Как летают птицы?

Первые птицы появились в начале Юрского периода, примерно 150 млн. лет назад. Между первой пра-птицей археоптериксом и современными орлами или дроздами — огромная дистанция, около 150 миллионов лет эволюции, когда выживали самые приспособленные.

Те же перелетные птицы — например, гуси, — когда осенью улетают на юг, а весной возвращаются на север, пересекают за один дневной перелет большие расстояния, летят выше гор в тех местах, где их путь преграждают горы. Какой самолет способен вот так лететь часами и сутками без единой посадки? А ведь ни одна птица не достигает мощностей в те самые сотни и тысячи лошадиных сил, как есть в двигателях самолетов.

Кажется, будто птицы летят просто и легко. Машут крыльями вверх-вниз и все. На заре воздухоплавания люди примерно так и полагали. Увы, первые орнитоптеры (они же махолеты, птицекрылы и так далее) либо не полетели, либо разбились в первом же тестовом полете.

Орнитоптеры (сначала модели) люди создавали с XIX века. Маленькие модели могли недолго порхать. А вот когда попробовали сделать орнитоптер в размер человека — он не полетел. Ни в веке XIX, ни в веке XX. И в будущем вряд ли когда полетит. По крайней мере, пока мы досконально не разберемся, как это делают птицы.

Мы думаем, что птицы машут крыльями вверх-вниз, и ошибаемся. При съемке полета птицы на скоростную камеру можно заметить, что крылья совершают очень сложное движение: не только вверх-вниз, но и вперед-назад — и еще есть несколько составляющих. Крылья в полете при взмахе меняют положение так, как будто загребают воздух.

Кроме этого, мы знаем, но не придаем этому должного значения, что для полета еще очень важны перья птицы. Когда в середине прошлого века специалисты по орнитологии попробовали к крыльям голубя снизу к перьям приклеить папиросную бумагу, голубь еле взлетел и тут же, опустившись на поверхность, немедленно расклевал бумагу, мешавшую перьям выполнять свою функцию в полете. Функцию, о которой мы пока лишь догадываемся, ибо этот опыт показал, что потоки воздуха, проскальзывающие через щели между перьями, тоже дают добавку и к тяге, и к подъемной силе крыла.

Крылья птиц имеют эластично-упругую структуру. Благодаря этому во время взмаха они меняют свой профиль — так, чтобы, с одной стороны, увеличивалась подъемная сила, а с другой стороны, крылья при взмахах сначала аккумулируют силу, а затем отдают ее при следующем взмахе. Перья при взмахах немного закручиваются, так что Жуковский, изучавший особенности полета птиц, назвал их «крылатым пропеллером».

Хвостовое оперение парящей птицы действует подобно выдвижному закрылку, оно при планировании увеличивает подъемную силу, облегчая птице ее полет. А почти прямоугольные перья таких птиц, как аист или коршун, в зависимости от угла, под которым птицы их устанавливают, могут создавать не только подъемную силу, но и тягу. И благодаря структуре своих крыльев эти птицы могут парить в восходящих термических потоках (например, от согретых солнцем распаханных полей) или в вертикальных потоках ветра у склонов гор.

Были проведены вычисления подъемной силы и тяги машущего крыла, копии голубиного, и выяснилось, что потребность в мощности движителя — в несколько раз меньше, нежели у самолета с пропеллером. Одна беда — мы лишь примерно знаем, «как» должно быть устроено такое искусственное «голубиное» крыло. Для реализации пусть не самолета-орнитоптера, но хотя бы «махоциклета» необходимы многочисленные опыты, чтобы методом проб и ошибок установить, из чего именно должны быть созданы искусственные перья, как именно их надо крепить к крыльям, какими должны быть эти крылья и как должно организовываться сложнейшее движение крыла вверх-вниз, плюс круговое с изменением формы крыла для лучшей тяги и подъемной силы.

Уже в 1960-е годы энтузиасты МАИ пытались построить «махоциклет». Он не летал, как самолет, но мог недалеко и невысоко «подлетывать», пока у энтузиастов было время на опыты. До серийного изделия эту идею пока довести не сумели. Хотя по расчетам, если крыло выполнить максимально близко к реальному крылу птицы, должна получиться машина энергетически вдвое более эффективная, чем самолеты, и в 7 раз, если сравнивать с вертолетами.

Увы, дешевизна авиационного керосина и простота конструкции самолетов обеспечили им преимущество перед орнитоптерами. Ведь пока что мы даже не знаем, как именно для них должно быть сконструировано машущее крыло. Уж больно красиво и сложно природа создала птичьи крылья — нам пока не дано понять, в чем там секрет.