Секрет пернатых
Бывает и так: появляется замечательная идея, но осуществить ее удается лишь после всесторонней предварительной проверки на работающих моделях. И только на моделях!
Люди долго не понимали, как летают птицы. Инженеров всегда удивляло, откуда птицы берут колоссальные запасы энергии для перелетов. Ведь даже если предположить, что коэффициент полезного действия птичьего крыла около единицы — чего в природе не бывает, — то утка весом в 3 килограмма должна была бы потратить на перелет протяженностью в две тысячи километров… около 18 килограммов жира!
Пытались путем экспериментов дойти до истины.
Ворону, например, привязывали к весам работающей аэродинамической трубы и заставляли «летать», склеивая птице то одни, то другие группы перьев, чтобы узнать, что изменится, если они не будут работать, а на основании этого догадаться, как именно они работают и как работает крыло птицы в целом. Однако ничего путного эти опыты не давали.
Но все же у птиц вырвали их аэродинамический секрет. Правда, не непосредственно, а использовав косвенные улики, полученные путем исследования механических птиц — самолетов.
Было установлено, что в полете за крылом самолета появляется след возмущенного воздуха — вихревая дорожка. Срывающиеся с крыла воздушные вихри в этой дорожке расположены в определенном порядке. По имени открывшего эту картину исследователя дорожку назвали вихревой дорожкой Кармана. Причина образования вихрей известна: слой воздуха над крылом обтекает его быстрее, чем слой, омывающий нижнюю часть крыла. А чем выше скорость потока над крылом, тем он больше разрежен, как говорит закон Бернулли. Нижний слой давит на крыло сильнее, потому все крыло поднимается вверх. Если попытаться увеличивать подъемную силу крыла так, чтобы коэффициент подъемной силы был большим 3,28, то вихревая дорожка разрушится. Крыло потеряет обтекание, поток оторвется от верхней его поверхности, подъемная сила упадет… И вот тут-то птицы внушают инженерам зависть своими летными качествами. Ведь у птиц коэффициент подъемной силы достигает иногда 8,5, а у жуков и насекомых и того больше — у шмеля, например, доходит до 12. Жужжит такая сверхперегруженная крошка, а летит, и ничего! А ведь шмель может лететь со скоростью 85 километров в час, и тогда у него коэффициент подъемной силы всего 0,15, то есть меньше, чем у летящего самолета.
И вот профессор Владимир Васильевич Голубев в 1947 году в своей работе «О к.п.д. машущего крыла» описал математически, как на крыле птицы образуется подъемная сила, и доказал, что за птичьим крылом также возникает вихревая дорожка, но не такая, как у самолета, а с обратным расположением вихрей. Оказалось существенным именно это расположение вихрей! Три года спустя Яков Ефимович Полонский получил фотографии этой дорожки при испытании моделей и назвал ее «вихревой дорожкой Голубева».
Теперь полет птиц перестал быть загадкой, его можно было изучить, рассчитать количественно. Оказалось, что полет птицы в отношении затрат энергии в 5–7 раз экономичней, чем, к примеру, полет самолета. Птица может пользоваться и кармановской дорожкой, когда планирует, и голубевской, когда поднимается в воздух и летит. Она более совершенна аэродинамически и более экономична, чем все летательные аппараты, созданные человеком.
Но теперь встала чисто инженерная задача: перейти в создании самолетов на голубевскую дорожку, открывающую возможность использования колоссальных коэффициентов подъемной силы.
Совершенно новый для техники принцип полета не осилить с первой же попытки. Потребуются многочисленные опыты, расчеты, испытания различных моделей. Если бы о том, как пробирается к цели мысль изобретателей и конструкторов, написать роман, это было бы произведение, полное приключений, борьбы с неожиданными препятствиями, опасностей и даже крушений. Изобретатель, склонившийся над кучкой обломков только что погибшей очередной модели, нередко переживает то же, что и герои романов Жюля Верна или Стивенсона, когда они видят, как погружается в море их потерпевший крушение корабль. А ведь изобретатели переломали горы моделей…