому большинство ведущихся ныне проектных разработок производится применительно к танкерам дедвейтом не более 50 000 т.
В настоящее время по заданию правительственных органов, а также частных судовладельческих и судо­строительных компаний США, Англии и Японии и не­которых других стран ряд специально созданных про-ектно-исследовательских организаций выполнил более 50 разработок подводных судов различных типов. В Ан­глии, например, проявляют интерес не только к подвод­ным танкерам, но и к подводным рудовозам, пригодным для круглогодовых рейсов в замерзающие порты Кана­ды. Уже спроектирован атомный подводный рудовоз «Моби Дик» дедвейтом 28 000 т. Его максимальная рас­четная скорость хода — около 50 км/час. Корпус рудо­воза похож по своей форме на кита. Все грузовые по­мещения находятся внутри прочного корпуса, в средней части корабля.
А какие движители и двигатели следует ставить на подводные суда?
Некоторые кораблестроители считают, что для ско­рости ниже 100 узлов еще длительное время пальму первенства будут удерживать суда с винтовыми дви­жителями. Однако здесь имеется одно «но» — заклини­вание винта на больших глубинах. Это обстоятельство заставляет ученых вновь заняться попытками использо­вания принципа волнообразного движения рыб при конструировании судов для подводного плавания. Ряд проведенных экспериментов показал, ЧтО К. п. Д. нОвОгО устройства доходит пока что лишь до 16%- Вместе с тем некоторые соображения позволяют надеяться, что при удачной конструкции к. п. д. можно будет значи­тельно увеличить. Результаты исследований,— пишет журнал «Мэшин Дезайн»,— пока что скромны. Но перед нами всего лишь первые, нетвердые шаги младенца, который будет расти, мужать и развиваться...
Что касается двигателей, то для подводного тран­спорта дизели и электромоторы, питающиеся от акку­муляторов, разумеется, не годятся. Их мощности не по­зволяют строить большие, высокоскоростные суда. Для скорости порядка 100 и более узлов подводные суда, по мнению специалистов, придется снабжать двигателя­ми типа ракетных, прямоточных, с воздушнореактивны-ми моторами или турбореактивными установками. С этим бионики согласны, однако они считают, что соз­дателям будущих подводных судов все же следует за­глянуть в «конструкторское бюро» природы, пойти на выучку к некоторым обитателям царства Нептуна. Ведь природа из поколения в поколение совершенствовала «конструкцию» рыб, все лучше приспосабливала их ор­ганизмы к жизни и передвижению в воде. Человек же относительно недавно научился строить корабли, а тем более подводные суда. И, конечно же, кораблестрои­телям есть чему поучиться у древнего и мудрого ма­стера — природы в создании высокосовершенных дви­гателей и движителей. Достаточно сказать, что, в отли­чие от существующих технических средств подводного транспорта, у всех подводных обитателей функции двигателя и движителя совмещены в одном мышеч­ном механизме, без промежуточных звеньев, а это, как известно, способствует эффективной отдаче энергии, повышению коэффициента полезного действия, обес­печивает надежность работы системы.
Вот пример. В зоологическом саду во Франкфурте-на-Майне можно увидеть рыбок с необычным строени­ем тела: грудные и брюшные плавники у них деформи­рованы и напоминают согнутые руки, оканчивающиеся длинными пальцами. На «локтях» находятся отверстия, приспособленные для «реактивного» движения. Загла­тывая широко раскрытым ртом воду, рыбки под боль­шим давлением выталкивают ее через эти отверстия.
В результате реактивной силы отдачи тело рыбок дви­жется с большой скоростью.
Реактивное движение, используемое ныне в само­летах, ракетах и космических снарядах, свойственно

Рис. 14. Кальмар и его реактивный движитель, а) Кальмар — живая ракета; б) пульсирующий реактивный движитель кальмара; в) по­ложение сопла и его клапана при движении кальмара назад (слева) и вперед (справа).

также головоногим моллюскам — осьминогам, кальма­рам, каракатицам. Наибольший интерес для техников представляет реактивный движитель кальмаров. В сущ­ности, кальмар располагает двумя принципиально раз­личными движителями (рис. 14, а). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегу­щей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Основой его является мантия — мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, образуя своеобразный резервуар (мантийную полость), в который периоди­чески засасывается вода. В мантийной полости находят­ся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 14, б). Объем мантийной полости составляет почти половину объема тела моллюска. При реактивном способе пла­вания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель (она плотно «застегивается» на специальные «запонки» пос­ле забора воды) расположена вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создается за счет выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку), которое расположено на брюшной поверхности каль­мара. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установ­ки воронки (рис. 14, в), кальмар плывет одинаково хо­рошо как вперед, так и назад (если он плывет назад,— воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к ее стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперед, свободный конец воронки несколько удлиняется и из­гибается в вертикальной плоскости, ее выходное отвер­стие разворачивается на 180° и клапан занимает изог­нутое положение). На забор воды и ее выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режи­ме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличива­ет скорость движения.
Инженеры уже создали движитель, подобный дви­жителю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противополож­ную направлению выброса струи. Вода засасывается и выталкивается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же движитель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров, являет­ся объектом тщательных исследований биоников? Дело в том, что для передвижения под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воз­духа. Поэтому поисковые работы инженеров направле­ны на создание конструкции гидрореактивного двига­теля, подобного воздушнореактивному, т. е. такого, где двигатель и движитель составляют одно целое.
Весомый вклад в решение этой проблемы обещают внести химики. Они ведут работу над синтезом особых веществ, способных гореть в воде, как бензин или ке­росин в воздухе. Располагая необходимым горючим, творцы нового «подводного» мотора при разработке его конструкции, несомненно, учтут опыт строителей авиационных реактивных двигателей и обязательно воспользуются подсказкой природы, создавшей «жи­вую ракету» — кальмара.
Гидрореактивный движитель кальмара очень эконо­мичен в работе. Отработанный природой на протяже­нии многих миллионов лет и доведенный ею до высо­кой степени совершенства, он позволяет кальмару в погоне за косяками рыб, служащих для него основной пищей, легко совершать в океане тысячемильные пере­ходы. Кальмары могут развивать скорость до 70 км/час, причем это, вероятно, не предел. Хотя прямых измере­ний, насколько нам известно, никто не производил, не­которые исследователи, занимающиеся изучением го­ловоногих моллюсков, считают, что возможная макси­мальная скорость передвижения кальмаров в воде может достигать 150 км/час.
Кальмаров поистине можно назвать «спринтерами моря». Они способны стартовать из морских глубин в воздух с такой скоростью, что нередко пролетают над волнами более 50 ж. Высота полета такой живой ракеты над водой, по свидетельству бывалых моряков, иногда достигает 7—10 ж. В отличие от подавляющего боль­шинства быстроходных рыб, обладающих малой манев­ренностью на большой скорости, кальмарам присуща поразительная маневренность в воде, они производят чрезвычайно стремительные повороты не только в го­ризонтальной, но и в вертикальной плоскости.

Изумительной быстроходности и маневренности кальмаров в большой степени способствуют чудесные гидродинамические формы тела животного. Тело у каль­маров мягкое, но упругое, и оно способно существенно деформироваться. Набирая скорость, кальмар вытяги­вается и сбоку очень похож на профиль самолетного крыла. Его спина становится более выпуклой, чем брюхо. Продольная ось тела при этом совпадает с направлением поступательного движения. Иначе гово­ря, тело — «крыло» — все время сохраняет нулевой угол атаки. Неодинаковые скорости потоков над и под кры­лом создают подъемную силу. Перемещаются ры, как и другие головоногие моллюски, хвостом впе­ред, а голова и десять ног-щупалец с присосками слу­жат как бы кормой. При движении щупальца плотно складываются вместе, и вода их хорошо обтекает. Они снабжены продольными килями, которые образуют кор­мовое оперение корпуса кальмара. Эти необычайно длинные (по сравнению с размерами тела моллюска) кили надежно стабилизируют направление движения кальмара; при их помощи он легко сохраняет и меняет курс.
Таким образом, изучение локомоторного аппарата кальмаров, гидродинамических показателей формы их тела может дать инженерам-кораблестроителям богатый материал для создания высокоманевренной морской ра­кеты, способной развивать под водой огромную ско­рость.
Разумеется, моряку и даже специалисту-судострои­телю 60-х годов нашего столетия трудно представить себе во всех деталях, какими будут корабли, скажем, через 50 лет.
И все же, читатель, давайте мысленно совершим экскурсию в морской порт 2018 года... У причалов стоят корабли, по форме очень похожие на китов, дельфинов, акул, тунцов и кальмаров. Один из них закончил погрузку, отходит от пирса и направляется в открытое море. Несколько минут, величаво покачиваясь на волнах, плывет, купаясь в лучах заходящего солнца «белый кит» и... исчезает под водой. Пройдет немного времени, и столь же неожиданно он выплывает из глу­бин океана в другом полушарии...
Теперь посмотрим, что могут позаимствовать Инже­неры из «патентов» природы для развития современно­го воздушного транспорта.
Вероятно, раньше всех на Земле начали летать пред­ставители растительного царства. Ведь своеобразные «крылья» имеют многие семена деревьев и растений. Так, у семян клена сравнительно большая аэродинами­ческая поверхность, имеющая вид двух симметрично расположенных лопастей, которые, высыхая, несколько закручиваются. Падая на землю, семена быстро враща-V?- ^гя, аэродинамические силы задерживают падение семени, благодаря чему ветер может отнести его на зна­чительное расстояние. Легкие семена тополя окружены пухом, что дает им возможность в теплые сухие дни подниматься высоко над землей под действием воздуш­ных потоков и долго парить, далеко улетая от родного «дома». У ели и сосны семя снабжено одним прозрач­ным крылышком-парусом. В зимнее время ветры застав­ляют семя «под парусом» скользить по насту, словно буер по льду, и оно перемещается на десятки километ­ров от материнского дерева.
В начале нашего века ученые заинтересовались лет­ными свойствами крупного семени одного из тропиче­ских растений — цанонии из семейства тыквенных. Се­мена цанонии подолгу парят в воздухе, поднимаясь и опускаясь в его потоках. По их образцу и были созда­ны первые планеры и самолеты «летающее крыло». Одно время эти модели были очень популярны, но по­том о них почему-то забыли...
Природа создала очень много оригинальных летаю­щих «конструкций». Достаточно сказать, что значитель­ная часть всех известных в настоящее время видов жи­вых существ способна летать. Не говоря уже о птицах и насекомых, природа сделала крылатыми даже мно­гих рыб.
Тот, кому хоть раз довелось видеть полет летучих рыб, вероятно, никогда не забудет это любопытное зре­лище. У этих летунов длинные грудные и хвостовые плавники, напоминающие удлиненные крылья. Сильным движением хвоста летучая рыба отталкивается от воды и совершает пологий планирующий полет со скоростью около 30 км/час, поднимаясь на высоту до 3 м. Даль­ность его около 100—150 м, длительность — 10—18 сек.
Законы гидродинамики и аэродинамики имеют много общего, и поэтому изучение строения рыб и способов их передвижения представляет большой интерес не только для конструкторов различных подводных кораб­лей, но и для авиастроителей. Проведенные в последнее время исследования показывают, что некоторые конст­рукции и устройства, используемые в современном

I
и Ь51 н
Рис. 15. Быстроходный дельфин хорошо обтекае­мой формы и близкие по контурам аэродинами­ческие профили (по С. В. Першину). а) Несимметричный 15%-ный профиль ЦАГИ серии В; б) и в) вид дельфина сбоку и снизу (экземпляр длиной 2,08 м, весом 56 кг); г) сим­метричный 15%-ный ламинаризованный профиль НАКА.

самолетостроении, можно было бы с успехом позаимст­вовать у рыб. За примерами далеко ходить не надо. По­смотрев на рис. 15, мы увидим, что контуры тела бы­строходного дельфина в вертикальной и горизонтальной проекциях очень сходны с контурами известных аэро­динамических профилей, обладающих наибольшей подъ­емной силой. Оказывается, что и тело акулы обладает такой же (если не большей!) подъемной силой, как и крыло самолета. Вот вам и плавающие рыбы!
Но если говорить об истории полетов человека, то она началась не с копирования летающих «конструк­ций» растений и рыб, а с изучения полета птиц и на­секомых. В дошедших до нас трудах Леонардо да Винчи, Джоана Домиана (около 1500 г.), алхимика Иакова IV Шотландского и других мыслителей прошлого можно найти множество схем, набросков и рисунков летатель­ных аппаратов с машущими крыльями. В них постоянно повторяются крылья различных птиц, насекомых и ле­тучих мышей. По утверждению русских летописцев XVI века, «смерд Никитка, боярского сына Лупатовых холоп», летал с помощью крыльев. В 1699 г. на голуби­ных крыльях «...поднялся аршинов на 7... и упал на спину, но небольно...» стрелец рязанский Серов. Ле­генды XVIII века повествуют о крылатых снарядах при­казчика Островкова и кузнеца Черная Гроза. Первый сделал крылья на бычьих пузырях, второй придумал крылья из проволоки и перьев и прицепил к ногам хвост. Хранящиеся в филиале Государственного архива Тюменской области документы рассказывают о том, что бежавший из митрополичьего дома бывший иеромонах Федор Мелес, украинец, в 1762 г. построил крылья для полета и «...практикой показал, как может человек со­вершенно подобию птице по воздуху, куда хочет, ле­тать... и означенный же к летанию способ зделав, он намерен был отсель из Тобольска через те улететь прямо в Малороссию... мог бы скоро перелететь из То­больска до Малороссии, еже бы способный ветер после­довал, всемирно через один день, а не более». Век спустя идея постройки «воздухоплавательного аппара­та» возникла у русского моряка, капитана первого ранга А. Ф. Можайского. Проведенное им длительное и тщательное изучение строения крыльев птиц, меха­ники птичьего полета, как известно, завершилось по­стройкой первого самолета с неподвижно раскрытыми крыльями.
Научившись летать, человек превзошел птицу по скорости полета в 1912 г., по высоте полета — в 1916 г. и по дальности полета — в 1924 г. А вот по экономич­ности полета даже самые лучшие в мире воздушные лайнеры, переносящие за несколько часов сотни пасса­жиров через моря и океаны, все еще отстают от птиц. Да еще как отстают!
Возьмем к примеру маши стремительные «ИЛ-18» и «ТУ-114» и прикинем, какой вес этих воздушных гиган­тов приходится, скажем, на одну лошадиную силу их двигателей. Получается, что у самолетов это соотноше­ние составляет 14 кг, у орла в пересчете на мощность его живого «двигателя» оно равно 70 кг, у обыкновен­ного аиста — даже 135 кг. Вот и выходит, что летатель­ный механизм аиста почти в 10 раз экономичнее, чем у самых совершенных самолетов.
Экономичность полета пернатых проявляется осо­бенно наглядно во время их длительных миграций. ?'*-бисы, например, перелетают из Англии в Ньюфаунд­ленд через Атлантический океан, покрывая расстояние в 3500 км без остановки. Почти фантастическим кажет­ся перелет кроншнепов, гнездящихся на Аляске и зи­мующих на островах Таити, на Гавайских островах и т. п. Весь путь протяженностью в 9500 км (более 3000 км над морем), они, видимо, проделывают без от­дыха. Некоторые буревестники гнездятся на островах Тристак-да-Кунья, отстоящих от ближайшей суши на 2400 км, и при этом проделывают путь в одну сторону более 10 000 км. Птицы летят без отдыха как над вод­ными пространствами, так и над пустынями. За время своего «беспосадочного» перелета они проделывают огромную мышечную работу. Так, например, перелет мелких певчих птиц через Сахару длится 30—40 час. За это время каждая пернатая путешественница при 4—5 взмахах крыльев в секунду поднимает и опускает их около 500 тысяч раз!
Пройдя строжайший естественный отбор и вместе с тем совершенствуясь в полете на протяжении многих миллионов лет, птицы превзошли созданные людьми первоклассные летательные аппараты и в маневренности. Этому прежде всего способствуют прекрасные аэроди­намические формы птиц. Клюв, голова, шея плавно вы­гнуты в полете, ноги поджаты и почти не выступают из корпуса, напоминая убранное шасси самолета. Извест­на, например, порода голубей, которые во время полета неоднократно перекувыркиваются, или авторотируют, не теряя при этом равновесия. Виртуозно летает аль­батрос. Он может летать несколькими способами: ма­хая крыльями, паря в восходящем потоке воздуха и под­прыгивая на встречных «волнах» (двигаясь с порывами ветра). И все это благодаря совершенной аэродинами­ческой форме крыльев. Сокол сапсан в горизонтальном полете развивает скорость около 90 км/час, но, увидев жертву, он немедленно бросается на нее с высоты и, пикируя, достигает скорости 360 тем/час. Промахнув­шись, он короткой дугой, без взмаха крыльями слова поднимается в небо. Попутно небезынтересно отметить, что пикирование сапсана долго не давало покоя всем ученым, пытавшимся разрешить проблемы бомбомета­ния с пикирования. Некоторые фигуры высшего пило­тажа выполняют и ласточки, полет которых отличается значительной быстротой (до 120 км/час]) и маневрен­ностью. Хорошо летают летучие мыши. В полете они мастерски маневрируют, а некоторые из них даже мо­гут «висеть» в воздухе на одном месте. Такими же спо­собностями обладают жаворонок, зимородок и пустель­га. Но, пожалуй, пальму первенства в маневренности следует отдать самым маленьким представителям перна­того мира — колибри. Эти птички-невелички (весом от 2 до 6 г при длине туловища 15 — 20 мм) с оперением, которое можно сравнить с блеском драгоценных кам­ней, носят романтичные, красивые названия, вроде «то­пазовый колибри», «эльф украшенный», «орлиный клюв», «синяя борода»; в погоне за насекомыми они развивают на спринтерских дистанциях скорость до 100 км/час. Некоторые виды колибри поднимаются в горы до высоты 4000 м и выше, где из позвоночных жи­вотных встречаются лишь одни могучие кондоры. Стре­мительная в полете птичка-невеличка может останавли­ваться в воздухе и, не переставая работать крыльями, подолгу «висеть» неподвижно в одной точке, словно крохотный вертолет. Она может даже летать «боком» и «задним ходом». Такая высокая маневренность полета достигается большой частотой взмахов крыльев (более 50 взмахов в секунду) и тем, что колибри машут крыль­ями не вертикально, как все птицы, а горизонтально (это позволяет им, в частности, летать хвостиком вперед!).
Разве не заманчиво творцам современных воздушных лайнеров, располагая столь блестящими примерами природы, довести экономичность и маневренность своих кораблей до уровня, достигнутого птицами? На сей счет, нам думается, двух мнений быть не может.



Если сила лобового сопротивления больше силы тяги, то движение замедляется, в противном случае движение ускоряется, и, наконец, в случае равенства сил тяги и лобового сопротивления скорость движения остается постоянной.
Откуда же возникает сила тяги? При взмахе крыла вниз составляющие силы распределяются несколько по-иному, чем в только что разобранном случае. Сила Р по-прежнему направлена вверх и уравновешивает силу тяжести, а перпендикулярная ей сила Q' направлена вперед и создает тягу. Разложение сил при всевозмож­ных положениях крыла показывает, что сила тяги мо-.жет возникать и при поднимании крыла (рис. 16, //). Определяющим моментом в этом случае служит знак так называемого угла атаки, т. е. угла между хордой крыла и направлением набегающего на него воздушного потока.
Итак, чем больше подъемная сила по сравнению с лобовым сопротивлением, тем эффективнее полет, тем выше так называемое качество летательного аппарата. В свете сказанного всю историю авиации, в сущности, можно свести к решению следующей важнейшей зада­чи: увеличить подъемную силу и уменьшить вредное лобовое сопротивление. Главными способами борьбы с лобовым сопротивлением до последнего времени были «зализывание» форм самолета и уменьшение угла атаки.
Но можно ли уменьшать угол атаки до бесконечно­сти? Нет! Существует определенный предел, ниже ко­торого полет самолета становится невозможным. Но это в том случае, когда крыло неподвижно. А если заста­вить его двигаться подобно птичьему? Оказывается, что тогда можно достичь максимума подъемной силы и све­сти к минимуму лобовое сопротивление!
Таким образом, для резкого повышения экономич­ности полета современных самолетов нужно прежде всего перейти к машущему полету. Но осуществить его, а главное — достичь желаемого эффекта — задача да­леко не простая даже в наш XX век, век, казалось' бы, безграничных возможностей науки и техники:
Лет двадцать пять тому назад много говорили и пи­сали в Германии о некоем Эрихе фон Хольсте, который изготовил несколько механических птичек. Они были маленькие, совсем как настоящие, и, представьте себе, летали! Окрыленный успехом, Эрих фон Хольст задал­ся целью построить орнитоптер — летательный аппарат с машущими крыльями. За Хольстом последовали мно­гие изобретатели различных стран. Строили махолеты, или, как их еще называют, птицелеты, самых различных конструкций. Один из таких махолетов весил больше полутонны, площадь его крыльев достигала 30 м2, они делали от 25 до 90 взмахов в минуту. По расчетам, та­кой орнитоптер способен был поднять не одного, а даже нескольких пассажиров. Однако взлететь ему так и не удалось: не хватило подъемной силы. Другие ма­холеты, едва оторвавшись от земли, неизменно тотчас же падали...
Почему же зарубежные изобретатели потерпели в своих первых попытках создания махолета неудачу? Все дело в том, что Хольст и его последователи пытались слепо копировать природу, забывая, а быть может, по­просту не зная того, что законы, характерные для по­лета птиц, не подходят для больших летательных аппа­ратов с машущими крыльями. Одно дело — аэродина­мика обычного самолета с неподвижным крылом, другое дело — аэродинамика машущего крыла. Несмотря на то, что человечество начало изучать полет птиц со времен Леонардо да Винчи, до сих пор тайна этого феномена еще полностью не разгадана.
Раскрыть секреты феноменальной подъемной силы птичьего крыла, постигнуть закономерности полета пернатых, переложить их на инженерный язык, взять у летающих «конструкций» живой природы все самое выгодное, найти новые законы для постройки махоле­тов — этим сейчас увлечены бионики многих стран. Правда, далеко не все инженеры-авиастроители разде­ляют идею перспективности машущего полета, однако число приверженцев махолетов с каждым годом непре­рывно растет. Только в одной Москве их около тысячи.
Вот уже более 15 лет в столице нашей родины рабо­тает Комитет машущего полета Федерации авиационно­го спорта СССР. Инженеры и рабочие, летчики и био­логи, кинематографисты и орнитологи, математики и скульпторы в тесном содружестве с учеными Институ­та морфологии животных им. А. Н. Северцева АН СССР — доктором наук Г. С. Шестаковой и кандида­тами наук Т. Л. Бородулиной, В. Э. Якоби, И. В. Кок­шайским исследуют механику и аэродинамику полета птиц, строят модели орнитоптеров, сооружают различ­ные испытательные стенды для изучения механизма действия крыльев и т. п. И если бы вам, читатель, дове­лось солнечным октябрьским утром 1962 г. побывать на одном из подмосковных аэродромов, то вы бы увидели первые результаты упорного и кропотливого труда этого большого коллектива энтузиастов машущего по­лета...
По бетонной дорожке, плавно взмахивая гибкими крыльями девлтиметрового размаха, мчался необычный летательный аппарат. Сильная струя воздуха, отбрасы­ваемая машущими крыльями, заставляла никнуть траву по краям дорожки. Набрав скорость 25 — 30 км/час, аппарат начал подпрыгивать. А еще через несколько секунд его колеса повисли в воздухе. Аппарат летал над аэродромом недолго, так как программа испытаний была рассчитана только лишь на проверку тяги и подъ­емной силы. Однако первый же экспериментальный по­лет показал, что даже при очень небольшой скорости — вдвое меньшей, чем требуется самолету, — махолет с ма­ломощным моторчиком в 18 л.с. легко отрывается от земли.
Спустя полтора года, точнее, 19 апреля 1964 г., на стадионе «Динамо» в Москве были проведены соревно­вания нескольких моделей аппаратов с машущими крыльями. Присутствующие на соревнованиях воочию убедились, что полет на таких аппаратах абсолютно безопасен, так как махолет может садиться при нулевой поступательной скорости. А если вдруг в воздухе отка­жет двигатель? Это не страшно: махолет плавно спла­нирует на распластанных крыльях.
Итак, за последние годы в нашей стране несомненно достигнуты определенные успехи в моделировании по­лета птиц. Но это отнюдь не значит, что проблема ма­шущего полета уже решена и мы можем завтра присту­пить к созданию орнитоптеров, которые будут более экономичными и маневренными, чем самые лучшие со­временные самолеты. Для эффективного моделирования полета птиц необходимо не только убедиться в том, что наша модель обладает теми или иными свойствами или особенностями, но и разработать методы расчета зара­нее заданных технических характеристик устройства, а также методы их синтеза, обеспечивающие достиже­ние требуемых в поставленной задаче показателей. Иными словами, чтобы успешно моделировать полет птиц, необходимо располагать теорией их полета. А та­кой теории, к сожалению, пока нет.
Разработка теории машущего полета — задача чрез­вычайно трудная. Не говоря уже об очень большой сложности физической схемы исследуемого процесса, здесь, в отличие от аэродинамики обычного самолета с неподвижными крыльями, приходится сталкиваться с массой новых величин и функциональных зависимо­стей, которые следует соответствующим образом учиты­вать. Например, рассматривая машущее крыло, мы встре­чаемся с такими новыми по сравнению со случаем не­подвижного крыла показателями, как угловая скорость, число взмахов, амплитуда взмаха, ускорение в разных фазах взмаха; переменными становятся такие бывшие константами в случае неподвижного крыла величины, как установочный угол, угол атаки, сами аэродинамиче­ские силы в разных фазах взмаха и т. д. Отсюда неиз­бежно вытекают сложность в осуществлении экспери­ментальных исследований и затруднения в теоретиче­ском обобщении их результатов.
Однако в наше время имеется немало совершенных технических средств и методов, позволяющих в значи­тельной степени облегчить или даже обойти ряд труд­ностей, встречающихся при исследовании различных летных показателей птиц. Достаточно упомянуть, на­пример, радары, используемые для определения высоты полета птиц, скоростные кинокамеры, применяемые для определения частот, амплитуд и скоростей взмахов крыльев, телеметрическую аппаратуру, используемую для измерения физиологических показателей летящей птицы, и др. Благодаря этой технике надежность и точ­ность экспериментальных исследований в последнее время значительно повысились. Очень многое дает при изучении закономерностей полета птиц применение ме­тодов сравнительных исследований (разумеется, в том случае, когда внимание в равной степени обращено на морфологию, физиологию и экологию сравниваемых биологических объектов). В природе существует огром­ное многообразие типов полета птиц. Это многообра­зие определяется не только количеством видов птиц, но и тем, что каждый вид может использовать несколько типов полета. При сопоставлении птиц разных видов, различающихся теми или иными особенностями полета, выявляется взаимосвязь между изменением искомых па­раметров или конструктивных особенностей летатель­ного аппарата. Конкретными примерами успешного применения упомянутого подхода могут служить выяс­нение значения аллометрии крыльев птиц и расшифров­ка механизма бессрывного обтекания, связанного с уп­равлением пограничным слоем.
До реактивной авиации мы практически не управ­ляли пограничным слоем воздуха, обтекавшим крылья. Ставили, правда, закрылки на аэродинамические греб­ни, чтобы воздушные потоки не перетекали по крылу. Но ведь у птиц нет никаких «аэродинамических греб­ней». Как они управляются без этих приспособлений? Ведь пограничный слой возникает и у птичьих крыльев.
Для объяснения этого появилась очень смелая и, можно даже сказать, дерзкая гипотеза: птицы обладают «чувством потока», активно управляют пограничным слоем. Они умеют направлять поток в любую нужную им сторону. Однако для того, чтобы гипотеза стала до­стоверной научной истиной, нужны веские, убедитель­ные доказательства. Их поисками занялась Т. Л. Боро-дулина. Она обследовала и сравнила строение крыльев многих хороших и плохих летунов и установила сле­дующее:
«Плавность обтекания птицы потоком воздуха при полете в большой степени зависит от микроструктуры перьев. У быстро и много летающих птиц лучи второго порядка (или бородочки) имеют широкую основную часть в виде тонкой пластинки, переходящую в длин­ную тонкую нить (пенулу). В месте перехода обычно бывает несколько шипообразных зубцов. Благодаря такому строению перьев происходит дробление воздуш­ного потока по телу птицы на многочисленные мель­чайшие потоки и бессрывное и плавное их стекание, что имеет существенное значение для уменьшения ло­бового сопротивления. Кроме того, пластинки основной части луча второго порядка расположены под поло­жительным углом атаки к направлению полета и мож­но предположить, что это обеспечивает отсос части воздуха, препятствует отрыву ламинарного слоя и обра­зованию турбулентных потоков.
Рельеф поверхности крыла — бороздчатый, что обеспечивает требуемое направление потоков воздуха, обтекающих крыло. На верхней стороне крыла у всех птиц бородки расположены более или менее веерооб­разно: они расходятся к заднему краю крыла, что уве­личивает скорость прохождения потоков воздуха по крылу. На нижней же стороне бородки направлены иначе. У птиц с быстрым полетом (например, у уток) линии рельефа на нижней стороне крыла S-образно изогнуты и сходятся к основанию крыла. Это вызывает торможение потоков воздуха или их завихрение на нижней поверхности крыла. Вследствие различия ско­ростей прохождения воздушных потоков сверху и сни­зу крыла увеличивается подъемная сила последнего.
Предварительное продувание крыла с наклеенными шелковинками убедило нас в том, что на нижней по­верхности крыла воздушные потоки отклоняются соот­ветственно направлению бородок».
В настоящее время учеными изучено 14 различных характеристик живого крыла (влияние структуры перь­ев, уравновешивание крыла в движущемся потоке и др.). Дальнейший успех в разрешении множества вопросов, связанных с практическим осуществлением машущего полета, сейчас, очевидно, в значительной мере будет зависеть от того, насколько биологам, аэродинамикам, математикам, физикам и механикам удастся совместить результаты, добываемые при морфо-экологическом ис­следовании птиц, с современными теоретическими пред­ставлениями аэродинамики.
Однако уже сегодня ясно, что формула крыла орни­топтера не будет похожей на формулу крыла птицы. Иначе крыло махолета должно было бы иметь бороздки. По-видимому, кое-какие особенности будут отличать и другие элементы крыла. Некоторые ученые утвержда­ют, что будущий птицелет «...будет тем полнее отвечать требованиям человеческой практики, чем меньше он будет представлять собою точную копию птицы...». Но не будем забегать слишком далеко вперед, строить прогнозы о том, что будет и чего не будет в махолете от летательного аппарата птицы. Сегодня, нам думает­ся, важно другое: наметился путь, идя по которому уче­ные, несомненно, разгадают тайну полета птиц. И когда будет создана стройная физическая теория машущего полета, адекватная высокой сложности явления, инже­неры, безусловно, построят махолеты — неприхотливые, экономичные, маневренные машины. Человек будет лежать, как голубь или альбатрос, а может быть, и лучйе.
Помимо изучения полета птиц у человека имеется еще один путь решения проблемы машущего полета.
Старинная восточная легенда рассказывает о мудре­це, который сделал летательную машину с машущими крыльями, похожую на огромное насекомое. Когда мудрец узнал, что враги хотят похитить машину, он сжег ее. Так навеки была потеряна тайна конструкции механической стрекозы. Эта и многие другие легенды повествуют о том, что еще в далекой древности зароди­лась идея постройки летательного аппарата по принци­пу насекомого — энтомоптера *). Однако до последнего времени интересные особенности полета насекомых сравнительно мало привлекали внимание инжене­ров — конструкторов летательных аппаратов. Объяс­нить это можно лишь одним: полет насекомых — очень сложный процесс. Он таит в себе сотни загадок, ответ на которые еще не найден. Так, например, согласно законам современной аэродинамики, майский жук ле­тать не должен. Однако, ниспровергая всю нынешнюю теорию полета и сбивая с толку специалистов по аэро­динамике, это насекомое все же летает. Для того чтобы летать, майский жук при среднем весе 0,9 г должен иметь коэффициент подъемной силы (относительная величина, пропорциональная подъемной силе) от 2 до 3, фактически же у этого насекомого коэффициент подъемной силы меньше 1!
Известно, что коэффициент подъемной силы наибо­лее совершенных крыльев, созданных самолетостроите­лями, колеблется от 1 до 1,5. Следовательно, крыло жука, хотя и кажется несовершенным, обеспечивает сравнительно большую подъемную силу. Этим обстоя­тельством заинтересовались ученые Нью-Йоркского университета. Для изучения полета майского жука они

*) Энтомоптер — от греческих слов «энтомон» (насекомое) и «птерон» (крыло).
сконструировали в натуральную величину искусствен­ное крыло (чтобы точно воспроизвести работу крыла, исследователи долго и внимательно анализировали ки­нопленку, на которой методом скоростной съемки был заснят полет жука). Экспериментальная установ­ка позволяла измерять смещение крыла величиной 0,000025 см. Недавно руководитель проводимых иссле­дований Леон Беннет заявил: «Если мы сумеем опре­делить аэродинамику полета майского жука, мы или обнаружим какое-то несовершенство в современной тео­рии полета насекомого, или откроем, что майский жук обладает каким-то неизвестным нам способом создания высокой подъемной силы».
Однако оставим в покое майского жука и обратим­ся к другим летающим насекомым, которых в природе насчитывается более 350 000 видов.
По-видимому, среди животных насекомые стали ле­тать перзыми. Во всяком случае, достоверно известно, что летающие насекомые появились на Земле более 300 миллионов лет назад. Далеко не все насекомые хо­рошо летают. Едва ли не большинство составляют по­средственно и плохо летающие виды. Но есть множест­во форм, которые летают превосходно. Полет насеко­мых в основном определяется двумя факторами: харак­тером мышц крыла и строением самого крыла. Так, у златоглазки — одного из немногих доживших до нашего времени представителей когда-то процветавшей группы сетчатокрылых — мускулатура передних и задних крыль­ев одинакова по мощности. Обе пары крыльев похожи по форме и величине. Летные возможности златоглазки практически ничтожны: судорожные взмахи крыльев позволяют ей достичь в лучшем случае скорости 60 см/сек. Такие же плохие летуны скорпионовы мухи и некоторые дневные бабочки, у которых передняя и задняя пары крыльев почти одинаковы или, во всяком случае, работают одинаково, да еще не синхронно, а «вразнобой». Исключение составляют лишь стрекозы; сохранив одинаково развитые пары крыльев, они тем не менее обладают превосходными летными качествами. Но у стрекоз совсем особое устройство крыловой мус­кулатуры — их «крыловый мотор» (крыловая скелетно-мышечная система) высоко специализирован. Главную роль в полете стрекоз играют мышцы прямого действия.

Кроме того, переднее крыло стрекозы далеко отодви­нуто от заднего и они не соприкасаются друг с другом. У всех остальных современных видов насекомых в про­цессе эволюции одна пара крыльев усилилась за счет другой.
Здесь невольно сама собой напрашивается аналогия: подобно тому как творцы самолетов заменили старые, тихоходные «этажерки» — бипланы и трипланы — моно­планами, природа помогла многим четырехкрылым на­секомым усовершенствовать свой летательный аппарат, избавив или почти избавив его от лишней пары крыль­ев. У двукрылых — мух, слепней, комаров — задние крылья исчезли не бесследно, а превратились в жуж­жальца. Каждое жужжальце состоит из вздутого осно­вания, тонкой ножки и вздутой головки и имеет вид булавы. Эти жалкие остатки задних крыльев не играют активной роли в полете, а лишь косвенно связаны с ним: они, говоря инженерным языком, выполняют функ­ции стартера. Так как многие двукрылые взлетают на высоком ритме ударов крыльев, жужжальца способству­ют «разгону» крыловых мышц. Постепенно ускоряя ритм своих движений, жужжальца вызывают соответ­ствующие ритмические события в тех частях нервной системы насекомого, которые управляют крыловой мус­кулатурой. Когда достигается нужный ритм, включается собственно двигательный аппарат — «мотор крыла» сразу начинает работать полным ходом, что и требуется для взлета. У перепончатокрылых же переднее и заднее крылья сцеплены друг с другом, образуя механическое целое без всяких, однако, сращений. Переднее крыло пчелы, например, имеет на заднем краю складку — «кар­ман». В него входят загнутые крючки переднего края заднего крыла, и последнее оказывается как бы на бук­сире у переднего и работает в унисон с ним (рис. 17,а). Почти так же устроен сцепочный механизм у тлей (рис. 17, б, в, г), с той лишь разницей, что крючков здесь немного и они тесно сближены. Бабочки имеют иные сцепочные механизмы — толстые щетинки на ниж­ней стороне заднего крыла входят в складку на перед­нем крыле. У многих высших форм этих приспособле­ний нет и крылья связываются посредством широкого наложения переднего на заднее. Но важен не способ соединения, а результат: у всех перепончатокрылых

3 И. Б. ЛитинецкяА
65

переднее и заднее крылья каждой стороны крепко скреплены и работают как одно целое. Таким образом, выражение «четырехкрылые» не следует понимать бук­вально. Морфологически четырехкрылое построение яв­ляется функционально двукрылым.
Рассмотрим теперь устройство крыла насекомого. На первый взгляд твердое, сухое крыло мухи или ба­бочки кажется безжизненным образованием. Но в дей­ствительности это далеко не так. В него входят нервы,

Рис. 17. Механизмы сцепления крыль­ев у пчел (а) и у тлей (6, в, г).

внутри крыла имеется даже (правда, не у всех насеко­мых) кровообращение. Крыло насекомого — это изуми­тельное «инженерное» творение природы, достойное восхищения техников. Оно разделяется на две механи­чески различные компоненты: жилки и мембрану. Жил­ки, будучи построены по типу полых трубок, представ­ляют собой чрезвычайно прочные образования. Но пло­щадь, занимаемая ими в крыле, весьма незначительна, так как они очень тонки. Промежутки между жилками, ячейки, затянуты тонкой прозрачной мембраной. По­следняя занимает большую часть площади крыла и очень

гибка. Однако, будучи разделена на ячейки, натянутые на прочный каркас жилок, она приобретает значитель­ную прочность. В общем, совокупность жилок и мем­браны напоминает распущенный зонт с материей, на­тянутой на стальные прутья. Такое строение обеспечи­вает обширную гребную поверхность крыла при мини­мальной затрате материала и минимальном весе. Работа крыла характеризуется частотой взмахов. У насекомых же частота ритмических ударов крыльями очень велика. Ночные бабочки делают от 35 до 45 взмахов в секунду, стрекоза коромысло — от 80 до 100, оса — 110, шмель — от 180 до 240, комнатная муха — 330, медоносные пче­лы—от 180 до 340, комары — около 600 взмахов в се­кунду. Комары толкунчики, рои которых часто вьются столбом, предвещая хорошую погоду, делают 800 взма­хов в секунду, а комары дергуны и комары мокрецы — даже до 1000 взмахов в секунду! Такой высокий ритм работы крыльев (а он присущ большинству хорошо ле­тающих форм) убедительно говорит о колоссальной прочности крыльев. Крыло насекомого «оснащено» большим количеством разнообразнейших микроскопи­ческих органов чувств. Крохотные колбочки, щетинки, волоски, различаемые лишь при многократном увеличе­нии под микроскопом, сложные устройства, называемые хордотональными сенсиллами, — вся эта удивительная аппаратура помогает насекомому отлично ориентиро­ваться в пространстве. Одни органы регистрируют ско­рость встречного потока воздуха, другие выполняют осязательную функцию, третьи регистрируют крутящие моменты в разных направлениях. Остается только по­желать, чтобы самолеты будущего располагали комп­лексом столь точных, малогабаритных и высоконадеж­ных в работе приборов!
Характер полета насекомых чрезвычайно разнообра­зен. Некоторые виды могут парашютировать. Такой по­лет наблюдается при роении поденок; при этом насеко­мое, взлетев вертикально на 1—2 м вверх н остановив крылья в несколько приподнятом положении, медленно падает вниз. В замедлении спуска, кроме крыльев, боль­шую роль играют длинные хвостовые нити. Вследствие сопротивления воздуха они раздвигаются, загибаются концами вверх и тянут за собой и конец брюшка. Когда насекомое снова начинает работать крыльями, набирая

3*
67

высоту, хвостовые нити сближаются, их концы заги­баются вниз и брюшко опускается. Таким образом, это настоящий парашютный спуск, но здесь парашютируют не только плоскости крыльев, но и хвостовые нити. Крупным формам свойствен планирующий полет: насе­комое «выключает мотор» и в течение некоторого вре­мени движется вперед — планирует. Например, круп­ная бабочка перламутреница планирует в течение 20 сек со скоростью 1—3 м/сек, а крупная стрекоза, используя на высоте 3 — 4 ж токи воздуха, восходящие от нагретой почвы и растительности, может планировать до 4 — 5 мин. Но поскольку планирующий полет требует боль­шой абсолютной величины крыла, он не получил боль­шого развития у насекомых.
Основной формой полета насекомых является греб­ной полет, т. е. полет в результате непрерывных ритми­ческих взмахов крыльями. Познакомимся теперь с ме­ханизмом гребного полета, с аэродинамическим эффек­том движения крыла на двух схемах Маньяна (рис. 18). На первой схеме (А) показана стадия опускания крыла, на второй (Б) — стадия его подъема.
В полете крыло насекомого работает то верхней, то нижней поверхностью, поворачиваясь вокруг продоль­ной оси насекомого. Когда крыло переходит из поло­жения / в положение IV, оно бьет сверху вниз своей нижней поверхностью (положения // и III показывают это особенно ясно). Возникает подъемный эффект, в результате которого тело насекомого поднимается вверх. При переходе из положения IV в V крыло пово­рачивается вокруг продольной оси и, пройдя через вер­тикальное положение, переходит в наклонное — нижним краем вперед. После этого начинается обратное движе­ние крыла, т. е. его подъем вверх, изображенный на схеме (Б). Нетрудно увидеть, что, переходя из положе­ния V/ в VII и V///, крыло, словно весло, ударяет спе­реди назад. Вследствие этого тело насекомого получает толчок вперед. Дойдя до крайней верхней и задней точки, крыло снова поворачивается около своей про­дольной оси, затем принимает горизонтальное положе­ние, и цикл повторяется вновь. Первую часть траекто­рии крыла называют подъемной, или элеваторной, вто­рую — пропеллирующёй. За полный цикл вершина крыла описывает по отношению к тглу насекомого вось­


меркообразную кривую, наклоненную верхним концом назад, или лемнискату, которая при движении растяги­вается в кривую, напоминающую синусоиду (рис. 19). Благодаря большой частоте взмахов элеваторный эффект аэродинамически сливается с пропеллирующим, и насекомое дзижется вверх и вперед. Таким образом, согласно тео­рии Марея — Бюлля — Маньяна, принцип ра­боты крыла насекомого столь же прост, сколь и совершенен.
Рис. 18. Правое крыло летящего насекомого в основных положениях / - VIII.
Вид сзади (вверху), сбоку (в сере­дине) и сверху (внизу). Обращен­ная к зрителю вентральная по­верхность заштрихована накрест, когда она видна, и косо, когда она заслонена туловищем (по Маньяну).
Итак, крыло насеко­мого в полете все время меняет свое положение относительно тела и воздуха, постоянно ме­няет угол атаки и ско­рость. Это открывает огромные возможности для активного воздей­ствия на угол атаки, потому что всегда мож­но подобрать такие ре­жимы взмаха, чтобы свести лобовое сопро­тивление к минимуму. Вот наглядное тому подтверждение. Недав­но советские инжене­ры Н. В. Погоржель-ский, И. Н. Виногра­дов и Г. А. Гладких спроектировали по принципу работы кры-
ла насекомого ветряк.
Использование в его конструкции восьмеркообразного взмаха (особыми добавочными и подвижными лопастя­ми) принесло ощутимый эффект по сравнению с рабо­той обычных ветряков. Такой ветряк может работать при очень малых скоростях ветра и практически без­действует только при полном штиле.
Гребной полет имеет у насекомых различные фор­мы. Он является предпосылкой для планирования и па­рашютирования, а главное — позволяет достигать боль­ших скоростей. В 1937 г. в одном из солидных амери­канских журналов появилось сообщение о том, что определенный вид мух способен летать со скоростью до 1554 км/час. Публикация была воспринята по-раз­ному: одна часть читателей была ошеломлена сообще­нием, другая — приняла сенсацию восторженно. Но все

Рис. 19. Траектория, описываемая концом крыла насекомого.
Вверху — относительно его тела, внизу — отно­сительно неподвижного наблюдателя (по В. Ко­валеву и С. Ошанину).

это длилось недолго — возмущенные физики заявили, что в рамках элементарных законов природы полет мухи со сверхзвуковой скоростью невозможен. Однако скорости перемещения насекомых достаточно велики. Тот, кому приходилось гоняться за бабочками, знает, что и капустница, и белянка, и бабочка адмирал, если они вздумали лететь на дальнее расстояние, мгновенно превращаются из еле-еле порхающих созданий в ско­ростные махолеты, способные развивать скорость до 40 км/час. Во всяком случае, угнаться за ними — дело совершенно безнадежное. Известен случай, когда ба­бочка данаида, выпущенная в Бристоле, пролетела за 5 час около 130 км.
Точно определить абсолютные скорости полета на­секомых в естественных условиях очень трудно. Карл фон Фриш, например, выпускал занумерованных пчел на большом расстоянии от улья, куда они немедленно возвращались. Моменты выпуска и возвращения в улей точно регистрировались. В этих опытах скорость полета равнялась 23,5 км/час. Другие исследователи устано­вили, что медоносная пчела может летать со скоростью до 50 км/час. Французский ученый А. Маньян (1934 г.) прикреплял к телу насекомого тонкую нить, которая сматывалась с легко вертящегося барабана, и таким об­разом определял скорость полета насекомых 30 видов. Однако этот метод далеко не безупречен, поскольку вес нити и трение оси барабана, несомненно, умень­шали скорость полета насекомых. Ныне, используя комплекс новейших методов и средств исследования, ученым все же удалось получить достаточно достовер­ные данные о скорости полета ряда насекомых. Так, майские жуки пролетают в секунду до 3 м, шмель — до 5 м, жуки-навозники — до 1м, стрекозы — до 10 м. Бабочка олеандровый бражник — жительница средизем­номорских тропиков — по неизвестным причинам не­редко прилетает к берегам Балтийского моря. Расстоя­ние в 1200 км она покрывает менее чем за сутки, т. е. летит со средней скоростью 15 м/сек, или 54 км/час\ Из известных нам насекомых наибольшей скоростью горизонтального полета, по-видимому, обладает круп­ная стрекоза дозорщик. Не раз наблюдалось, что она подолгу сопровождала в полете учебный самолет, ле­тевший со скоростью 144 км/час и более, и временами даже обгоняла его!
Абсолютные скорости полета насекомых зависят от длительности полета, температуры воздуха, скорости и направления ветра и ряда других параметров. Но при всех благоприятных условиях абсолютная скорость на­секомых, за исключением таких, как бабочки бражни­ки, стрекоза дозорщик, все же очень мала, в десятки раз меньше, чем у современных самолетов. Сравним скорости самолета со скоростями птиц и насекомых. Если скорость самолета равна 900 км/час, то для стрижа она равна 100, для скворца 70, для вороны 50 и для шмеля 18 км/час. Зато не может не вызвать самого большого восхищения относительная скорость полета насекомых. Если сравнить относительные скорости для тех же примеров, т. е. подсчитать, сколько раз за еди­ницу времени данный летун успеет отложить длину своего тела в полете, то оказывается, что относитель­ная скорость больше всего у насекомого и меньше всего у самолета!
Большинство насекомых (даже хорошо летающих), видимо, ограничивается небольшими перелетами. Так, медоносная пчела летает за нектаром на расстояние (в среднем) 1,5 — 2,25 км. Но для того, чтобы собрать 400 г меда, она должна, по расчетам пчеловодов, совер­шить от 40 до 80 тысяч полетов, т. е. в общей сложно­сти должна пролететь расстояние, равное двум окруж­ностям Земли! Известно немало случаев «беспосадоч­ного перелета» насекомых из одной местности в дру­гую, находящуюся на большом расстоянии от первой. В Японии, например, часто наблюдается перелет стре­коз между островами, удаленными друг от друга на 50—60 км. Известны перелеты лугового мотылька из Кокчетава в Актюбинск и другие пункты на расстояния 400—450 км. Зарегистрированы случаи перелетов роев саранчи через Красное море, где промежуточные посад­ки исключены В научной литературе имеются указания на то, что австралийских стрекоз ловили в открытое океане на расстоянии 1540 км от их родного материка. Многие бабочки (среди них наши адмиралы) проделы­вают путь в Африку, а следующее поколение возвра­щается обратно в Европу. Одной из рекордсменок по дальности полетов является американская крупная ба­бочка данаис — она перелетает из Мексики в Канаду и Аляску, покрывая, таким образом, расстояние до 4000 км\
Разумеется, при таких перелетах нельзя не учитывать воздушных течений. Но как бы то ни было, собранные учеными данные убедительно говорят о том, что ма­ленькие, нежные на вид существа — насекомые (речь идет о насекомых отдельных видов) способны находить­ся в воздухе в течение многих часов и преодолевать гигантские расстояния. Этим они, безусловно, обязаны совершенству своего летательного аппарата и главным образом высокой экономичности работы своего «мо­тора». По экономичности полета многие насекомые превзошли даже птиц. Так, саранча в полете теряет при­мерно 0,8% своего веса за час полета. «Горючим» для ее мышечного двигателя служат жировые запасы. У тех насекомых, которые расходуют в полете углеводы, по­тери веса больше: например, плодовая мушка дрозофила теряет за час полета 7—10% своего веса. Интересный расчет экономичности полета пчелы произвел кандидат биологических наук Ю. М. Залесский. Вес пчелы с гру­зом нектара и пыльцы равен примерно 0,2 г, вес мышц, приводящих в движение крылья, составляет меньше 15% веса насекомого. Если пчела пролетает от места сбора нектара и пыльцы до улья 3 км, то совершенная ею ра­бота исчисляется в 0,6 кгм. Известно, что 1 кгм работы соответствует 0,0024 ккал. Следовательно, произведен­ная пчелой работа (0,6 кгм) эквивалентна 0,00144 кал. Сгорая в организме при совершении работы, 1 г сахара дает 4,1 кал. Поэтому пчела, пролетая расстояние вЗ км, расходует только 0,00035 г сахара. В зобе пчелы поме­щается 0,02 г нектара с концентрацией в нем сахара, равной 20%; иными словами, в зобе находится 0,004 г чистого сахара. Следовательно, даже при расстоянии 3 км полет пчелы вполне рентабелен, так как расход «горючего» — сахара — не превосходит 9% полезного груза!
Теперь сопоставим приведенные данные с соответ­ствующими данными для летательных аппаратов, создан­ных человеком. Вертолет расходует за час полета 4— 5% веса (разумеется, речь идет о топливе), а реактив­ный самолет — 12%- Как видно, инженерам стоит по­учиться искусству экономии горючего в полете у са­ранчи, да и у пчелы тоже.
Высокая экономичность полета насекомых в значи' тельной степени обусловлена режимом работы их крыльев. Так, скорость взмаха, т. е. скорость, с которой движется конец крыла по отношению к телу насеко­мого, довольно велика. По Маньяну, у стрекозы она равна (для заднего крыла) 2,75, у пчелы — 5,5 и у калли-форы — 8,4 м/сек. Теперь остановимся на ритме ударов крыла. Полет начинается с редких взмахов, свободно улавливаемых глазом, затем взмахи крыльев становят­ся значительно чаще и полёт сопровождается гуде­нием и жужжанием. Несомненно, что частота после­довательных сокращений мышц крыла у насекомых зна­чительно больше, чем у позвоночных. Для сравнения укажем, что черный гриф, у которого размах крыльев превыщает длину тела почти в 3 раза, делает в течение секунды всего один взмах;. фазаны', куропатки, перепе­ла, рябчики, стремительно перелетающие по прямой, в основном на короткие расстояния, делают в секунду до 5 взмахов крыльями. В отличие от птиц, у хорошо летающих видов насекомых с небольшими крыльями частота взмахов очень высока. Оказывается, что сила, необходимая для удержания в воздухе разных насеко­мых одинакового веса при помощи взмахов крыльями, обратно пропорциональна частоте взмахов. Насекомое, делающее 55 взмахов в секунду, расходует вдвое боль­ше мощности, чем насекомое того же веса, но делающее ПО взмахов в секунду. Исследования показали также, что при одинаковых условиях вес поднимаемого груза зависит от частоты взмахов крыльями. В этом отноше­нии весьма показателен полет медоносной пчелы. Уста­новлено, что рабочая пчела, вылетающая из улья за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в се­кунду. Когда же она возвращается с грузом, число взмахов возрастает до 280 — 330. Очевидно, наделяя ме­доносную пчелу способностью делать очень частые взмахи крыльями, природа имела в виду дать ей воз­можность нести, помимо веса своего тела, добавочный груз — взяток (нектар, пыльца). Расчеты показывают, что если бы пчела делала не 280 — 330 взмахов в се­кунду, а 560 — 660, т. е. вдвое больше, то она могла бы переносить по воздуху груз весом в 16 таких же пчел, как и она сама!
Весьма поучительно проведенное учеными сравне­ние летных характеристик насекомых и летательных аппаратов, построенных человеком. Оказывается, при­рода испокон веков великолепно «знала» формулу, ко­торую не так давно вывели математики. Эта форму­ла — очень простое соотношение, которое называют числом Рейнольдса *). В числителе — произведение
*) Число Рейнольдса Re равно IV/v, где I — размах крыльев, V — скорость полета, a v — кинематический коэффициент вяз­кости среды (если скорость при обтекании тела в воздухе значи­тельно меньше скорости звука, то сжимаемостью воздуха можно пренебречь и, следовательно, допустимо рассматривать его как жидкость). Число Рейнольдса — безразмерная величина. При чис­лах Рейнольдса, меньших 2200, в цилиндрической трубе обычно имеет место ламинарное течение, при больших его значениях наступает турбулентное течение.

размаха крыльев тела на скорость его Движения, в зна­менателе — кинематический коэффициент вязкости воз­духа v. Так вот, это самое число Рейнольдса — одна из самых важных летных характеристик. Чем больше число Рейнольдса, тем интенсивнее бесчисленные воздушные водовороты, завихрения около крыла самолета, и он тормозится. У современных пассажирских лайнеров






число Рейнольдса громадно — порядка миллионов, тогда как для саранчи оно примерно равно 2000!
Не менее остро, чем проблема повышения экономич­ности полета самолетов, ныне стоит вопрос о создании летательных аппаратов, не требующих длинных взлет­но-посадочных полос и способных садиться и взлетать почти вертикально. Можно назвать несколько причин, выдвинувших эту задачу в число самых актуальных проблем современности. По утверждению известного советского авиаконструктора В. Мясищева, основная причина — стремительный рост скорости полета само­летов. С 1945 по 1965 г. только у пассажирских и транс­портных самолетов скорость выросла в среднем в 2 раза (с 350—450 до 700—1000 км/час) и практически прибли­зилась к околозвуковым скоростям (рис. 20). Чем выше скорость самолета, тем больше, как правило, и его про­бег при посадке. Головокружительная скорость при


1945
1950
I960
1955 Годы
Посадке, достигающая 250—300 км/час, требует огром­ных посадочных полос. За последние 25 лет их длина увеличилась более чем в 3 раза — с 700 — 800 м до 2,5 — 3 км (рис. 21). Столь большие размеры взлетно-поса­дочных полос и чрезмерно высокий уровень шума, создаваемого мощными двигательными установками, за­ставляют располагать аэродромы далеко за пределами городов. В результате мы оказались свидетелями свое­образною парадокса: увеличение скорости полета на
1065 t
Рис. 21. График роста длины взлетно-посадочных полос за 20 лет (по В. Мясищеву).
маршрутах средней протяженности весьма мало сказы­вается на сокращении общей продолжительности путе­шествия. Например, на маршруте Москва — Ленинград чистое время полета равно 50 мип и составляет пример­но 7з от общего времени, затрачиваемого пассажиром. А остальные 2/з — больше 1,5 час — приходятся на по­ездки из города в аэропорт отправления и из аэропорта назначения в город. Вторая причина актуальности про­блемы вертикального взлета и посадки связана с появ­лением тяжелых транспортных летательных аппаратов. Практика показала, что эти аппараты могут успешно решать такие важные народнохозяйственные задачи, как доставка грузов, машин и оборудования в трудно­доступные, удаленные от основных дорог районы ново­строек. Получаемый при этом эффект значительно воз­рос бы, если бы транспортные самолеты обладали спо­собностью совершать взлет и посадку на небольшие, специально не подготавливаемые площадки. Необходи­мость в подобных машинах испытывает и военно-транс­портная авиация. Наконец, третья причина носит сугубо военный характер. Так, например, самолеты-перехват­чики не имеют времени разгоняться по бетонированным дорожкам аэродромов. Они должны свечой взмывать вверх на перехват противника. Упомянем еще одно об­стоятельство. Боевые сверхзвуковые самолеты базиру­ются сегодня на аэродромах с бетонированными взлет­но-посадочными полосами длиною до 3,5 км. Не говоря уже о том, что строительство подобных сооружений связано с, большими затратами, эти аэродромы легко обнаружить и разрушить. Больше того, но мере разви­тия боевых действий такие стационарные аэродромы могут оказаться на большом удалении от района при­менения самолетов, эффективность использования ко­торых при этом существенно снизится. Решение этого вопроса связывают также с созданием не зависящих от аэродромов боевых машин с вертикальным взлетом и посадкой.
За последнее время предложено немало способов уменьшения длины разбега самолетов. Здесь и примене­ние ракет, и форсирование двигателей, и т. п. Для со­кращения пробега самолетов применяют тормоза, ревер­сивные винты, тормозные щитки на крыльях и фюзе­ляже, парашюты и тормозные приспособления, устанав­ливаемые на посадочных полосах. Все это несколько задержало увеличение размеров аэродромов, но, не­смотря ни на что, аэродромы для современных самоле­тов имеют огромную протяженность. Чтобы избавиться от бетонированных дорожек, иногда применяют взлет со специальной тележки, оставляемой на земле, по­садку на лыжи и др.
Но все это полумеры. Для истребителя-перехватчи­ка, например, они не подходят. Он должен взлетать и садиться без разбега, с очень небольшой площадки. Не подходят они и для пассажирских и транспортных ап­паратов, обладающих высокой скоростью полета и большой грузоподъемностью. И вот десятки и сотни инженеров разных стран продолжают ломать голову над тем, как же решить эту задачу, которая сегодня кажет­ся неразрешимой. Изобретательная человеческая мысль не желает мириться с пессимистическими прогнозами. Стремление решить проблему вертикального взлета и посадки наиболее эффективным образом привело к по­явлению самых неожиданных проектов летательных ап­паратов. Так, конструкторы одной американской фирмы наделили свою новую вертикально взлетающую маши­ну (рис. 22) легким алюминиевым ротором треугольной формы с тремя лопастями по углам. После осущест­вления взлета ротор выключается, одна из его лопас­тей «выстраивается» вдоль фюзеляжа, а поднимающиеся

из него специальные створки закрывают зазор «лопасть — фюзеляж». Остальные две лопасти при этом превра­щаются в придатки треугольного крыла и участвуют в создании подъемной силы, удерживающей машину в воздухе. Новый вид вертолета-самолета развивает

скорость в горизонтальном
приземлении аппарата ротор вновь приводится в движе­ние, и машина спускается по вертикали на землю, не требуя аэродрома. Ротор аппарата вращается газовой турбиной. Движение по горизонтали осуществляется на реактивных двигателях, находящихся в конце фюзе­ляжа. Идею вращающегося треугольного крыла исполь­зовали и конструкторы другой американской фирмы. Больше того, они развили ее дальше. В предложенном ими проекте самолета «Гелиплейн» машина снабжена двумя вращающимися треугольными крыльями, но уже без концевых лопастей. Роль последних в создании не­обходимой вертикальной тяги, по замыслу конструкто­ров, должны выполнять отклоняющиеся концевые части крыльев. Предполагается, что подобные машины, обла­дая способностью вертикального взлета и посадки, смо­гут развивать скорость до 950 км/час. Еще более ориги­нальный проект вертикально взлетающего пассажир­ского аппарата предложил немецкий изобретатель Рейн-хольд Каллетш. Во время стоянки на земле эта машина должна напоминать самолет без крыльев, опирающийся на телескопические стойки шасси длиной 5 ж. Особен­ностью этого аппарата является подъемное устройство, представляющее собой три вращающиеся в перпенди­кулярной к фюзеляжу плоскости штанги-спицы, на кон­цах которых шарнирно укреплены эллипсообразные пластины-крылья. На взлете и при посадке для враще­ния такого составленного из крыльев «винта» должны применяться укрепленные на штангах реактивные сопла, к которым подаются газы от турбореактивных двигателей самого аппарата. Аналогичное устройство, но уже меньших размеров предусмотрено и на хвосте фюзеляжа. Во время вращения «винтов» специальное приспособление будет управлять положением пластин-крыльев с таким расчетом, чтобы они все время нахо­дились под некоторым углом атаки к набегающему по­току и, следовательно, создавали необходимую подъем­ную силу. После осуществления вертикального старта «винты» будут останавливаться, и их пластины-крылья станут выполнять свои традиционные функции.
Можно было бы рассказать по меньшей мере еще о двух десятках «летающих неожиданностей», сущест­вующих либо еще только на листах ватмана, либо в виде экспериментальных машин. Однако ни один из предложенных проектов не дает авиаконструкторам права утверждать, что проблема вертикального взлета и посадки решена. Не говоря уже о многочисленных технических трудностях, препятствующих созданию высокосовершенных вертикально взлетающих самоле­тов, здесь еще приходится считаться с экономической стороной проблемы. Проведенные одной американской фирмой исследования показывают, что стоимость аппа­ратов вертикального взлета и посадки будет почти вдвое, а эксплуатационные расходы — примерно на 75% больше, чем у современных самолетов. Нет нужды доказывать, что решать проблему вертикального взлета и посадки такой дорогой ценой нельзя.
Где же выход? Да опять-таки в применении «изобре­тенного» природой механизма машущего полета и преж­де всего в моделировании довольно широко распростра­ненного среди насекомых «стоячего» полета. Стоячий пслет, т. е. полет, при котором организм при помощи крыльев может держаться в воздухе совершенно непо­движно, является разновидностью гребного полета. Все, вероятно, видели летом небольших мух, «висящих» в воздухе как бы в одной точке (при этом тело насеко­мого большей частью занимает горизонтальное положе­ние). Время от времени они внезапно передвигаются на несколько десятков сантиметров и вновь неподвижно «застывают» в воздухе. Передвижение происходит на­столько быстро, что уловить его нельзя, можно лишь убедиться, что муха исчезла с прежнего места и появи­лась в другом. Это мухи семейства сирфид (журчалки). Их стоячий полет может длиться часами и, по-видимо­му, не утомляет насекомое. Сирфиды могут «выклю­чать» пропеллирующую часть своего полета, оставляя только подъемную (элеваторную), поэтому они не по­двигаются вперед и «зависают» неподвижно в любой точке пространства. Траектория перемещения крыла у них изменена следующим образом. Крыло опускается, не заносясь вперед. Оно ударяет, таким образом, вниз всей своей поверхностью и дает элеваторный эффект. Дойдя до предела опускания, крыло поворачивается на 90° вокруг своей продольной оси передним краем вверх, так что плоскость крыла становится вертикально. В та­ком положении оно возвращается по прямой вверх, про­резая воздух передним краем, как ножом. При таких условиях поднятие крыла не дает пропеллирующего эффекта и вся работа крыла ограничена элеваторными ударами. Достигнув верхнего положения, крыло пово­рачивается и снова принимает горизонтальное положе­ние. В эту долю секунды муха успевает «начать паде­ние», завершающееся мягкой вертикальной посадкой, т. е. делает то, на что способен не каждый вертолет. Приведем еще один пример. Пчела, садясь на цветок, на момент неподвижно повисает в воздухе, затем вытя­гивает вперед все шесть лапок и плавно опускается реей тяжестью своего тела на избранную «посадочную площадку», удерживаясь на ней лапками с цепкими ко­готками. Полная безопасность посадки! И еще одна деталь. В отличие от вертолета, нуждающегося для по­садки в довольно ровной, горизонтальной площадке, пчела и другие насекомые садятся на неровный и часто совсем не горизонтально расположенный предмет, в приведенном примере на цветок. Даже в этой неболь­шой детали посадки есть чему поучиться у насекомых.
Большой интерес для техники представляет высокая маневренность полета насекомых, умение виртуозно управлять им. Так, бражники развертывают на лету свой длинный хоботок и вводят его в цветок, не приса­живаясь. Например, бабочка языкан питается на льян-ке, у которой вход в венчик закрыт двумя губами. Ориен­тация хоботка должна быть здесь очень точной, и насе­комому в этом помогает работа крыльев. Бражник при этом покачивается в воздухе около цветка вправо и влево. Одними из самых поворотливых в воздухе насе­комых являются многие мухи. Так, даже на комнатной мухе, которая не принадлежит к особенно хорошо ле­тающим формам, можно наблюдать, как одна особь гоняется за другой. Муха очень быстро бросается в воздухе из стороны в сторону, а другая муха следует за первой на коротком расстоянии, в точности повторяя траекторию ее полета. Относительно стрекоз, перепон­чатокрылых и бражников известно, что они могут пере­двигаться в воздухе не только вперед, но и назад. Немало насекомых способно выполнять в воздухе не­вероятные «эволюции», вплоть до самых головокружи­тельных фигур «высшего пилотажа». В частности, равно-или разнокрылые стрекозы могут вертикально подни­маться и опускаться, а затем посредством быстрой авторотации переходить в обычный полет. Одна из сир-фид легко делает «бочку» и «мертвую петлю» Нестеро­ва. Более того, она может даже повисать в воздухе в полной неподвижности спинкой вниз! Делается это так: сначала муха занимает нормальное положение, спиной вверх, затем она поворачивается на 90° вокруг продоль­ной оси крыльев головой вверх, затем поворачивается в том же направлении еще на 90° и принимает положе­ние спиной вниз. Весь этот каскад фигур насекомому удается выполнить благодаря очень большой быстроте работы рецепторного и летательного аппаратов и их точной координации. Достаточно сказать, что муха хризотоксум кувыркается в воздухе с такой скоростью, что каждый ее поворот в вертикальной плоскости за­нимает всего лишь 0,001 сек\
Рассмотренные выше многообразные преимущества летных характеристик насекомых побудили отдельных ученых, инженеров, изобретателей различных стран за­няться разработкой энтомоптеров — аппаратов, летаю­щих по тому же принципу, что и насекомые. За послед­нее время у нас в СССР и за рубежом было создано не­сколько моделей энтомоптеров. Некоторые из них даже поднимались в воздух. Однако соперниками самолетов и вертолетов эти экспериментальные аппараты, как из­вестно, пока еще не стали по той простой причине, что все конструкции энтомоптеров были созданы без учета необычайно сложной кинематики и аэродинамики кры­ла насекомого, которое хранит еще десятки нераскры­тых секретов.
Но создание энтомоптера уже не фантастика. Это вполне осуществимая машина. Следует лишь иметь в виду, что небольшие размеры насекомых, их малый вес обусловливают совсем другую аэродинамику полета, чем та, которая возможна для больших конструкций. Здесь нельзя основываться только на законах подобия, так как с увеличением размеров энтомоптера до раз­меров самолета' значительно меняются все соотношения между прочностью и гибкостью крыла, частотой взма­хов и другими показателями. Вероятно, первые «на­стоящие» энтомоптеры, созданные с учетом подробных знаний о физическом механизме полета насекомых, будут летательными аппаратами так называемой «малой авиации». Управляемые по радио, они будут служить надежным средством связи, для переброски небольших грузов, для аэрофотосъемки, для подъема аэрологиче­ских приборов на высоту и других целей. Далее, энто­моптеры, по-видимому, станут удобным транспортным средством для широких масс населения. Такой махолет по своим размерам, как нам мыслится, не будет больше современного легкового автомобиля, он будет гораздо проще по конструкции, легче в управлении и научиться летать на нем можно будет за несколько дней. Для по­лета из Москвы в Ленинград потребуется израсходовать не более... десятка литров бензина!
Есть еще один вид махолетов, Попытки создания которых почти всегда оканчивались неудачами или едва уловимыми успехами; над ними работали многие поколения изобретателей, а некоторые упорно продол­жают трудиться и сейчас. Это — мускульный махолет, или попросту мускулолет. Аппараты с машущими крыль­ями, напомина'ющими птичьи, строят из самых легких материалов. Сами изобретатели и их немногочисленные приверженцы и помощники впрягаются в изготовленные ими механизмы и с яростью раскачивают рычаги до полной потери сил в надежде преодолеть земное притя­жение. Мускулолеты подбрасывают, разгоняют на вело­сипедных колесах по наклонной плоскости, дают пер­вый сильный толчок длинными резиновыми шнурами. Однако ничего обнадеживающего из проводившихся до последнего времени экспериментов извлечь не уда­лось, и многие изобретатели в конце концов пришли к выводу, что «человек не может летать, пользуясь только силой своих мышц». В ряде статей попытки создания мускулолетов были даже отнесены к категории бредовых идей. Но вот, сравнительно недавно, группа советских спортсменов из бухты Провидения доказала, что такой полет совершенно реален. Они сконструиро­вали своеобразный летающий велосипед, приводимый в движение, как и обычный наземный, усилием мышц ног. На нем северянам удалось пролететь 200—300 м. Конструкторы одной английской фирмы и студенты Саутгемптонского университета несколько усовершен­ствовали этот «летающий велосипед», и в настоящее время они уже пытаются ставить на таких мускулолетах «рекорды» дальности и маневренности.
Сегодня мускулолет еще очень несовершенен. И, ве­роятно, он никогда не станет транспортным средством. Но после того, как биологи и инженеры досконально изучат законы работы крыла птиц и насекомых, а энту­зиасты машущего полета получат в свое распоряжение новейшие конструкционные материалы, можно надеять­ся, что мускулолет приобретет широкое применение в спорте. Это будет интереснейший и очень полезный спортивный аппарат, с помощью которого можно будет выполнять большие прыжки в длину и высоту, совер­шать довольно длительные полеты на «бреющей» тра­ектории. Под словом «будет» мы имеем в виду
Оставшуюся треть XX столетия. Мы глубоко верим, что именно в наш ракетный век миф об Икаре станет былью (рис. 23). Стремление человека подняться в воз­дух, парить в нем, опираясь на силу собственных мышц, неукротимо!
В сущности, ученые и инженеры сейчас делают лишь первые шаги на пути к решению задачи машущего по­лета. Пока эта проблема полностью решена только в природе — у летающих животных. И мы не должны закрывать глаза на все те трудности, с которыми свя­заны исследования полета птиц и насекомых и выясне­ние теоретических предпосылок для создания аппаратов

Рис. 23. Крылья Икара в ракетный век.

с машущими крыльями. Но, располагая теорией машу­щего полета и накопив достаточный опыт в строитель­стве орнитоптеров и энтомоптеров, самолетостроители, надо полагать, со временем перейдут к созданию «боль­шой махолетной авиации». В ней, несомненно, будет использован весь арсенал разнообразных и замечатель­ных свойств, присущих летательному аппарату насеко­мых и птиц, начиная от тонкого управления полетом и кончая способностью их крыльев одновременно созда­вать тягу и подъемную силу. Фюзеляжи будущих транс­портных и пассажирских махолетов, вероятно, будут сделаны из легкой и термостойкой пластмассы, по проч­ности не уступающей лучшим сортам стали; крылья, очевидно, будут изготовлены из стеклопластика или дюраля с легкой обтяжкой, по своим характеристикам приближающимся к материалам «одежды», в которую природа облачила пернатых летунов и насекомых. Из чего именно будет сделана такая обтяжка, пока трудно сказать. Очень может быть, что поначалу для этих це-

лей строители махолетов используют уже известную нам легкую оболочку типа «ламинфло», имитирующую по своим свойствам чудесную антитурбулентную и гид­рофобную кожу дельфинов. Что касается выбора источ­ников энергии для будущих махолетов, то здесь, надо полагать, подойдут любые двигатели, вплоть до атом­ных, если их удастся сделать достаточно легкими.
Такие махолеты будут поднимать (на единицу мощ­ности) больше грузов и пассажиров, стоить они будут значительно дешевле нынешних самолетов (как винто­вых, так и реактивных). Можно предположить, что будут созданы и многокрылые махолеты. Несколько «асинхронных» пар узких крыльев, несомненно, обеспе­чат махолету значительно более высокую относитель­ную скорость, чем широкие и короткие крылья орла или летучей мыши. Полет на махолете будет совершен­но безопасен, так как машущий полет допускает очень малые, почти «нулевые» скорости. И последнее. При переходе на машущий полет отпадет нужда в строи­тельстве длинных взлетно-посадочных дорожек и до­рогостоящих аэродромов.
Рассмотрев все важнейшие аспекты проблемы машу­щего полета, в заключение необходимо подчеркнуть, что изучение полета птиц и насекомых нельзя считать лишь подсобным методом, призванным облегчить созда­ние летательных аппаратов с машущими крыльями,— оно имеет гораздо большее значение. Даже если бы такие аппараты и не были созданы либо их практиче­ское применение на первых порах оказалось бы недо­статочно эффективным, все равно наука останется в выигрыше, так как бионические исследования полета птиц и насекомых (как и вообще механизмов локомо-ции летающих и плавающих животных) сулят открыть новые страницы в аэро- и гидродинамике.

Беседа третья

Биотоки в упряжке



Представьте себе, что по рельсам модели кольцевой железной дороги бойко бегает маленький локомотивчик с вагончиками. Он меняет скорость и на­правление движения, повинуясь в буквальном смысле слова мановению руки сидящего в кресле и лукаво улыбающегося человека. Люди стоят вокруг модели как зачарованные. Им кажется, что из сказки в жизнь при­шел волшебник и удивляет всех присутствующих своим могуществом. Но вот легким взмахом кисти «волшеб­ник» остановил игрушечный поезд, и вы видите, что из-под эластичной манжеты, надетой на правую руку «чародея», откровенно свисают провода, которые тя­нутся к двум небольшим коробочкам, положенным на пол, а оттуда — к железной дороге...
Что же это такое? Как удается человеку лишь одним мановением руки, не прикасаясь к паровозу, останав­ливать и пускать в ход, менять скорости и направление его движения.
Оказывается, когда человек двигает рукой или но­гой, то в его мышцах возникают биотоки. Да, да, те самые биотоки, действие которых обнаружил еще в конце XVIII века известный итальянский физиолог Луиджи Гальвани. Элементарным источником биотоков, своеобразным биогенератором служит живая клетка. Че­ловек может по своему желанию вызывать появление биотоков в мышце и регулировать их величину, даже не производя движения. Достаточно лишь мысленного приказа, т. е. принятия решения — пусть мышцы руки сократятся. «Депеша» с распоряжением побежит по нервному волокну от «командного пункта» к исполни­тельному органу. Весь процесс протекает почти мгно­венно. Но что значит «почти»? Биотоки, возникающие при работе мышц, — это разряды, длительность которых равняется тысячным долям секунды, а амплитуда — ты­сячным долям вольта.
Возникающие в мышцах биопотенциалы нетрудно снять простыми электродами и усилить. Это и сделал автор модели железной дороги, старший инженер Цент­рального научно-исследовательского института протези­рования и протезостроения Е. Полян. Для управления локомотивчиком он создал устройство, в котором ис­пользовались два сигнала: один, снимаемый с мышц, сгибающих кисть, другой — с мышц, которые ее разги­бают. Почему два? Один из них преобразуется в коман­ду «передний ход», другой — в команду «задний ход». Вот, пожалуй, и весь «секрет» описанного эксперимен­та, если не касаться трудностей защиты слабенького начального импульса от шумовых помех и других «под­водных камней», которые пришлось обходить энтузи­асту биоточного управления.
Мозг, командуя движениями руки, продолжает по­сылать к мышцам биотоки — слабые электрические сигналы — и тогда, когда часть руки ампутирована. Но в этом случае импульсы, поступая в нервные окончания культи и возбуждая усеченные мышцы, дают лишь ощу­щение тех или иных движений. Реализовать их мышцы не могут: исполнительный механизм — часть руки с кистью — отсутствует. При этом, чем отчетливее и ост­рее эти ощущения, тем больше сосредоточивается на них внимание инвалида. Утрата руки трагична. Пропа­дает непревзойденный, виртуознейший инструмент при­роды, способный создавать бессмертные полотна, ваять и строить, извлекать из неодушевленного рояля чарую­щую музыку Чайковского, умеющий водить трактор, уп­равлять любым станком и космическим кораблем. И дело не только в том,' что человек уже не может стать ни художником, ни скульптором, ни музыкантом, ни ка­менщиком, ни космонавтом. Теряется нечто большее: созидательные отделы мозга заходят в тупик. Как бы ни пылало и ни буйствовало воображение, как бы ни велика была сила воли и мощь таланта, ничто уже не может вызвать к жизни картины Рембрандта или Ре­пина, скульптурные творения Родена или Коненко­ва, музыку Паганини или Глинки. Именно поэтому, начиная с античных времен и до наших дней, человече­ская изобретательская мысль с неотступной страстно­стью и упорством ищет способы вернуть руку тем, кто ее лишился.
История протезирования знает немало попыток не­превзойденных мастеров точной механики воссоздать подвижную руку, активный протез. В кожаных перчат­ках, начиненных множеством шестеренок и рычажков, воплощалась логика французских геометров и волшеб­ство швейцарских умельцев-часовщиков. Но конструк­ции оставались сложными узлами мертвого металла: слабые остатки мышц неспособны были вдохнуть жизно в стальное подобие кисти...
И вот поздним осенним вечером в октябре 1956 г. в лабораторию к известному советскому ученому, спе­циалисту по теории машин и автоматов А. Кобринскому пришел специалист по технике протезирования Я. Якоб­сон. Гость рассказал о механических протезах пред­плечья, объяснил принцип их действия, сетовал, что механические протезы с большим трудом воспроизводят даже простейшие движения. Под конец беседы у уче­ных возникла идея использовать для управления проте­зом руки... биотоки.
Как известно, путь от идеи до ее реализации неле­гок. Нужно было всесторонне исследовать проблему биоэлектрического протезирования, провести огромную теоретическую и экспериментальную работу. Все иссле­дования были поставлены широко. Помимо А. Кобрин-ского и Я. Якобсона за разработку принципиально нового типа протеза взялись многие сотрудники Цент­рального научно-исследовательского института протези­рования и протезостроения во главе с его директором профессором Б. Ильиным-Поповым.
Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, была изготовлена- в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и довольно громозд­кую систему усиления и преобразования электрических сигналов, снимаемых с какой-либо мышцы. Человеку, использующему такую руку, пришлось бы все время держаться близ штепсельных розеток и носить на себе большой ламповый усилитель. Кроме того, искусствен­ная рука воспринимала только общие сигналы типа «сжать пальцы», «разжать пальцы», а не сигналы о том, с какой силой это делать. Попытка поздороваться с че­ловеком, обладающим такой «железной рукой», неиз­бежно привела бы к травме. Однако при всех своих недостатках первая модель биоманипулятора позволила решить сложнейшую инженерную проблему, о которой не решались писать даже самые отчаянные фантасты: необычная система включалась и выключалась только волей, только невысказанным желанием человека. Кон­структоры нашли верный путь обработки и посылки биопотенциалов к исполнительному органу — искусст­венной руке.
Постепенно модель биоманипулятора совершенство­валась. И вот летом 1960 г. участники I Международ­ного конгресса Федерации по автоматическому управ­лению, происходившего в Москве, стали очевидцами такой совершенно необычной картины. Пятнадцатилет­ний мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусствен­ной рукой кусок мела и написал на доске ясно и четко: «Привет участникам конгресса!» Кисть протеза оказа­лась живой. Она сжималась и разжималась. Ее движе­ниями управляли мышечные биотоки. Так впервые была реализована родившаяся на стыке физиологии и автома­тики идея управления техническим устройством с по­мощью биоэлектрических сигналов, которые вырабаты­ваются в живом организме.
Любопытно, что некоторые зарубежные ученые, не принимавшие участия в работе этого конгресса, прочи­тав сообщение о демонстрации созданной советскими специалистами биоруки, отнеслись к нему с недове­рием. В частности, один из американских ученых в 1961 г. писал: «Русские заявляют, что они располагают устройством, позволяющим управлять действиями искусственной руки с помощью мыслей. Это фанта­стическая система...» Но если вы заглянете в книгу Норберта Винера «Бог и Голем», увидевшую свет уже после его смерти, то в ней вы прочитаете следующее:
«Представим себе,—пишет ученый,—что человек лишился кисти руки. Он лишился некоторых мышц, которые позволяли ему сжимать и разжимать пальцы, однако большая часть мышц, обычно двигающих рукой, сохранилась в культе локтевой части руки... Эти мышцы, хотя они и не могут привести в движение кисть и паль­цы, которых нет, вызывают некоторые электрические эффекты, называемые потенциалами действия. Эти по­тенциалы могут восприниматься соответствующими электродами, а затем усиливаться и преобразовываться транзисторными схемами. Такие потенциалы можно использовать для управления движениями искусствен­ной руки при помощи миниатюрных электродвигателей, которые питаются от батарей или аккумуляторов... Источником управляющих сигналов служит обычно центральная часть нервной системы... Подобные искус­ственные руки уже были изготовлены в России, и они

Рис. 1. Блок-схема биоэлектрического протеза пред­плечья (по А. Бутко).

даже позволяли некоторым инвалидам вернуться к про­изводительному труду» (рис. 1).
Да, искусственная рука, созданная советскими уче­ными, вернула к производительному труду уже сотни людей как в СССР, так и за рубежом. В благодарных письмах они называют свои протезы «необходимей­шими частями тела».
...Десять лет назад, в новогоднюю ночь, когда в Риме затевались веселые гулянья и вспыхивали огни фейер­верков, житель одной из тихих улочек Вечного города, сын пекаря Гоффредо Дзампетти мастерил петарду. Но парню не повезло — петарда взорвалась в его руках, не взлетев в воздух. Гоффредо лишился обеих рук. Нача­лись дорогостоящие мытарства по итальянским клини­кам, госпиталям и ортопедическим институтам. Роди­тели хотели дать сыну хотя бы какое-то подобие рук. Но все было напрасно. Ему выдали протезы, но они оказались бесполезными: Гоффредо разжимал ладонь, а сжать ее не мог, он брал лист бумаги, но тот выпадал из непослушных пальцев. Самые простые движения сто­или многих трудных и чаще всего тщетных усилий...
Но вот три года назад Дзампетти прочел в «Унита», газете Итальянской коммунистической партии, заметку о своем соотечественнике Энрико Бертини. Там опи­сывалось, как советские врачи помогли Энрико, поте­рявшему на фабрике обе руки, вернуться к нормальной жизни и работе. Гоффредо решил еще раз попытать счастья. Он написал в Советский Союз, и его вызвали в Ленинград, в Научно-исследовательский институт протезирования.
Через два месяца молодому итальянцу изготовили искусственные руки и научили его пользоваться ими. В письме, отправленном на родину, Гоффредо писал:
«Мама, теперь у меня есть руки. Найдите мне ра­боту. Может быть, место портье... Это очень важно, найдите мне работу...»
Недавно ручной протез с биоэлектрическим управ­лением пришел на помощь «талидомидным» детям.
Вы, вероятно, помните трагические сообщения, опуб­ликованные в «Известиях» №№ 184 и 282 за 1962 г. В них описывались последствия применения «тали-домида», «нейроседина» и других «успокоительных средств», одно название которых заставляет и по сей день вздрагивать от ужаса многих матерей Западной Европы. Выпущенные в широкую продажу недобросо­вестными дельцами — фармацевтами, эти «лекарства» благодаря оглушительной рекламе быстро получили по­пулярность как снотворное средство, специально пред­назначенное для беременных женщин. Снадобье оказа­лось поистине дьявольским: дети рождались уродами, без рук или без ног, с парализованными или неразвив-шимися конечностями, с искривленным позвоночником.
Вот для этих «талидомидных» детей руководители специального фонда, учрежденного в Англии, закупили в СССР лицензию на производство оригинальной кон­струкции биоэлектрического протеза рук. Советское изобретение оправдало надежды английских врачей. Доктор Реджинальд Джонс, глава делегации английских медиков, сказал: «Русские достигли огромного прогрес­са в электронной физиологии...»
Приобрела лицензию на советскую биоэлектриче­скую руку и Канада. Ведутся переговоры и с другими странами. Исключительно высокую оценку получи­ло недавно советское изобретение на 50-м конгрессе итальянских травматологов. Английский писатель Джеймс Олдридж назвал это изобретение уроком гума­низма, который оставит глубокий след во многих сердцах.
Обладатель искусственной руки пользуется ею очень просто, для этого не нужно никаких неестественных усилий: легкое сокращение одной мышцы культи за­ставляет кисть сжаться, сокращение другой раскрывает ее. Протез надежно работает при любом положении руки. Биоэлектрическая рука не позволяет пока зани­маться тяжелой атлетикой и игрой на рояле, но с ее помощью можно подымать тяжести, необходимые в бы­ту, пользоваться иголкой и пинцетом, работать напиль­ником, ножницами, пилой, молотком, зубилом, отверт­кой, печатать на пишущей машинке, писать, чертить, рисовать, пользоваться тонким измерительным инстру­ментом, счетной линейкой, арифмометром, управлять мотоциклом и автомобилем, ремонтировать радиоаппа­ратуру и т. д.
Однако, как ни значительны успехи советских уче­ных и инженеров в создании так называемых активных протезов, изобретатели этой чудесной системы недо­вольны ее возможностями. Их не устраивает то, что человек не чувствует своей руки, а приобретение навыков в ее использовании и контроль за ним соверша­ются только посредством обратной связи через зрение. Зрение же наше не приспособлено для контроля быстро изменяющихся ситуаций. Кроме того, наш зрительный аппарат и так сильно загружен и добавление к его нагрузке функций контроля за всеми действиями про­теза весьма нежелательно. Таким образом, для того чтобы человек мог при помощи биоэлектрической руки совершать очень тонкие, чрезвычайно сложные и быстрые движения, выполнять комбинации самых различных манипуляций, протез должен быть наделен эффективными искусственными средствами обратной связи, близкими к тем, которыми обладает живая рука. Другими словами, неживую, искусственную руку нужно «оживить», «очувствить». И эту, казалось бы, фантасти­ческую идею советские ученые решили осуществить. Первый шаг к «оживлению» искусственных рук уже сделан.
Недавно на конференции по бионике, проходившей в Баку, впервые было сообщено, что за два года в Центральном научно-исследовательском институте про­тезирования и протезостроения построен макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укреплен­ными на кончиках пальцев. Эти датчики сделаны из токопроводящей резины или тонкой проволоки. Под влиянием усилия на датчики сигналы от них изменяют частоту вибрации зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва, идущего в мозг.
Новый биоэлектрический протез руки, посылающий сигналы о силе сжатия пальцев в нервную систему, раз­работал инженер Анатолий Шнейдер. Девять инвалидов, пользовавшихся образцом уникальной «биоруки», за два-три сеанса приобретали ясное ощущение давления, приложенного к кончикам пальцев. При изменении усилия до трех килограммов разница в усилии, равная 100 граммам, уже отчетливо ощущалась!
Для передачи человеку информации о совершаемых действиях сейчас пытаются использовать в цепи обрат­ной связи различные виды чувствительности, например вибрационную. Это позволяет выполнять строго дози­рованные по силе и координации двигательные акты. В Югославии создана модель протеза кисти, в которой чувствительные тензометрические элементы выполняют роль тактильного анализатора и управляют сервомото­ром, осуществляющим движение схватывания. И, нако­нец, еще одна новинка. В последнее время начинают использовать различные логические и вычислительные устройства в блоке преобразования сигналов. В протезе имеются программы различных движений, ряд сложных движений может осуществляться от одной команды.
Судя по результатам многочисленных экспериментов, использование кожно-вибрационных и электрокожных раздражений в искусственных системах обратной связи оказывается, по-видимому, наиболее перспективным, ибо получение таких раздражений не представляет труда. Однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих элементов необхо­димо провести еще множество экспериментов, большуюнаучно-исследовательскую работу. И она ведется, ведет­ся успешно. Бионики и инженеры, биологи и врачи на­деются, что в будущем удастся создать такой биоэлект­рический протез, который смо­жет чувствовать температуру, твердость и качество поверхно­сти удерживаемого предмета. То­гда можно будет действовать ис­кусственной рукой, как естест­венной, не глядя на нее. Она бу­дет четко различать горячее и хо­лодное, влажное и сухое, глад­кое и шероховатое.
Такие искусственные руки могут быть полезны не только инвалидам, лишенным одной или обеих рук, но и совершенно здо­ровым людям. Ничто не мешает, например, использовать искусст­венную руку в качестве третьей, четвертой, пятой и шестой руки, если этого требует выполняемая работа. «Дополнительные руки», подсоединенные «в параллель» с живыми и управляемые биотока­ми, будут дружно помогать чело­веку, сделают его многоруким.
Несмотря на слабость биото­ков, искусственную руку можно наделить богатырской силой. Недавно в одной из лаборато­рий США создали сверхмощного робота высотой свыше 5 м, так сказать «Голем XX века». Все движения этого великана управ­ляются биоэлектрическими им­пульсами человека, помещенного внутри него. Человек делает движение, нужное для того, чтобы выдернуть, скажем, кол из земли, — и робот спокойно выдерги­вает дерево с корнем. «Мы хотели в этом агрегате во­плотить все функции человека, умноженные на мощь механизмов», — заявил один из его конструкторов. А теперь посмотрите на рис. 2. Перед вами огпча из последних новинок Пентагона — костюм, который, по мнению военных специалистов США, наиболее подхо­дит для пехотинца, действующего в условиях термоядер­ной войны. Солдат похож на робота: тяжелый шлем, массивный панцирь, мощная броня, стальные башмаки. Трудно сказать, сколько весит этот «наряд», но человек, которого апологеты мировой войны решили облачить в такой броневой скафандр, несомненно, должен обла­дать сверхпрочным черепом, шеей и руками гориллы. А как же будет передвигаться это бронированное чудо­вище? Как сможет солдат в таком костюме вести бой, стрелять, драться в рукопашной схватке, преодолевать препятствия? Ведь часто исход боя, как известно, ре­шают доли секунды...
Ответ на все эти вопросы должна дать одна из круп­нейших американских фирм, занимающаяся по заданию Пентагона созданием «солдат-роботов». По замыслу военных деятелей США, бронированный скафандр дол­жен приводиться в движение электромоторами, на кото­рые будут воздействовать биоимпульсы мозга «атомного пехотинца». Такой «сервосолдат», по мнению предста­вителей Пентагона, легко сможет один нести тяжелое снаряжение и передвигаться бегом гораздо быстрее, чем обычные люди. Атомный пехотинец сможет также при­водить в движение и летательные аппараты на мышеч­ной энергии.
Особенно большой интерес к биоэлектрическим системам проявляют ныне специалисты, занимающиеся решением проблемы жизнедеятельности человека в космосе. Как известно, связующим звеном между чело­веком и машиной служит система управления космиче­ским кораблем. Эта система — средство интеграции возможностей человека с его способностями. Между тем во время космического полета человек подвергается воз­действию больших перегрузок. Так, при взлете и по­садке его тело приобретает тяжесть свинца. В этих условиях довольно затруднительно пользоваться ручным управлением, так как приходится преодолевать допол­нительный вес рук, возникающий вследствие перегрузок. Одна из американских фирм провела успешные экспе­рименты по управлению «механической» рукой с по­мощью биотоков. На руку космонавта надевается спе­циальная «перчатка», которая приводится в действие электрическим или гидравлическим приводом. Таким образом, движение руки происходит как за счет работы мышц, так и за счет работы привода. Устройство позво­ляло свободно действовать рукой при усилиях порядка 40 кг.
За рубежом разрабатываются также клешни, управ­ляемые биоэлектрическими сигналами, для космонавтов, которым придется манипулировать с приборами и ин­струментами вне кабины космического корабля. По за­мыслу конструкторов, достаточно будет небольшого уси­лия, чтобы сработал специальный «усилитель пальцев» и чтобы металлический захват «намертво» сжал тот или иной предмет. Так рождается в наши дни рука Коман­дора, невольно заставляющая вспомнить известное вос­клицание пушкинского Дон Жуана: «О, тяжело пожатье каменной его десницы!»
Но опустимся с небес на землю и рассмотрим воз­можности применения биоэлектрического метода в раз­личных «земных» областях человеческой практики. Принципы биоуправления открывают человеку новые широкие возможности манипулирования под линзой микроскопа с мик^ ^объектами, для которых его собст­венные руки слишком велики. Вместе с тем биоэлектри­ческий сигнал выполняет лишь функцию управления, и поэтому он может «командовать» любым мощным источ­ником энергии, а это значит, что человек имеет возмож­ность непосредственно манипулировать огромными мас­сами. Иными словами, можно создать некое подобие кентавра, в котором живой организм будет естественно сопрягаться с тем или иным механизмом. Но не так, как в чаплинской комедии «Новые времена», где рабочий служит придатком машины и подобен заводной игруш­ке. Речь идет о создании такой системы, где свободное волеизъявление разума продолжается электроникой и усиливается сталью, где нервная сеть воедино сливается с сетью проводов электрических агрегатов, где метал­лические громады подчиняются мозгу человека точно так же, как живые мышцы его рук.
Представьте себе, что нужно произвести сложную работу глубоко под водой, скажем, подготовить к подъ­ему со дна моря затонувший корабль. Обычно этим занимаются, как известно, водолазы. Нелегок и опасен их труд. Достаточно сказать, что водолаза, проработав-

шего 2 час на глубине всего лишь в 25 м, приходится поднимать на поверхность почти 1'/а час, чтобы его организм постепенно привык к изменению давления. И все же водолазы спускаются под воду, ибо в нашем примере нельзя обойтись без рук человека, здесь нуж­ны смекалка и мастерство, умение принимать нужные решения, быстро действовать в различных сложных ситуациях. Но когда будут созданы, подобно биопро­тезам, искусственные стальные руки, работа водолазов приобретет совсем иной характер. В сущности-то и водолазы не понадобятся, им не придется опускаться в глубины моря. К затонувшему кораблю протянутся «механические руки», за манипуляциями которых будет следить подводный «телеглаз». Оператор пошлет био­электрические импульсы сквозь многометровую водную толщу мощным металлическим захватам и передаст им все то богатство навыков, многообразие движений и усилий, которыми многолетний опыт одарил его собст­венные руки. Наблюдая на экране телевизора за тем, что происходит в воде, оператор из уютной рубки спа­сательного судна подготовит к подъему затонувший корабль, по сути не притронувшись •-. нему, не замочив своих рук.
Такими же руками можно снабдить и ученых, опу­скающихся в специальных аппаратах в океанские глу­бины. Людям, следящим за работой огнедышащих пе­чей, можно дать «огнеупорные руки». А если руки-ма­нипуляторы изготовить из высокостойкого изоляцион­ного материала, то им не страшны будут и высокие напряжения. Другие искусственные руки откроют чело­веку доступ в опасные зоны атомных установок, по­зволят непосредственно осуществлять манипуляции в ядерном реакторе. Наконец, в наше время не нужно быть особенно изобретательным, чтобы избавиться от проводов, соединяющих руки оператора с манипулято­рами, и тогда можно управлять послушной стальной ру­кой хоть из другого полушария. Человек сможет бук­вально обнять земной шар, дотянуться до Марса, взять в руки марсианский камень...
До сих пор мы говорили в основном о возможностях использования биотоков мышц руки для целей протези­рования, управления различными механизмами, проник­новения человека в ранее совершенно недоступные
4 И. Б, Литинецкнй 97
области и т. д. Между тем в системе «человек — маши­на» так же широко и эффективно можно использовать и биотоки других мышц человека, например лицевых.
Простите, может сказать человек, я не совсем пони­маю, как это будет выглядеть на практике? Да и зачем вообще надо «впрягать» мышцы лица в систему «чело­век — машина»? Чтобы развеять всякие сомнения на сей счет и убедиться в целесообразности такой постановки задачи, рассмотрим работу такой широко распростра­ненной системы, как «человек — автомобиль».
Общеизвестно, что скорости современных автомоби­лей непрерывно увеличиваются, тогда как скорость реакции людей, сидящих за рулем, остается неизменной; она одинакова при скорости 100, 200, 300 и более кило­метров в час. Данные статистики показывают, что боль­шая часть автомобильных катастроф происходит из-за недостаточно быстрой реакции водителей — они не успевают вовремя затормозить, и в результате — несча­стный случай. Вследствие запоздалой реакции шоферов в моменты так называемых «критических ситуаций» только в Японии за 1966 г. под колесами автомобилей погибло более 10 000 человек, а сотни тысяч получили ранения. Как же быть? Ездить медленнее? Снижать скорость автомобилей? Это невозможно. Все идет, на­против, к увеличению скорости. А нельзя ли свести до минимума запаздывание реакции шофера?
Время, которое проходит с момента решения тор­мозить и до собственно торможения — время реакции, можно разбить на три периода:
время, требуемое для передачи нервных импуль­сов с коры головного мозга на нервные окончания мышц ноги (при скорости импульсов 100 м/сек оно рав­но примерно 0,15 сек);
время, требуемое для перемещения ноги с педали акселератора на педаль тормоза;
время, требуемое для нажатия на рычаг тормоза (и остановки автомобиля).
Суммарная продолжительность всех трех перечис­ленных периодов, как показали исследования, в среднем составляет 0,4 — 0,5 сек. За это время при скорости 100 км/час машина проходит приблизительно 13,6 м. При такой скорости между моментом восприятия моз­гом опасной ситуации и моментом торможения, т. е. за

0,5 сек, шофер может сбить неожиданно появившегося на шоссе человека или свалить машину в кювет, если не удастся объехать вдруг возникшее препятствие.
Таким образом, задача заключается в том, чтобы сократить промежуток времени между поступлением импульсов в головной мозг, их трансформацией в ко­мандные сигналы и обратным поступлением к исполни­тельному органу для выполнения необходимых движе­ний. Поскольку скорость передачи нервного импульса мы увеличить не можем, остается одно: резко уменьшить проходимый им путь по цепи управления, состоящей (б общем случае ручного или ножного управления) из следующих звеньев: глаз —^нервный канал—>двигатель­ный центр коры головного мозга—«-нервный канал —>¦ мышца—>- конечность —* исполнительный, орган —>¦ объ­ект. Очевидно, наибольшего эффекта можно добиться, исключив из этой цепи некоторые наиболее инерцион­ные и ненадежные звенья. Такими звеньями в нашем примере являются нога и мышца ноги. Их можно исклю­чить из цепи управления либо использовав в качестве управляющего сигнала не биопотенциал мышцы конеч­ности, а сигналы-команды, поступающие к ней от мозга, либо возложив функции передачи приказа от головного мозга прямо на тормоз на какую-нибудь мышцу, распо­ложенную в непосредственной близости от мозговых центров и обладающую малой массой (чем меньше мас­са мышцы, тем быстрее она срабатывает). Всем послед­ним условиям как нельзя лучше удовлетворяют мышцы бровей. Их и решил использовать в недавно созданной опытной модели вспомогательной тормозной системы сотрудник Люблянского университета инженер Во-
ДОБНИК.
«Он нахмурил брови, и автомобиль остановился» — так примерно начал бы свой рассказ об этом изобрете­нии писатель-фантаст. Однако в сконструированной инженером Водовником опытной модели вспомогатель­ной тормозной системы нет ничего фантастического. Устроена она и работает так. К обычным очкам при­креплены стальные пружинки, в концы которых вде­ланы серебряные контакты, прижатые к надбровным дугам (в результате этого сокращается первый период реакции). Проводнички от контактов соединены с обыч­ным дифференциальным усилителем на транзисторах.
4* 99
Выходной сигнал с усилителя подается на мульти­вибратор, в цепи которого стоит быстродействующее реле. Последнее передает возбуждение контактору мощ­ного электромагнита, установленного на педали тормоза автомобиля. В момент возникновения опасной ситуации водителю достаточно нахмурить брови, и машина оста­новится: мгновенно включается электромагнитный тор­моз (параллельно шофер действует и обычным ножным тормозом). Через 0,5 сек электромагнитный тормоз от­ключается и вновь готов к действию.
Как показали испытания опытной модели, такая си­стема позволяет сократить время торможения с 0,5 до 0,15 сек, т. е. на 0,35 сек, что при скорости 100 км/час равносильно сокращению тормозного пути примерно на 9,7 м. Этого часто достаточно для предотвращения несчастного случая. В дальнейшем, совершенствуя элек­трическую систему, инженер Водовник надеется, что ему удастся еще больше сократить время торможения автомобиля.
Теперь представьте себе современный реактивный сверхзвуковой самолет. Это чрезвычайно сложная ма­шина. В полете летчик должен непрерывно следить за положением стрелок десятков приборов, расположен­ных перед ним на щите, время от времени переключать десятки тумблеров, перемещать многочисленные рычаги. И все это необходимо выполнять в весьма неудобных условиях, обусловленных жесткой экономией места в кабине пилота. При таких обстоятельствах на лицо летчика можно наложить несколько миниатюрных электродов, позволяющих улавливать малейшую элек­трическую активность мышц лица. Изменяя мимику, летчик может дать машине необходимую в данный мо­мент «команду» в виде биоэлектрического сигнала. Последний, после предварительного усиления, изменит с помощью соответствующего электромеханического устройства положение управляющих ручек и кнопок. Контроль за биотоками своих мышц летчик будет осу­ществлять визуально, по показаниям приборов. Ведь все они служат органами обратной связи, помогающими летчику «чувствовать» машину, ее состояние и то, как она выполняет его приказы.
Разумеется, для создания систем, позволяющих с по­мощью биотоков лицевых мышц быстро, легко и па­дежно управлять автомобилем или самолетом, потре­буется затратить еще немало времени и труда. Новая система инженера Водовника, например, пока еще да­лека от совершенства и требует ряда доработок. В част­ности, выбранные изобретателем мышцы бровей могут производить движения, не зависящие от воли человека, что, конечно, значительно усложняет дело. Кроме того, сложно отрегулировать силу нажатия на тормозную пе­даль в зависимости от состояния дороги (сухая или мокрая, ровная или ухабистая). Но все эти трудности, в конце концов, преодолимы.
После того, как будут созданы новые системы био­управления автомобилями и самолетами, шоферы и лет­чики должны будут пройти специальную тренировку, которая будет заключаться в приобретении навыков почти автоматически посылать определенными движе­ниями мышц лица нужный биоэлектрический сигнал-команду определенному агрегату или механизму авто­машины или самолета. Но это не так уж сложно, если учесть уже накопившийся опыт обучения человека управлению биоманипуляторами. Ведь в принципе это одно и то же.
В системе «человек — космический корабль» к космо­навту предъявляются более серьезные требования, чем в системах «шофер — автомобиль», «летчик — самолет». Дело в том, что при «объединении» человека и космиче­ского корабля в единую систему иногда могут возникать ситуации, когда руки и ноги космонавта заняты или по каким-либо другим причинам не могут управлять тем или иным исполнительным органом. В некоторых слу­чаях задача управления космическим кораблем вообще может превзойти способности человека. Поскольку пси­хофизиологические возможности человека ограничены и в отдельных случаях это может послужить причиной нарушения нормального и точного функционирования системы «космонавт — корабль», естественно, необходи­мы поиски принципиально новых методов и средств управления космическим кораблем. Очевидно, при ре­шении этой актуальнейшей проблемы неоценимую услу­гу могла бы оказать новая оптимальная система биоэлек­трического управления, т. е. такая система, которая предъявляла бы минимальные требования к космонавту и одновременно позволяла бы наиболее эффективно воздействовать на корабль.
Но для превращения космонавта в «оптимального» оператора, т. е. для значительного расширения его воз­можностей как звена системы управления, необходи­мо преодолеть ряд трудностей. Одним из важнейших факторов, ограничивающих возможность создания оп­тимальной системы управления космическим кораб­лем, опять-таки является промежуток времени между поступлением информационных импульсов в голов­ной мозг, их трансформацией в командные сигналы и поступлением в исполнительные органы — конечно­сти — для выполнения необходимых движений. А нель­зя ли добиться того, чтобы этот фактор не оказывал существенного влияния на выполнение космонавтом действий, связанных с управлением кораблем? Оказы­вается можно, если установить прямую связь между глазом, вернее, мышцей глазного яблока человека и системой управления. Работы в этом направлении уже ведутся. Изучаются возможности создания прибора, который мог бы преобразовывать движения глазного яблока в импульсы, командующие системой управле­ния космическим кораблем.

<< Предыдущая

стр. 2
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>