Простейшие приспособления для изучения работы машущих крыльев

Говорить о преимуществах той или иной конструкции можно лишь тогда, когда эти конструкции удается сравнить в действии. Сравнивать же можно только с помощью "меры" и "числа". В зависимости от поставленной задачи измеряемой величиной - мерой - может быть полученная тяга, потребная мощность мотора, скорость полета и т. д.

Желательно получить по возможности точные замеры. Ко поскольку в области машущего полета еще очень много неясного и неизвестного, большую пользу принесет даже неточное сравнение. Численное сравнение поможет оценить качество испытываемой части модели.

Ниже приводятся описания ряда простейших приспособлений, применявшихся членами секции машущего полета, для сравнения крыльев различных конструкций.

Инженер В. В. Дыбовский, изучая крылья насекомых, укреплял модель крылышка на упругой стальной спице, зажатой в тисках или воткнутой в подставку (рис. 1). Отклонив пальцем спицу и отпустив ее, он вызывал быстрые упругие колебания свободного конца спицы и укрепленного на ней крылышка. Частоту колебаний спицы Дыбовского (можно увеличивать, уменьшая длину свободного конца спицы. О величине тяги, создаваемой колеблющимся крылышком, можно судить по силе, с которой колеблющееся крылышко отбрасывает воздух на пламя горящей свечи, вставленной в поток, или же по углу отклонения легкого шаржа, сделанного из ваты и подвешенного на стойке.

Рис. 1. Спица Дыбовского, иллюстрирующая работу крыльев насекомых

Испытания небольших моделей на ротативной установке (рис. 2), вращающейся на оси, укрепленной на подставке, производил Д. В. Ильин. По скорости вращения установки он судил о тяге, создаваемой моделью.

Рис. 2. Установка Д. В. Ильина для сравнения работы машущих крыльев: 1 - коленчатый вал; 2 - шатун; тяги; 4 - кабанчики крыльев; 5 - крылья; 6 - резиновый мотор; 7 - противовес

Конструктор бесхвостых планеров и трех орнитоптеров - мускуллетов Б. И. Черановский при изучении работы машущего крыла использовал в качестве ротативной машины биллиардный кий. На тонком конце кия он укреплял крылышко, приводимое в движение резиновым мотором.

Кий он подвешивал в центре тяжести на нитке к потолку (рис. 3). При застопоренном крыле вся система находилась в равновесии. Когда крылышко кия начинало работать, кий вращался или приподнимался вверх в зависимости от того, куда была направлена аэродинамическая сила, развиваемая крылышком.

Рис. 3. Привод машущего крыла конструкции Б. И. Черановского, укрепленный на конце подвешенного кия:1 - подшипник; 2 - ось проволочная; 3 - резиновый мотор; 4 - опорный диск; 5 - перо; 6 - спиральная пружина; 7 - основание пружины; направление результирующей силы: а - до поворота основания спиральной пружины; б - после поворота пружины на 90°

На этом приспособлении он сравнил много различных видов крыльев. Приводы, сообщавшие крыльям движение того или иного характера, были также разные.

Приводим наиболее простой привод, который может изготовить каждый моделист. Он состоит из подшипника 1 обычной резиномоторной модели, сквозь который проходит проволочная ось 2. С одной стороны к ней крепится резиновый мотор 5. Примерно посредине оси припаивают маленький диск 4 из белой жести, а на оси между диском и подшипником помещают бусины и шайбы, уменьшающие трение. За шайбой свободный конец оси был изогнут так, что при вращении оси он описывал конус с углом при вершине, равным примерно 30°.

На этот конец оси свободно надевалось крыло трубчатым основанием (Черановский использовал в качестве крыла перо 5, взятое из концевого участка крыла птицы). Основание крыла соединялось с концом кия мягкой спиральной пружиной 6.

При вращении отогнутый конец оси увлекал за собой насаженное на него крыло. От этого крыло тоже описывало конус. Во время вращения пружина стремилась удержать хорду крыла (см. приложение, пункт 1) в неизменном положении (например, горизонтальном). Ось вставлялась в крыло близко к передней кромке, и центр давления воздуха оказывался сзади оси. Поэтому крыло при подъеме и опускании стремилось повернуться вокруг оси, слегка скручивая или раскручивая пружину, благодаря чему изменялся угол установки (ом. приложение, пункт 2), а следовательно, и угол атаки крыла (см. приложение, пункт 3).

Крыло, вращаемое резиновым мотором, развивало аэродинамическую силу (ом. приложение, пункт 4). При достаточно быстром вращении крыла оно начинало двигать кий в сторону действия результирующей силы. Если средняя суммарная аэродинамическая сила за оборот оказывалась направленной горизонтально, кий начинал вращаться. Если же сила оказывалась направленной вверх или вниз, конец кия с крылом или поднимался вверх, или опускался вниз.

Поворачивая основание 7 спиральной пружины, плотно охватывающей конец подшипника, можно было изменять установочный угол крыла, отчего изменялось и направление результирующей аэродинамической силы.

На рис. 3 даны схемы таких положений крыла, при которых результирующая сила направлена вперед а и вверх б. В положение б крыло переводится поворотом пружины на кие на 90°.

Б. И. Черановский считал, что лучшим видом вращения крыла было такое, когда конец крыла из верхней точки А двигался вперед и вниз, как это показано на рис. 3.

Опыты, поставленные Г. В. Рыбниковым на аналогично действующей установке, показали, что аэродинамическая сила может быть получена большей величины, если установочные углы атаки изменяются жестким приводам по заданной программе, а конец крыла из верхней точки движется назад и вниз, т. е. в сторону, противоположную направлению вращения крыла на приборе Черановского.

Изобретатель П. Ф. Шалимов для испытания сделанных им крыльев укрепил их на втулке, которая может вращаться на оси, удерживаемой в руке (рис. 4). Перемещая вверх и вниз муфточку, насаженную на эту же ось, можно приводить при помощи тяг крылья в движение, напоминающее взмахи крыльев птицы.

Рис. 4. Приспособление П. Ф. Шалимова для сравнения работы машущих птицеподобных крыльев

При взмахах каждое крыло создает тягу. Ко втулке крылья крепятся так, что силы тяги, возникающие на крыльях, приводят всю установку во вращение вокруг рукоятки. Меняя крылья или амплитуду их колебаний, можно по скорости вращения системы судить о развиваемой крыльями тяге.

В. М. Андреев для испытания крыльев симметрично укреплял их на жестком стержне, соединенном с осью, которая может вращаться внутри рукоятки.

Взяв в руки вертикально расположенную рукоятку и делая ею движения сверху вниз и снизу вверх, он получал параллельные взмахи крыльев, в результате чего на крыльях появлялась сила тяги, заставлявшая их приходить в быстрое вращение вместе со стержнем внутри рукоятки (рис. 5).

Рис. 5. Приспособление В. М. Андреева для испытания крыльев, совершающих параллельные взмахи

На этом приспособлении В. М. Андрееву удалось выяснить, что у каждой пары крыльев с различными величинами размаха и хорды есть какая-то наивыгоднейшая величина хода вверх и вниз, при которой они развивают наибольшую тягу, о чем можно судить по числу оборотов. Для подсчета числа оборотов в секунду он привязывал нитку, которая во время эксперимента свободно наматывалась на вращающуюся ось. Разматывая затем спокойно нитку, он мог сосчитать, сколько оборотов сделали крылья в замеренное время вращения.

При помощи этого приспособления были испытаны крылья, свободно поворачивающиеся вокруг лонжерона, как вокруг оси (в пределах допускаемых ограничителями поворота), и таким образом легко изменяющие свои установочные углы от положительных до отрицательных. Затем были испытаны крылья, изменяющие свои установочные углы вследствие большой гибкости задней кромки. Были испытаны также и жесткие, почти не гнущиеся крылья.

При первых движениях жестких крыльев вверх и вниз у них углы атаки оказывались близкими к +90° или -90°, но, несмотря на такие большие углы атаки, крылья создавали тягу и приходили во вращение.

Жесткие крылья давали до 150 об/мин, а упругие крылья - до 180-190 об/мин.

С. Ф. Мишин на аналогичном приспособлении укреплял в качестве крыла кусок тонкой трехслойной фанеры, вырезанной так, чтобы направление внешних слоев составляло с передней кромкой угол, равный 45°. Трехслойная фанера всегда изгибается так, что ось сгиба оказывается параллельной внешним слоям.

Благодаря такому расположению слоев фанерная полоса при быстрых подъемах и опусканиях изгибалась так, что получала винтообразную закрутку, способствовавшую вращению крыльев в одну и ту же сторону (рис. 6).

Рис. 6. Приспособление С. Ф. Мишина для испытания крыльев с осью скручивания АБ, расположенной под углом к оси крыла ВГ

Особенно оригинальны были фанерные голуби Мишина. Направление внешних слоев у каждого фанерного крыла составляло также 45° с осью корпуса. Голуби попарно крепились к концам изогнутых стержней, свободно вращающихся на длинной оси-рукоятке (рис. 7).

Рис. 7. Фанерные голуби С. Ф. Мишина

При быстрых подъемах и опусканиях рукоятки крылья голубей, отгибаясь, закручивались так, что оба создавали тягу, приводившую стержни во встречное вращение.

Aвтором этой брошюры было сделано приспособление для испытания двух параллельно расположенных машущих крыльев, периодически движущихся навстречу друг другу. При таком движении каждого крыла у них вдоль всего размаха углы атаки оказываются почти одинаковыми. Подбирая для заданной скорости полета нужное число взмахов, можно добиться того, чтобы угол атаки был у всего крыла наивыгоднейшим.

Приспособление подвешивалось на нитке к потолку и летало по кругу. Конструкция приспособления, сделанного из соломы, достаточно хорошо видна на рис. 8.

Рис. 8. Приспособление Г. С. Васильева для изучения работы параллельно машущих крыльев

Б. И. Черановский производил испытания, стоя на льду на коньках и удерживая в руках крылья, имевшие около 4 м в размахе, махал ими. Скорость движения на коньках показывала величину тяги, возникающей на крыльях.

При параллельных взмахах он опускал крылья за счет приседания и вытягивания рук (рис. 9), а поднимал вверх - за счет распрямления корпуса и поджатия рук.

Рис. 9. Испытание машущих крыльев человеком, стоящим на коньках: а - путем параллельных взмахов; б - путем качания через плечо

Кроме параллельных взмахов, он применял раскачивание крыльев, напоминающее движение байдарочного весла. Осевая труба, соединяющая правое и левое крылья, опиралась на шею и плечи. Поднимая руками правое крыло, он опускал левое и, наоборот, поднимая левое, опускал правое.

Работу большинства описанных приспособлений автор видел. Он убежден в том, что, несмотря на их примитивность и невысокую точность показаний, все замеры и наблюдения, произведенные на них, все же позволяют изучать качественную и оценить количественную стороны работы крыльев различных типов.