И. Н. ВИНОГРАДОВ
АЭРОДИНАМИКА
ПТИЦ-ПАРИТЕЛЕЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ДОСАРМ * МОСКВА-1951
ВСЕСОЮЗНОЕ ДОБРОВОЛЬНОЕ ОБЩЕСТВО
СОДЕЙСТВИЯ АВИАЦИИ
И. Н. ВИНОГРАДОВ
АЭРОДИНАМИКА
ПТИЦ-ПАРИТЕЛЕЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВ® ДОС АРМ * МОСКВА—1951
В книге инженера И. Н. Виноградова рассмотрены
полет и устройство крыла птиц-парителей с точки зрения
современной аэродинамики.
Автор объясняет высокие полетные качества птиц эф-
фектами проницания крыла воздухом и особой его кине-
матикой.
В книге приведены основные положения теории тяги
в машущем полете и некоторые результаты по лаборатор-
ным исследованиям моделей птиц и элементов колеблю-
щегося крыла на орнитоптерных приборах.
Книга рассчитана на общественность Досава и всех
интересующихся проблемой машущего полета.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Замечательные исследования ученых по прикладной аэродинамике,
по теории крыла и винта дали прочную базу для теоретического ра-
счета современных самолетов. Классические исследования Н. Е. Жуков-
ского, С. А. Чаплыгина, замечательные работы других советских уче-
ных, а также многочисленные теоретические и экспериментальные рабо-
ты зарубежных исследователей дали достаточно законченную теорию тех
механических процессов, которые вызывают образование сил, действую-
щих на самолет в установившемся полете.
Гораздо менее подробно изучены те процессы, которые протекают в
воздухе при неустановившемся полете, в частности, при машущем по-
лете. Если колебания крыльев с малой амплитудой, т. е. различного
рода вибрации крыльев, лопастей пропеллера и т. п., имеющих весьма
важное значение в современной авиационной технике, вызвали появле-
ние многочисленных теоретических и экспериментальных работ, то ра-
бота машущих крыльев при больших амплитудах во многих частях еще
совершенно не изучена; в самое последнее время появились работы,
представляющие, несомненно, только первые шаги в этой области.
Причиной такого положения является недостаточный эксперимен-
тальный материал, который мог бы служить базою для построения
полной теории работы машущих крыльев и возможности расчета сил,
возникающих при этом.
За последние годы прйвился ряд интересных исследований в этой
области. Работа инженера М. К. Тихонравова «Полет птиц и машины
с машущими крыльями» (1-е изд. 1937 г.; 2-е изд. 1949 г.), обширное
и весьма важное исследование профессора Н. А. Гладкова «Биологиче-
ские основы полета птиц» (1949 г.), работы профессора Г. С. Шеста-
ковой — все они дают обширный и важный материал по динамике
машущего полета.
К этой же области относится и предлагаемая работа инженера
И. Н. Виноградова «Аэродинамика птиц-парителей». Автор собрал
3
большой материал, во многих вопросах дал ему интересное освещение
и сделал заслуживающие большого внимания выводы. Несомненно, что
чтение этой книги принесет много интересного для всех работающих в
этой области.
За последние годы интерес к исследованиям машущего полета
чрезвычайно возрос и среди инженеров, и специалистов механиков, и
среди биологов. Показателем этого может служить факт образования
при Досаве секции машущего полета, которая объединяет и инженеров
и биологов. Автор этой книги является одним из организаторов и дея-
тельных работников секции. Можно пожелать, чтобы книга наряду
с другими работами привлекла внимание инженеров, биологов и
теоретиков к этой интересной и многообещающей для механики об-
ласти.
Профессор Вл. Голубев.
ВВЕДЕНИЕ
В истории авиации и воздухоплавания можно установить несколько
периодов, когда среди ученых и изобретателей наблюдался повышен-
ный интерес к идее машущего полета. Ввиду неудач и сопряженных с
ними разочарований интерес к проблеме полета птиц временами осла-
бевал, но затем появлялся вновь.
В начале XX столетия, в связи с бурным развитием моторной авиа-
ции, наступил перерыв в исследованиях машущего полета(. И только в
начале тридцатых годов, после первых успехов безмоторного летания,
снова пробуждается интерес к изучению полета птиц. В некоторых кон-
струкциях планеров были воспроизведены внешние очертания и профи-
ли птичьих крыльев.
В последнее время развитие реактивной техники снова отодвинуло
на второй план исследование полета птиц. Эта проблема остается нере-
шенной и в наши дни.
Итак, в течение 140 лет со времени постройки первой летающей
модели все попытки воспроизвести машущий полет птиц оказались
безрезультатными. Причинами такого положения являются: во-первых,
неясность самой схемы работы крыла птицы и, во-вторых, механиче-
ский перекос формул и методов аэродинамических исследований к ко-
лебательному движению крыла птицы. В этом, отчасти есть вина орни-
тологов, выводами которых пользовались изобретатели приборов с
машущими крыльями.
Орнитологи совершенно не обращали внимания на процессы, про-
ходящие внутри крыла, и на самую структуру его туннельных образо-
ваний. До сего времени существовало представление о непроницаемо-
сти крыльев, что автоматически перешло в нашу техническую литера-
туру. Между тем фотосъемка телеобъективом помогла обнаружить про-
ницание крыла потоком.
Вполне естественно, что аэродинамические испытания мертвых
птиц в трубе не соответствовали условиям работы живого организма,
вследствие чего были получены очень низкие числовые показатели по
сравнению с самолетом и планером. Автор считает, что настало время
заново пересмотреть весь накопленный материал наблюдений, попол-
нить его и дать оценку работе отделов крыла птицы с точки зрения
известных в самолетостроении аналогичных устройств и создать новую
методику эксперимента в целях установления физической картины ма-
шущего полета.
Вопросы аэродинамики птиц интересовали многих русских ученых.
Родоначальник моторной авиации русский офицер А. Ф. Можай-
ский после долгого изучения полета птиц осуществил постройку перво-
го в мире самолета с паровым двигателем.
Знаменитый аэродинамик профессор Н. Е. Жуковский в своем пер-
вом докладе «О воздухоплавании» в 1898 г. высказывал идеи, кото-
рые легли в основу динамики орнитоптера. Он говорил: «Совершенная
летательная машина отбрасывает вниз возможно большее количество
воздуха с возможно меньшей скоростью».
К славной плеяде русских изобретателей — пионеров машущего
полета — следует отнести кандидата С.-Петербургского университета
В. М. Михневича, который в 1871 г., за 19 лет до появления книги
«Полет птиц» французского ученого Марэя, представил в ученое отде-
ление Морского технического комитета подробную записку «О летании
птиц и устройстве воздухоплавательного снаряда». В его машущем
аппарате крылья шарнирно крепились к перекладине, а на них уста-
навливались специальные рычаги, концы которых были стянуты пру-
жиной.
Технический комитет, исходя из того, что вопрос о летании по воз-
духу на практике недостаточно исследован, решил «оставить предло-
жение г. Михневича без последствий».
Лейтенант В. Л. Спицын в 1880 г. на основе изучения полета птиц
предложил аппарат, у которого четыре машущих крыла поднимались
вверх ребром и опускались плашмя при частоте двух ударов в секунду.
Ряд других русских изобретателей занимался изучением машуще-
го полета птиц для применения его принципов в конструкциях орни-
топтеров.
Весьма поучительный эксперимент по изучению полета птиц произ-
водил в 1885— 1890 гг. доктор Арендт в г. Симферополе.
Он замораживал живых птиц при различных положениях крыльев
и хвоста, затем поднимал их на змее и, сбрасывая с высоты 50 м, на-
блюдал их планирующие и даже парящие полеты.
В 1908 г. летчик А. В. Шиуков производил заклеивание крыльев
живых птиц, лакировал их поверхности, причем в той или иной степе-
ни птица теряла способность к полетам.
В 1908—1910 гг. доктор Е. П. Смирнов создал оригинальную теорию
динамического парения птиц, основанную на свойствах крыла. По его
заключению летательный аппарат птицы представляет весьма совершен-
ный парашют, эластичность элементов которого и щелевидные образо-
вания имеют весьма большое влияние на качество полетов.
Знаменитый русский летчик, автор мертвой петли П. Н. Нестеров
в 1913 г. построил самолет на основе изучения полета птиц. Главней-
шую особенность его аппарата составляло отсутствие вертикального
оперения, функции которого выполнялись горизонтальным оперением
подобно птицам. Кроме того, в своем изобретении П. Н. Нестеров впер-
6
ьые осуществил перемену угла атаки крыла от 0° до 9° движением осо-
бого эксцентрика.
Работа инж. М. К. Тихонравова «Полет птиц и машины с машущи-
ми крыльями», изданная в 1937 г., основана на изучении полета птиц.
Она дает богатый статистический материал по орнитологии, обработан-
ный на основании аэродинамических представлений того времени. Во-
просам .построения научной теории машущего полета посвящены труды
(10 и 119 члена корреспондента Академии наук СССР профессора
В. В. Голубева, в которых он впервые изложил стройную вихревую
теорию возникновения тяги машущего крыла и указал на большое зна-
чение вязкости воздуха.
Из последних наших отечественных работ должен быть отмечен
труд доктора биологических наук Н. А. Гладкова — «Полеты в приро-
де». Он углубляет связь между орнитологией и аэродинамикой в целях
объяснения вопросов, связанных с парением птиц, кинематикой движе-
ния их крыльев и приспособлениями для затягивания срывов потока.
Большой интерес представляет работа доктора биологических наук
Г. С. Шестаковой «Полет птиц» и ее исследование в области струк-
туры поверхностного слоя птицы.
В настоящее время работу птичьего крыла мы можем рассматри-
вать с точки зрения современной аэродинамики, на основе, результатов
изучения пограничного слоя потока, обтекающего крыло.
В предлагаемой книге анализ работы элементов крыла был произ-
веден на основании данных многолетних наблюдений и изучения фото-
и киносъемок различных птиц в полете. Выводы автора об особенно-
стях работы проницаемого крыла подтвердились при испытании моде-
лей птиц в аэродинамической трубе в ноябре 1950 г.
Новые данные о структуре крыла птиц-парителей, полученные при
участии профессора Г. С. Шестаковой, были доложены автором в ин-
ституте эволюционной морфологии Академии наук СССР в 1948 г., а
также в Министерстве авиационной промышленности и 24 октября
1948 г. на конференции в Центральном аэроклубе Досава.
В книге приведены некоторые материалы для приближенного аэро-
динамического расчета и материалы по волновой структуре отходяще-
го за крылом птицы потока
В связи с новыми понятиями о свойствах птичьего крыла в книге
встречаются новые термины, как-то: «проницание крыла», «приспособи-
тельность обтекания», «ударная амплитуда», «удар крыла», «увязание
крыла в воздухе» и др. При пользовании графиками из иереводной ли-
тературы следует руководствоваться переходными формулами, поме-
щенными в тексте.
Всесоюзное добровольное общество содействия Авиации ведет боль-
шую работу среди широких масс населения. Среди других секций в
Досаве существует секция машущего полета, члены которой изучают
полеты в природе и работают над созданием летательных аппаратов с
движущимися или машущими крыльями.
1 В конце книги приведен список использованной автором литературы. Цифры
в скобках, встречающиеся в тексте (например, (1) или (10 и 11) и т. д.), обозна-
чают порядковый номер труда, приведенного в этом списке.
7
Новая проблема, столь увлекательная по своему содержанию, не-
сомненно, заинтересует молодежь, перед которой открываются новые
перспективы летать на планерах, превращенных в орнитоптеры.
В нашей стране благодаря заботам партии, правительства и лично,
товарища Сталина созданы все условия для развития науки и техники.
Разрешение проблемы машущего полета — это одна из задач авиа-
ционной техники, открывающая новые широкие горизонты.
Автор приносит глубокую благодарность профессору Г. С. Шеста-
ковой за консультации в вопросах анатомического строения птиц и
предоставленные материалы для изучения их крыльев и кандидату тех-
нических наук инженеру И. П. Толстых за ценные указания и советы
по существу содержания этого труда. Автор считает своим долгом от-
метить, что большую помощь в его работе оказал ему покойный акаде-
мик заслуженный деятель науки В. П. Ветчинкин.
ГЛАВА 1
КАК УСТРОЕН ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ПТИЦ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СТРУКТУРЕ КРЫЛА
Строение крыла птицы изучено в настоящее время очень подробно,
и мы воспользуемся основными терминами орнитологии, чтобы сохра-
нить единство понятий в определении частей крыла и выполняемых ими
функций.
Рассматривая внешний наряд крыла птицы (рис. 1 и 2), мы отме-
чаем:
1.	Большие маховые перья, называемые также первостепенными
(рис. 2; I—X).
2.	Малые маховые, или второстепенные (рис. 2; 1 —12).
3.	Плечевые перья L и подмышечные М.
4.	Кроющие, наложенные черепицеобразно на ряды основных перь-
ев (рис. 1,а и Ь).
5.	Крылышко К, или лучевой предкрылок.
Костная структура крыла (рис. 2) состоит:
1.	Из плечевой кости А.
2.	Предплечья В, состоящего из двух костей — лучевой С и локте-
вой D.
3.	Мануса FH, состоящего из костей запястья F, пястья Е и фа-
ланг пальцев Н, G, J.
Эти кости представляют связанную между собой суставами систе-
му костных рычагов; все предплечье работает, как шарнирный парал-
лелограмм.
Плечо соединено с корпусом через плечевой шарнир А и приводит-
ся в движение грудным мускулом при опускании плеча и подъемным
мускулом при его подъеме.
Движение в шарнире ограничено. Вращение около поперечной оси
известно в анатомии под названием пронации и супинации, проис-
ходит в очень узких пределах (от —5° до +50°) (у человека кости
предплечья могут поворачиваться около продольной оси почти до пол-
ного перекрещивания). При полностью раскрытом крыле кости пред-
плечья образуют с плечом угол от 90° до 140° в зависимости от вида
птиц и применяемого ими способа полета. В устройстве крыла обра-
щает на себя внимание треугольная кожная складка ДА (потаги-
ум)—она выравнивает передний край крыла до прямой линии и соз-
дает при парении глубокую вогнутость нижней поверхности крыла.
ПЕРЬЕВОЙ АППАРАТ
Рассмотренный нами костный скелет крыла птицы (рис. 2) покрыт
малыми и большими веерно-расходящимися перьями.
Группа больших маховых перьев в количестве от 10 до 12 прикреп-
лена к запястью Е и фалангам пальцев Я, Л эта группа с самостоя-
тельными, разнообразными движениями образует треугольную поверх-
ность мануса, занимающую от 30 до 40% всей площади крыла.
Первое короткое перо I очень напоминает лопасть пропеллера и от-
личается наибольшей жесткостью, угол установки основания пера 35°,
а конца около 15°. Это перо вытягивает крыло при подъеме.
Второе, более длинное II имеет несколько меньшую закрученность
и является как бы контрпропеллером, выравнивающим поток от перво-
го пера. Остальные перья (рис. 3) имеют широкое желобчатое или
S -образное основание и длинный узкий конец, саблевидно изогнутый
и легко деформируемый потоком. Углы установки этих перьев у кор-
шуна в свободном распущенном состоянии в сечении 4 (рис. 11) да-
ны в таблице 1.
Эти перья иногда называют пропеллирующими, так как они дают
тягу в машущем полете.
Задняя
Рассматривая детально большие маховые перья, мы заметим, что
переднее перо является гораздо более узким и жестким, чем задние,
на поверхности последних имеется широкая волнистая складчатость,
которая расходится при движении крыла. Подобная структура пера
Таблица 1
	№ пера					
	I	II	III	IV	V	VI
Угол в основании пера		35°	20°	15°	10°	10°	8°
и упругий очин наилучшим образом обеспечивают пружинный эффект
отдачи в начале фазы подъема крыла.
В зоне шарнира мануса и непосредственно над основанием боль-
ших перьев (рис. 2) находится лучевой предкрылок К, известный под
латинским названием «алюля».
Перышки этого образования прикреплены к первому пальцу ману-
са (рис. 4) и через особую систему мускульных связей имеют самостоя-
тельное движение.
11
Лучевой предкрылок выполняет особенно важную функцию по
управлению пограничным слоем крыла и способствует боковой устойчи-
вости птицы.
Имеют ли собственное движение большие маховые перья?
Орнитологи установили, что при определенном растяжении крыла
Рис. 4. Щелевая решетка мануса у коршуна
Рис. 5. Малые маховые перья коршуна
свежеубитой птицы большие маховые перья начинают отходить друг
от друга в косом Направлении, образуя между собой щели (рис. 4).
Под нагрузкой в распростертом крыле эти перья расходятся веерооб-
разно из одного общего центра мануса.
12
При дальнейшем растяжении крыла каждое перо разворачивается
около продольной оси своего стержня, пбд определенным углом к го-
ризонту.
Кроме того, в полете под действием аэродинамических сил концы
больших маховых перьев быстро колеблются в вертикальном направле-
нии. Такого рода колебательные движения перьев играют большую
роль в образовании тяги для поступательного движения.
Наблюдая птицу на светлом фоне неба, можно заметить, что кон-
цевая область мануса, вследствие указанного явления, иногда вырисо-
вывается несколько расплывчатой или размытой.
Поперечное щелеобразов ание и эластичность
перьев составляют весьма существенное отличие
природного крыла от самолетного.
МАЛЫЕ МАХОВЫЕ ПЕРЬЯ
Эта группа перьев пТиц в количестве до 20 у сухопутных и до 37 у
морских парителей прикреплена к костям предплечья параллельно
друг другу.- Длина всех маховых перьев одинакова, опахала их сим-
метричны относительно оси стержня (рис. 5).
Имея S-образное сечение опахал, малые маховые перья образуют
туннели (рис. 6), сообщающиеся через нижние кроющие перья с под-
крыльной областью.
При виде сзади перья имеют определенные углы поворота по отно-
шению к плоскости плечевой области, постепенно возрастающие к шар-
ниру плеча.
Рис. 6. Туннели перьев в средней области
В таблице 2 приведены углы поворота перьев при полном раскры-
тии крыла.
13
Та б
	№ пера				
	1-4	5—6	7-8	9—10	10-12
	40°—22°	20'’—15°	13°	10°—5°	5°
Наибольший поворот этих перьев, согласно фото, имеет место
в фазе подъема крыла, очевидно, для пропуска воздуха. При
обратном движении перья накладываются, образуя туннели (рис. 7).
Рис 7. Наполнение туннелей левого крыла чайки воздухом при взмахе
Туннели плечевой области имеют переменный объем и выполняют весь-
ма важное назначение (см. главу IV).
ОБЛАСТЬ ПАРАШЮТНЫХ ОТВЕРСТИЙ КРЫЛА
Обособленную группу перьев составляют подмышечные у основа-
ния крыла М (рис. 2).
При парящем полете они выполняют роль зализа крыла самолета,
при взмахе же они частично перепускают воздух из подкрыльной обла-
сти в ряды верхних кроющих перьев для сдувания пограничного слоя.
В момент крутого парашютирования через них прорывается поток для
устойчивого спуска, как у парашютов через отверстие в зенитной точке.
Плечевые группы перьев с наружной стороны покрыты тройным
рядом покровных перышек, а с внутренней — одним или двумя рядами
легко отходящих и менее плотных перьев.
1!
ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, ПОДОБНЫЕ МЕХАНИЗАЦИИ
КРЫЛЬЕВ САМОЛЕТОВ
Путем тщательного изучения устройства крыла птицы были обна-
ружены в нем хорошо известные в самолетостроении элементы механи-
зации (рис. 8).
На схеме а показана область решетчатых крыльев системы^
С. А. Чаплыгина, соответствующая вееру мануса у птицы.
На схеме б мы видим аналогичный алюле предкрылок самолета и
известное многощелевое устройство.
Морская, птица фрегат в дает пример своеобразного применения
закрылка фаулера в природе — мощную посадочную механизацию, уве-
Рис. 8. Устройства крыла птицы, напоминающие механизацию самолета
личивающую подъемную силу крыла самолета. Крыло сокола в соче-
тании с хвостовым оперением дает пример посадочного щитка на само-
лете. (В правом углу (рис. 8) на схеме д показаны средства механиза-
ции крыла самолета).
Проницаемость крыла птицы, кроме видимых щелей, обнаружива-
ется также в подслойном прорыве потока в рядах кроющих
перьев. Отсюда следует один вывод, что крылья птиц не
обладают герметичностью, кроме внешнего обтекания по
контуру профиля, они проницаются потоком, воздейству-
ющим на пограничный с л о й, а в итоге на лобовую и
Подъемную силы крыл.а.
Это — главное отличие природного крыла от самолетного, влияю-
щее на пограничный слой.
КОНТУРНЫЕ И ПРОФИЛЬНЫЕ ОЧЕРТАНИЯ КРЫЛА ПТИЦЫ
Крыло птицы является в высшей степени подвижным. Птица легко
изменяет в полете очертания контура профиля, а также размах, глу-
бину и хорду.
При киносъемке птиц в полете установлено, что их крылья в раз-
личные фазы взмаха отличаются большим разнообразием контурных
очертаний (рис. 9).
При взмахе элементы крыла движутся с различными окружными
скоростями, причем его внешний отдел, или манус, обгоняет в своем
движении область предплечья, благодаря чему крыло принимает форму
опрокинутой вниз чаши или форму ладьи с веерообразными и загнуты-
ми вверх концами.
У некоторых птиц, например, у голубя и болотного луня, в верх-
ней мертвой точке мы видим предельное сближение крыльев; для уток
характерной особенностью положения крыльев в нижней точке являют-
ся отвесно опущенные концы мануса.
Площадь проекции крыла при взмахах то увеличивается до полных
габаритов распластанного крыла, то уменьшается, при этом манус дви-
жется с различными ускорениями.
Одновременно изменяется стреловидность в плане и претерпевает
упругие изменения опорная поверхность опахал крыла, деформирую-
щихся по винтовой или, вернее, гиперболоидной поверхности (рис. 10),
с ясно выраженным переходом в зоне мануса.
Не менее замечательны изменения профиля крыла в полете.
При измерении полностью раскрытого крыла коршуна установле-
но, что очертания его профиля изменяются от глубоковогнутого при
основании до двояковыпуклого (рис. 11). Контур профиля в плечевой
области у орла и коршуна приближается к профилю Г461, в средней
зоне у лучевого предкрылка — к ЦАГИ 692 и на конце — к двояковы-
пуклому профилю. Следует отметить, что в зоне мануса носовая часть
профиля клинообразная благодаря двум первым пропеллерным силь-
но изогнутым перьям.
Самый профиль крыла птиц под нагрузкой принимает S-образный
вид (рис. 12). Контуры крыльев парящей птицы показаны на рис. 13.
Ввиду эластичности перьев многие исследователи утверждают, что
при парении передняя или носовая кромка крыла ниже заднего ребра
(рис. 13), так что положительного угла атаки по отношению к горизон-
ту у парящей птицы может и не быть1.
1 Имея в виду, что в плечевой области у птиц профиль крыла сильно вогнутый
и имеет подъемную силу при отрицательных углах атаки до — 5°, это явление впол-
не возможно.
Кроме того, птица обычно парит в восходящем потоке, так что положительного
угла атаки по отношению к горизонту у птиц может и не быть.
16
Рис. 9. Очертание крыльев голубя в фазах взмаха
Рис. 10 Винтовая упругая деформация крыла по размаху: на снимке сверху —
вид в полете; внизу — развернутая схема
> Виноградов
17
Рис. 11. Чертеж крыла коршуна с сечениями
Рис. 12. Упругие изменения профиля
Рис. 13. Контур крыльев у парящей
птицы: а — силуэт коршуна;, б — силуэт
кондора
Рис. 15. Положения Ц. Т. и Ц. Ж. в крыле бе-
Рис 14. Положение трех центров лой куропатки (по опытам ЦАГИ); упругие пз-
в крыле птицы	менения крыла при разных, нагрузках.
18
СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ КРЫЛЬЕВ НАГРУЗКАМ
Расположение плечевых костей птицы является наиболее благо-
приятным для работы крыла на прочность. Здесь наблюдается тот слу-
чай, известный из практики самолетостроения, когда центр тяжести
(Ц.Т.) совпадает с его центром жесткости (Ц.Ж-), т. е. с той точкой,
около которой крыло поворачивается под действием крутящего момен-
та. Аэродинамическая сила приложена в центре давления (Ц.Д.)
(рис. 14).
Если же все три центра совмещаются в одной точке (Ц.Ж.), то
кручения не будет и крыло только изгибается. Эти условия являются
необходимыми для устранения вибрации крыла, и птицы в совершен-
стве этим пользуются, избегая возникновения больших силовых напря-
жений в структуре крыла. На рис. 15 показано положение линий всех
трех центров в крыле белой куропатки при испытании его на прочность
(16) под нагрузкой, вес которой изменялся от единичного, равного по-
ловине веса птицы (п=1), до 13-кратного, при котором крыло слома-
лось. Пунктиром обозначено смещение профиля при нагрузке однократ-
ным весом. Расчетом на прочность было установлено, что материал
костей крыла по своей крепости приближается к мягкой стали.
УГЛЫ УСТАНОВКИ И УГЛЫ АТАКИ КРЫЛЬЕВ
У БОЛЬШИХ ПТИЦ
Угол установки крыла или угол между хордой корневого сечения
и осью корпуса птицы-парителя находится в пределах от с? = 12°
до 26° при сложенном состоянии крыльев и может меняться в полете
до -J-3501.
Непосредственным измерением крыльев коршуна установлено, что
они имеют геометрическую крутку.
Если принять в крыле коршуна (рис. И) за базу сечения 3, то по-
лучим углы закрутки 3 ненагруженного крыла и углы установки
р-г? (таблица 3).
Таблица 3
	Сечения					
	1	2	3	4 1 1	5	6
3°		3°	Г 40'	оэ	1°30'	2°	3°36'
3+?		15°	13°40'	12°	13°30' 1	14°	14°36'
1 Это изменение угла установки происходит периодически под действием муску-
лов.
19
Углы установок перьев мануса и малых маховых перьев коршуна
в среднем сечении, считая от конца крыла, даны в таблице 4.
Таблица 4
	№ пера								
	17	1 16	15	14	13	12	11	10	9
?ш		30°	25°	20°	15°	10°	8°	С о	10°	15’
+ Ф		50°	45°	40°	35°	30°	28°	25“	30й	35°
Повидимому, в машущем полете перья мануса работают в закри-
тической области углов атаки при отсутствии срыва потока вследствие
Рис. 16. Упругие изменения чаши мануса в полете: / — плечевая область; II — манус
Рис. 17. Чашевидность и закрученность крыла коршуна в свободном состоянии
упругих колебаний. Крылья крупных птиц можно рассматривать со-
стоящими из двух чашевидных углублений (рис. 16), где I— плечевая,
или пазушная область с глубокой вогнутостью; II — область мануса,
повернутая на угол А® . При опускании крыло вследствие упругости
перьев распрямляется и концевые части перьев мануса дают обратный
саблевидный изгиб (рис. 16).
На рис. 17 можно проследить чашевидность крыла коршуна по на-
тянутой нити.
20
По сравнению с крылом самолета парашютообразная структура
крыла птицы является одним из отличительных его свойств.
Рис. 18. Винтовой изгиб по размаху крыла чайки
Рис. 19. Очертание раскрытых крыльев коршуна
При посадке с парашютированием (рис. 31) были определены:
установочный угол 26°, средние углы атаки для плечевой области кры-
ла 58—60° и для мануса 62—70°.
21
РАЗМАХ И УДЛИНЕНИЕ КРЫЛЬЕВ ПТИЦ
В результате изучения крыльев сухопутных и морских парителей
было установлено различие в удлинении, очертаниях и углах закрутки.
Альбатросы, осуществляющие динамическое парение над волнами,
имеют размах до L = 3,4 м и удлинение Z = 16. Серебристая чай-
ка имеет удлинение 9,8; крылья закручены по размаху и походят на
пропеллер (рис. 18).
Крыло коршуна и орла одинаково хорошо приспособлено для па-
рения как в слабых термических потоках, так и в сильных восходящих
течениях около кучевых облаков и в потоках обтекания. Удлинение их
крыльев порядка X = 5—6, очертания близки к трапецевидным с
закругленными концами (рис. 19). Из наблюдений установлено, что
короткие и широкие крылья хорошо приспособлены к подъему, длинные
и узкие — к быстрому полету.
ГЛАВА II
ВИДЫ И ПРИЕМЫ ПОЛЕТОВ ПТИЦ
Исследование полета птиц имеет своею целью практическое исполь-
зование вновь открытых эффектов крыла для летательных аппаратов.
Для конструкторов орнитоптера весьма важно отделить существен-
ное и главное в механизме птицы, знание кинематики движения крыла
и параметров, необходимых для проектирования аппаратов с машущи-
ми крыльями.
С этой стороны знакомство с формой крыла и его структурой, на-
чиная с представителей летающих животных юрской эпохи земли, мо-
жет представить известный интерес для строителей орнитоптера.
ПТИЦЫ ПЕРВИЧНОЙ ЭПОХИ ЗЕМЛИ
При раскопках в сланцевых отложениях были найдены: первые
птицы — археорникс, археоптерикс и летающие животные: птеронадон,
птеродактиль и др.
М. К. Тихонравов (2) утверждает, что по' одному из отпечатков он
определил площадь крыльев птеродактиля, равную 3 м2, и нашел удли-
нение их, равное л — 16,6, а другого —л = 20, размах же крыльев
находится в пределах от 6 м до 8,2 мх.
Птеронадон — разновидность летающего животного, он своими
складчатыми крыльями (рис. 20) напоминает летучую мышь. Летатель-
ная перепонка его располагалась между чрезвычайно развитыми «ми-
зинцами», брюшной стороной туловища и иногда маленькими ногами.
Предполагают, что его вес достигал 20 кг, т. е. по весу и размаху
крыльев он вдвое превосходил наибольшую из существующих птиц.
Археоптерикс имел перьевое оперение современных птиц (рис. 21)
и своеобразный хвост. В меловую эпоху существовало до 24 разновид-
ностей птиц, мало отличавшихся от современных. О летных качествах
‘Полет птиц и машины с машущими крыльями» Оборонгиз, 1949 г.
23
птеронадона и других крылатых гигантов первичной эпохи земли1 су-
ществуют различные мнения. Одни из ученых предполагают, что птеро-
надон представлял собой своеобразный «мускуллет», способный к огра-
ниченным планирующим спускам; другие допускают, что они были со-
вершенные летуны.
Исходя из удельной нагрузки на крыло птеродактиля (6—10 кгДч2).
Рис. 20. Птеронадон
можно предполагать, что вертикальная скорость снижения при плани-
ровании могла быть не больше, чем у современных парителей; в таком
случае летающие животные были приспособлены к парению в термиче-
ских потоках и в потоках воздуха, обтекающего склоны гор.
Конвекция воздуха и восходящие потоки в ту эпоху были более
мощные, чем в наше время, благодаря поверхностному нагреву земли
и более сильной солнечной радиации; вполне возможно, что птеродак-
тиль хорошо ими пользовался и отлично парил. Обладая длинными
крыльями, подобно современному альбатросу, он мог подниматься с
прибрежных скал и с гребней морских волн.
На основании изучения даже этого скудного материала о летаю-
щих животных мы приходим к выводу, что птерозавров следовало бы
изучать подробнее. Для этого необходим, конечно, фундаментальный
материал и привлечение специалистов палеонтологов.
1 Проф. И. Вальтер. «Земля до появления человека». СПБ, 1912 г.
24
ВИДЫ ПОЛЕТОВ птиц
Орнитологи считают, что число видов пгиц, существующих на зем-
ле, может доходить до 9 000— 10 000.
Разные птицы применяют различные приемы полета, ввиду боль-
шого разнообразия орнитология их не классифицирует. Наиболее часто
Рис. 21. Археоптерикс
встречающиеся приемы полета: 1) машущий; 2) пропеллерный; 3) пла-
нирующий; 4) парящий; 5) парашютирующий. Разновидностями машу-
щего полета являются: а) трепещущий, б) вибрационный, в) ныряю-
щий, г) ракетообразный, д) резонансный.
Машущий полет наиболее распространен в природе. При ма-
шущем полете широко раскрытые крылья движутся, опускаясь сверху—
сзади, вниз—вперед, а затем в обратном направлении, но уже с боль-
шей скоростью1. При этом полете мускульное усилие трансформируется
в тягу и подъемную силу крыла. Во время опускания крыла вниз опа-
хала перьев прижимаются друг к другу и создают поверхность различ-
1 Следует отметить, что неравномерность взмахов и опускание крыла наблюдает-
ся не у всех птиц; у крупных тиц отношение времени взмахов вверх и вниз равно
2:3.
25
ной плотности и проницаемости, крыло поворачивается на отрицатель-
ные углы. При обратном движении угол атаки возрастает; при полном
взмахе раскрываются решетки плечевой области; туннельные перья не-
сколько расходятся в средней области, так что крыло становится силь-
Рис. 22. Чайка в парящем полете
но проницаемым для воздуха, вследствие чего уменьшается вредное
сопротивление при подъеме.
В зависимости от скорости взмаха крыльев птица может летать
быстрее или медленнее; имеет значение и то, как высоко поднимает
крылья птица и как низко их опускает.
Во время скоростного полета птица уменьшает несущую поверх-
ность крыльев, при медленном, наоборот, увеличивает. Особо важное
значение имеют в машущем полете и при парении пальцеобразно рас-
ставленные пропеллерные перья.
Пропеллерный вид полета встречается при горизонтальном
установившемся движении, когда функции крыла разделены; средняя
область является несущей, а колеблющийся манус пропеллирующим,
создающим тягу для поступательной скорости.
Планирующий и парящий виды полетов достаточно хоро-
шо изучены.
Конфигурация крыльев птиц-парителей нередко служит образцом
для конструкторов планера. На рис. 22 заснято парение чайки. Здесь
26
псГгок проходит через туннели. На рис. 23 концы крыльев чайки опуще-
ны вниз, слегка загнуты на конце и своим очертанием напоминают
опрокинутую букву дубль-вэ (U7). При парении чайка делает крен бла-
годаря выдвиганию крылышка; ее хвост раскрыт на полный веер,
Рис. 23. Образование W при парении чайки
вследствие чего создается эффект, подобный эффекту крыла с выдвиж-
ным закрылком.
Аист при посадке (рис. 24,Л и 24,Б) имеет сильно загнутые вверх
концы крыльев. Такое же очертание крыльев имеют при парении
и другие птицы с большой удельной нагрузкой: орлы, коршуны, пели-
каны и т. д.
Парашютирующий полет, т. е. крутой спуск под углом
40 — 60 ° Ъри неподвижных крыльях, практикуют чайки, луни,
вороны, голуби и другие крупные птицы; среди небольших птиц, также
пользующихся этим приемом для точной посадки, можно отметить жа-
воронка.
Трепещущий полет при сильно поднятом корпусе и частых
взмахах мануса применяется некоторыми птицами для «стояния на ме-
сте», например, им пользуется кобчик, северная крачка, пустельга и
некоторые виды воробьиных птиц (серая мухоловка, трясогузка и др.).
Вибрационный полет представляет собой разновидность
машущего полета, во время которого взмахи крыльев происходят чрез-
вычайно быстро.
Этот вид полета позволяет птице также держаться на месте в спо-
койном воздухе; этим пользуются колибри.
Самые маленькие колибри, весящие 1,8 г, делают около 60 взма-
хов в секунду. В момент «стояния» около цветка работа крыльев
27
Рис. 24,Л. Удар крылом вниз при стоянии ча месте. Концы кроющих
и малых перьев повернуты к корпусу; алюля поднят; перья мануса
сильно изогнуты
Рис. 24,Б. Посадка аиста в гнездо, видны приподнятые перышки
благодаря проницанию потоком и концевая решетка мануса
28
колибри была заснята на киноленту, причем оказалось, что конец крыла
описывает вытянутую восьмерку и совершает вращательное движение,
резко меняя угол атаки и профиль (рис. 25). Подобно многим насеко-
мым колибри могут летать также назад.
Маленькие птицы, например, скворцы, трясогузки, дятлы, пользу-
ются волнообразным или ныряющим видом полета, во время которого
Рис. 26. Взлет фазана
при периодическом складывании крыльев они летят подобно стреле, те-
ряя при этом высоту с последующим подъемом.
Подобный же вид полета встречается и у воробья. При крутых
взлетах он делает крыльями до 13 ударов в секунду, поднимаясь под
углом более 60°.
Наиболее крутые взлеты совершают алтайские горные индейки, или
улары. Этот вид полета называется ракетообразным; так как он со-
провождается большим шумом, то его называют также хлопающим.
Подобным же способом летает фазан. Его полет весьма маневренный,
29
он может даже останавливаться в воздухе и совершать разворот до
180° (рис. 26).
Рис. 27. Положение кистей
крыла: а — у хлопающих
птиц; б — у парителей
Не обладая сильными грудными мускула-
ми для такого вида полета, хлопающая птица
быстро утомляется и переходит на планирова-
ние. Особенности полета этих птиц связаны
со структурой их крыльев.
Наиболее характерной особенностью внеш-
ней архитектуры крыла хлопающих птиц яв-
ляется сильная чашевидность в плечевой зоне
и перевернутое W при виде спереди. Благода-
ря этому птица взлетает без разбега букваль-
но «с места», что мы и наблюдаем у куропа-
ток, тетеревов и фазанов.
Анатомия крыла у этих птиц показывает^,
что локтевой сустав (рис. 27,а) соединен с бо-
лее коротким, плечом, нежели у парителей
(рис. 27,6) и, кроме того, угол между костя-
ми, плечевой и локтевой, у первых ближе к
Э0°, а у вторых тупой, что, повидимому, влия-
ет на частоту взмаха крыла и на необходимые
мускульные усилия.
В таблице 5 приведены углы сопряжения костей крыла различных
видов птиц (рис. 28) в свободном состоянии и отношение длин локте-
вой /л и плечевой 1ГТЛ костей.
Резонансный полет наблюдается при групповых полетах
птиц, когда они располагаются в строю «клином» или по треугольнику.
Таблица 5
п	т и ц а	i	7	/л /пл
Аист			120	150	0,42
Степной орел . .		120	130	1,14
Коршун				70	140	1,4
Сорока 				80	145	1,38
Кобчик 				80	160	1,68
Сарыч ......			50	ПО	1,34
30
При одновременных взмахах птицы заставляют колебаться отходящие
потоки так, что сзади летящие, обычно более слабые, получают дополни-
тельную поддерживающую силу. Эта своеобразная кооперация в приро-
Рис. 28. Схема расположения костей крыла
де чрезвычайно' экономит энергию птиц, особенно при дальних перелетах.
Данные птиц в зависимости от наиболее часто применяемого ими
вида полета приведены в таблице 6.
Таблица 6
I Вид полета	Название птиц	Скорость полета (км/час)		Площадь крыла (ж2)	Размах крыла («)	Удлинение	Нагрузка на м2 поверхности	Число колебаний!	(—)	Вес птицы (кг)	Вес мускулов в 9о % от общего веса
Ракетообраз-	Тетерев 		35	0,165	0,9	4,9	14,4		3,5	2,38	—
ный	Фазан		50	0,181	0,75	3,1	7,47		—	1,35	34,5
	Куропатка . . .	40	0,0548	0,62	7,34	7,85		3	0,43	—
Машущий и	Степной орел	80	0,5	1,650	5,5	10,6		1,0	5,3	18,3
парящий	Коршун ....	60	0,215	1,26	7,6	4,7		1,5	1,0	18,6
	Альбатрос . . .	72	0,720	3,4	16	13,2		—	9,5	—
	Серая чайка** .	38	0,334	1,48	7,65	2,66		—	0,89	—
Трепещущий	Жаворонок . . .		[ 0,020	0,32	5,06	1,83	—		0,037	—
Вибрационный	Ласточка** . . .	112	' 0,013	0,336	8,96	1,59		—	0,02	—
	Стриж** ....	114	j 0,012	0,38	11,8	3,77		—	0,046	—
** По данным М. К- Тихонравова.
31
ПРИЕМЫ ПИЛОТАЖА У ПТИЦ
Комбинируя различные виды полета и изменяя очертание профиля,
размах и площадь крыла при разных частотах и амплитудах колебаний,
птица достигает большого разнообразия в пилотаже.
В природе можно видеть почти все виды пилотажного искусства,
освоенного человеком на самолете, включая штопор и мертвые петли.
Вместе с тем следует считать исключительной принадлежностью птиц
такие маневры, как стояние на месте, крутое парашютирование с лю-
бой высоты и торможение крыльями под прямым углом к направлению
движения.
Приведем описание наблюдений за полетами птиц. На рис. 29
заснят прием посадки в гнезде болотного луня.
Спуск происходит с вертикально поднятыми крыльями, невидимо-
му, птица использует здесь парашютный эффект благодаря сопротивле-
нию открытых плечевых решеток и опущенному хвосту.
На рис. 30 показан спуск чайки в гнездо парашютированием, а
на схеме рис. 31—углы поворота крыла по отношению к оси корпуса,
достигающие в корневом сечении 20° и в концевом 38°.
Интересен маневр, применяемый пустельгой при ее охоте за поле-
вой мышью (рис. 32). Перед броском вниз птица стоит на месте,
используя трепещущий вид полета, и затем, нацелившись, падает со
сложенными вверх крыльями в намеченную точку, не изменяя положе-
ния корпуса. Захват добычи сопровождается одновременным распуска-
нием крыльев и переходом на подъем.
Подобный прием вертикального спуска условимся называть «пики-
рованием плашмя», так как здесь при сложенных вверх крыльях туло-
вище имеет малый наклон к горизонту и хвост поднят почти вертикаль-
но.
Этот маневр птицы, несомненно, представляет интерес для конструк-
торов самолета.
На рис. 33 мы видим посадку олуши (баклана) на отвесную скалу
у своего гнезда, при этом корпус ставится в вертикальное положение и
птица делает несколько ударов крыльев, направленных против движе-
ния, чем смягчает посадку; этот же прием выполняет и голубь (рис. 67).
ЛЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТИЦ
Собственная скорость птицы относительно воздуха определена для
многих видов птиц с большой степенью точности.
Наибольшая скорость отмечена у стрижа — до 144 км/час.
Почтовый голубь в тихую погоду при продолжительном полете де-
лает 60 км/час.
В условиях преследования добычи скорость хищной птицы значи-
тельно возрастает. Так, сокол-сапсан при пикировании на добычу раз-
вивает скорость до 360 км/час вместо 95 км/час в горизонтальном по-
лете.
32
Рис. 29. Лунь парашютирует в гнездо
Н. Виноградов
33
Рис. 30. Чайка садится в гнездо под углом атаки 30—50°
Рис. 31. Схема углов парашютирования чайки
34
Рис. 32. Пустельга охотится за полевой мышью
Рис. 33. Олуша тормозит крылом при посадке на скалу
35
Дальность перелета без спуска установлена для окольцованных
чибисов. При попутном ветре из Англии в Ньюфаундленд через Ат-
лантику они покрывают весь путь протяжением 3 500 км за 24 часа.
Наблюдениями с самолета установлена следующая наибольшая
высота полета: для ворон и галок — 2 000 м, для жаворонка — 1 900 м,
для аиста и сарыча — 900 м, для лебедей — 300—500 м, для журав-
лей — 800—1 200 м.
Используя восходящие потоки, гималайские грифы, поднимаясь с
Эвереста в Гималаях, достигают высоты более 8 000 м над уровнем
мор*я. На Кавказе наблюдаются полеты горных орлов выше Эльбруса
и Казбека. В связи с этим интересно сравнить достижения птиц и ре-
кордные достижения планеристов.
На таблице 7 приведены горизонтальные и вертикальные скоро-
сти, полученные при наблюдениях за парением птиц (42).
Таблица
Птица	Скорость при парении (м/сек)	Наименьшая скорость сниже- ния (м/сек)	Угол планирования
Альбатрос 		14	0,42	1 :33
Красный коршун		Ю,5	0,67	1:16
Стервятник 		9,2	0,55	1 :17
Ястреб		8.1	0,5	1 :16
Таблица
Название планера	Горизонтальная скорость (м/сек)	Скорость снижения (м/сек)	Угол планирования
КАИ-3	•	.	15,2	0,55	1 :27,7
Ш-5		13,3	0,77	1 :17,3
ДК-3	•	...	18	0,55	1 :32.8
КИМ-2		15,6	0,64	1:24.2
Другими словами, с высоты 10 м альбатрос может планировать на
расстояние до 200 м, коршун — 90—170 ж, ястреб — 90—160 м.
По данным таблицы 8 следует, что планеры обладают несколько
большими горизонтальными скоростями, чем птицы, и почти одинако-
вой с ними скоростью снижения.
Из небольшого перечня примеров пилотажа птиц видно, что воз-
можности птичьего крыла весьма значительны и приходится признать,
что птицы более «приспособлены» к воздуху, чем самолеты, об-
ладают большей устойчивостью и управляемостью на всех режимах. В
дальнейших главах мы постараемся выявить, в чем именно выражает-
ся «приспособленность» летательного аппарата птиц в условиях воз-
душной среды.
36
ГЛАВА 111
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЕТА ПТИЦ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИВЫХ ПТИЦ
Произведенные киносъемки полета голубей в конце прошлого сто-
летия показали большую ценность этого способа изучения полета птиц.
Они позволили разделить полет на отдельные фазы, проследить изме-
нение положения крыльев и траекторию их движения (рис. 34). Хотя
наибольшая скорость съемки не превышала Vso в секунду, результаты
ее помогли создать методику проведения лабораторных опытов с жи-
выми птицами. Прибор Марэя (рис. 35) представлял собой коловрат-
ную машину переносного типа, которая устанавливалась на открытом
воздухе. На длинном плече рычага, перпендикулярно к нему, на легком
эллиптическом кронштейне (рис. 36) подвешивалась испытуемая птица,
корпус которой охватывал особый бандаж. Плечевая область крыла
шелковыми шнурами соединялась с рычагами пневматического манипу-
лятора для записи вертикальных движений и для записи движений кры-
ла по горизонтали к мембранному цилиндру (40).
Воздух, нагнетаемый через ручную резиновую грушу, подводился
в мембранные коробки по резиновым трубкам.
Движения крыльев птиц записывались на вращающемся барабане
с миллиметровой бумагой.
На рис. 37 представлены кривые движений крыла голубя. АР —
запись движения при отводе кисти крыла, НВ — запись траектории
37
1
Рис. 36. Схема подвески голубя и соединение крыльев с приборами
Рис. 37. Кривые движения крыла: НВ — траектория взмаха и удара кисти крыла
АР — амплитуда отвода кисти крыла спереди назад; 5* — амплитуда углов враще
। ния крыла около поперечной оси крыла (направление полета справа налево)
38
крыла и кривая S — изменение угла атаки при вращении. Из диаграм-
мы следует, что 1) продолжительность движения плеча в вертикальном
направлении при подъеме много меньше, чем при опускании; 2) когда
крыло поднимается, углы атаки возрастают, а при опускании наоборот;
3) нуль кривой S соответствует моменту, когда крыло горизонтально.
Рис 38. Эллиптическая кривая вершины плеча (направление движения
слева направо)
Весьма важным построением, на основе этих двух кривых, явилась
траектория локтевой конечности плеча или вершины его во время пол-
ного колебания.
На рис. 38 показана эта траектория, согласно которой плечо голу-
бя при махании на месте идет вниз и вперед, потом возвращается на-
зад, описывая кривую, близкую к эллипсу.
В этих опытах впервые была установлена неравномерность взмаха
и удара крыла. Возвратное движение при взмахе крыла есть акт более
быстрый и зависит от изгиба локтя. Неравенство времени подъема и
опускания всегда наблюдалось у птиц с большой поверхностью крыла
и с малой частотой колебаний. Продолжительность подъема и опуска-
ния крыла в шестидесятых долях секунды указана в таблице 9.
Таблица 9
Птица	Время одного колебания	Подъем (взмах)	Опускание (удар крыла)
Утка		6,66	3	3,66
Голубь	„	.	7,5	3	4,5
Сарыч		21,5	8,5 1	13
Эти результаты были получены методом электрического хроногра-
фирования на особой установке.
39
ОПЫТЫ ПО ЗАКЛЕИВАНИЮ КРЫЛЬЕВ ПТИЦ
В России еще в 1908 г. целая серия опытов над воронами была
проделана в Тифлисе одним из пионеров авиации летчиком А. В. Шиу-
ковым. Он установил, что при заклеивании мануса птица полностью
теряет способность к полету, заклеивание же средней части крыла вы-
нуждает ее к хлопающему виду полета с более частыми взмахами, при
этом птица скоро утомляется. А. В. Шиуковым тогда же было замече-
но, что покрытие лаком перьев птицы лишало ее способности к полету,,
чем подтверждается наша мысль о роли пограничного слоя у птиц.
В те же годы подобные эксперименты были произведены над голу-
бями доктором Е. П. Смирновым, который так описывает свои наблю-
дения (6):
«Взяв тонкий, тюлевый, шелковый дамский вуаль, я оклеил его с
обеих сторон тончайшей папиросной бумагой. В итоге получилась свое-
образная чрезвычайно легкая ткань, в то же время хорошо сопротивля-
ющаяся разрыву при давлении. Затем приобрел на Щукином у знако-
мого голубятника хорошего, способного к парению турмана. Захлоро-
формировав его, я разложил его на столе грудью вверх и, растянув его
крылья, оклеил их с нижней стороны так, чтобы крылья могли беспре-
пятственно растягиваться и складываться наподобие японского склад-
ного веера. При этом, вполне понятно, просветы щелей, образующиеся
при растяжении крыла, между большими маховыми перьями уже не
зияли, а были затянуты легкой тканью.
Когда эта хлопотливая и требующая некоторой сноровки операция
была закончена, я привел голубя в чувство и после того, как он доста-
точно отдохнул и оправился в тесной клетке, пустил его на дворе на
волю, чтобы посмотреть, как он будет себя вести.
Почувствовав себя на свободе, мой турман сделал несколько силь-
ных взмахов своими крыльями и поднялся на воздух. Но полет его
(как я и ожидал заранее) скорее напоминал характерное порхание или
даже, если так можно выразиться, мерцание бабочки-капустницы в-
воздухе, или в лучшем случае — летучей мыши.
Он все время мелькал в воздушной среде, тяжело и непрерывно
хлопая своими крыльями. Такой полет стоил ему значительных усилий,,
он, повидимому, скоро утомился и сел для отдыха на край крыши се-
новала. Через некоторое время, достаточно отдохнув, он распустил
крылья и смело ринулся вниз головой, очевидно, намереваясь исполь-
зовать парящий полет. Однако это ему совершенно не удалось и, пере-
вернувшись в воздухе через голову, он удержался в воздухе лишь по-
средством учащенных ударов крыльями. Видимо, ошеломленный такой
непредвиденной неудачей, он быстро вернулся на прежнее место. Не-
сколько раз он возобновлял эти попытки парения, но всякий раз не-
удачно. Наконец, отлетев от крыши слишком далеко, но не успев во-
время вернуться к ней для отдыха и не рассчитав своих сил, при одном
неловком движении грузно упал с высоты на землю и сломал одно из
своих крыльев, так что я из сострадания должен был его тут же при-
кончить».
40
Из этого опыта доктор Е. П. Смирнов делает следующие выводы:
«Если парение птиц происходит именно так, как учит теория Ли-
лиенталя, и птица при своем парении ставит крылья под определенным
углом к горизонту, то с этой точки зрения затягивание щелей между
большими маховыми перьями тонкой и легкой тканью для птицы было
бы не только совершенно безразлично, но представляло бы даже неко-
торые выгоды.
Однако опыт с достаточной убедительностью показал мне, что пти.-
иа при таких условиях совершенно утрачивает способность к парению и
что эти щели должны играть немаловажную роль в общем механизме
парения»1.«
Выводы этого замечательного русского орнитолога подтвердились
спустя 27 лет в аналогичных опытах В. Ф. Савельева и при наблюде-
ниях автора, описанных в главах III и IV.
Этими опытами установлено следующее:
1.	Устранение щелей и разрезного устройства больших маховых
перьев лишало крыло его эффективности, так что птица вынуждена
была применить иной режим колебаний с затратой чрезмерных и уто-
мительных усилий.
Выключение концевой тяги мануса заставляло возмещать ее более
частым колебанием всей поверхности крыла.
2,	Заклеивание с нижней стороны изменяло характер обтекания
крыльев птицы, в результате подъемная сила оказывалась недостаточ-
ной для горизонтального полета.
3.	При заклеивании крыльев птицы ее летательный аппарат похо-
дил на простое крыло планера и самолета, которое для машущего по-
лета явно невыгодно.
Очевидно эти факты следует учесть конструкторам орнитоптеров,
сообщая крыльям необходимую проницаемость.
ОДЫМЛЕНИЕ КРЫЛЬЕВ
В целях изучения протекания воздуха через крыло птицы в 1947 г.
был поставлен следующий простой опыт. Под крыло коршуна в зону
плечевой области и туннелей мануса была направлена струя воздуха
из шланга воздуходувного агрегата пылесоса с широким прямоуголь-
ным насадком. Вентилятор засасывал воздух и дым от горящей пакли,
облитой керосином. При этом было обнаружено:
1)	отклонение потока за крылом до 30° к горизонту;
2)	просачивание воздуха через верхние кроющие ряды перьев;
3)	сильный ток струек из туннелей мануса;
4)	вибрирующее состояние его перьев.
Для большей наглядности при повторных опытах на верхнюю по-
верхность крыла насыпался серпантин, который позволял проследить
по движению его прохождение потока в зоне кроющих и второстепен-
ных перьев.
1 Эти выводы подтверждены в опытах с живыми птицами в 1949 г. проф.
Г. С. Шестаковой на биологической станции Академии наук СССР
При этом случайно было обнаружено, что крыло, свободно опи-
раясь на две точки, примерно в шарнире и под лучевым предкрыл-
ком, находясь под действием струи из шланга, держалось совершенно
свободно и не имело никаких стремлений к повороту около вертикаль-
ной оси или к запрокидыванию около поперечной. Это устойчивое по-
ложение сохранялось и при одной опоре.
Отсюда можно сделать вывод, что крыло с- проницанием, имеющее
глубоковогнутый профиль у основания и двояковыпуклый на конце,
при отрицательной крутке обладает хорошей устойчивостью.
Скорость обдува во время эксперимента составляла около 6 м/сек
при направлении потока под углом в 40°. Точка приложения потока
переносилась как в глубину, так и по размаху крыла.
При опытах с искусственными моделями птиц в аэродинамической
трубе, произведенных по заданию ЦК Совета Досава, в 1950 году был
получен спектр, подтвердивший дымовую обдувку.
Крыло модели (рис. 119) было, оснащено сверху и снизу шелко-
винками и заснято в потоке при скорости 15 м/сек. Полученные фото-
графии показывают вход воздуха в туннель на всем диапазоне летных
углов птицы, от 0° до 20°, а также прорыв потока на верхней поверх-
ности вдоль хорды крыла. Спектр из шелковинок обнаружил значитель-
ный скос потока за минусом, а также вихревой шнур, отходящий в
средней области мануса, а не с конца крыла, как у обычных жестких
крыльев. Замечено также, что у лопаточных крыльев концевые срывы
отсутствуют даже при углах 18 — 20°.
ГЛАВА IV
ФОТО-АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД
ИЗУЧЕНИЯ КРЫЛЬЕВ
ВЫВОД ИЗ ОДНОГО ПОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТА
В целях объяснения полета птиц в различных трудах исследова-
телей работа птичьего крыла рассматривается как работа особого
аэродинамического профиля, движущегося в потоке с переменным
углом атаки. При восходящем движении крыла с положительным
Рис 39 Силовые схемы: А — при опускании и В — при подъеме крыла
углом атаки возникает положительная подъемная сила N и отрица-
тельная тяга Т по схеме В рис. 39. При опускании крыла угол атаки,
уменьшается до отрицательного и крыло дает положительную тягу и
подъемную силу по схеме А рис. 39.
Если провести приближенный поверочный расчет взлета орла’
по формулам аэродинамики, то при самых оптимальных коэфициентах
подъемной силы, указанных на диаграмме (рис. 40), получается, что
•он отрывается при скорости 36 км/час, тогда как прямым наблюдение
»ем установлено, что птица подымается, нередко с добычей, при скоро-
сти 15—18 км/час.
1 Данные орла приведены в таблице 7, коэфициенты приведены на рисунке для
«соответствующей области
<3
На диаграмме (рис. 40) показан этот результат расчета, где пере-
сечение вычисленной кривой для числа колебаний п = 2,5 х/сек с ли-
нией, соответствующей весу 5,4 кг, наступает при скорости около
10 м/сек. Чтобы получить действительное совпадение, надо для ско-
Рис. 40. Диаграмма поверочного расчета орла: Y— подъемная сила при л=2,5 1/сек:
К — поправочный коэфициент
рости 4 м/сек найденную подъемную силу увеличить в 5,5 раза, что по-
казывает кривая К.
О. Лилиенталь на основе своих опытов (13) считает, что эффект
крыла в машущем состоянии в 9 раз больше, чем при простом обте-
кании крыла в режиме планирования. В нашем примере среднее зна-
чение коэфициента Су для скорости отрыва 4 м/сек будет равно 6.
Объяснить количественную сторону явления на основе простых
аэродинамических уравнений оказалось невозможным, продувки же
чучел птиц в трубе показали очень низкое качество.
На основе продувок вороны в ЦАГИ в 1928 г. было найдено каче-
ство порядка — 4,5 и угол наиболее пологого планирования — 12,5°^
т. е. это полностью расходится с тем, что мы наблюдаем в природе.
Ясно, что расхождение следует искать в неправильной трактовке
физической схемы работы крыла. В живой птице различные отделы
крыла исполняют какие-то неизвестные нам функции, и сочетание их
дает замечательные эффекты в полете.
44
СПЕКТР ПОТОКА ПОД КРЫЛОМ
Условия образования тяги и подъемной силы связаны с особой
структурой отходящего потока, которая не походит на вихревой поток
за обычным пропеллером и тем более не соответствует картине просто-
го обтекания профиля. Проведенные нами опыты в 1950 году в аэро-
динамической трубе позволили установить спектр потока в стационарных
условиях, т. е. при постоянной скорости обдува неподвижного крыла.
Суждение о спектре в машущем полете можно иметь по отдельным
кадрам киносъемки аиста (рис- 41).
Рис. 41,а. Полет аиста в третьей фазе при виде сбоку
Рис. 41,6. Киносъемка полета аиста через телеобъектив. Видйо направление потока
по нижним кроющим перьям и поворот конца средних перьев
45
На основании отклонения концевых перьев (рис. 41,6) можно за-
метить вращательное движение частиц воздуха в плечевой области.
Эти фотографии подтверждают ранее произведенные опыты на ко-
ловратной машине (41) с крыльями птицы фрегат, где флажками было
установлено вращательное движение потока в средней части крыла
Рис. 42. Радиальное течение воздуха под крылом фрегата
(рис. 42, верхняя схема) и перемещение его к концу крыла (средняя
схема).
Видимость потока достигалась размещением флажков по косо на-
тянутой под крылом проволоке (рис. 42, нижняя схема); движение
флажков показывало, что поток растекается направо и налево по раз-
маху крыла и, кроме того, имеет и обычное циркуляционное течение
(верхняя схема). Это обстоятельство является весьма важным для вол-
нообразования при упругих колебаниях крыла, что рассматривается в
главе IX.
ЭФФЕКТ ПРОНИЦАНИЯ КРЫЛА ПОТОКОМ ВОЗДУХА
Вторым фактором, влияющим на работу крыла птицы, является
его проницаемость воздушным потоком.
При внимательном осмотре крыла крупных хищников легко про-
следить по изношенности перьев течение воздуха на поверхности кры-
ла и внутри его. На фотографии крыла коршуна (рис. 4 и 5) видны
рельефно выступающие образования с обеих сторон крыла, направлен-
46
ные к корпусу в области второстепенных машущих перьев и наружу
в области мануса.
Поверхность крыла птицы образована наложением S-образных
перьев (рис. 6), внутри которых находятся конические туннели желоб-
чатой формы. На снимке пикирующего ястреба (рис. 43) они проекты -
Рис. 43. Темные полосы туннелей у пикирующего ястреба
руются в виде отдельных черных полос, перемежающихся с более свет-
лыми. Туннельность наиболее сильно выражена в средней зоне крыла.
При рассмотрении крыльев у мертвого коршуна удалось установить
восемь различно спрофилированных туннелей в области второстепенных
перьев. Наше предположение, что воздушный поток протекает здесь в
фазе взмаха из подкрыльной зоны через слабо прилегающий нижний
ряд кроющих перьев, подтвердилось при опытах в трубе с моделями
птиц в 1950 г.
На фотографии двух чаек в полете видно, что туннели наполнены
воздухом (рис. 7). Здесь же, у основания крыла, видна решетка плече-
вой области, своего рода жалюзи, перепускающие поток в момент подъ-
ема крыла. Каждое отдельное перо при этом обдувается потоком, соз-
давая элементарную подъемную силу.
Установлено, что ренТетки образуют различные углы наклона, воз-
растающие к корпусу; у некоторых птиц они открываются при парашю-
тировании со сложенными крыльями, как, например, это видно на рис. 29.
Работу туннелей впервые автору пришлось наблюдать в 1921 г. у
гнезда ястреба. При ветре силой в 5—6 м/сек птица висела в воздухе
на расстоянии не больше одного метра, защищая свой выводок. При
этом заметно было раздвижение туннелей, изменение площади хвосто-
вого веера и небольшое колебание носовой части крыла при угле атаки
около 45 — 50°. Птица держалась против ветра очень устойчиво в те-
чение 10—15 секунд, не меняя своей позиции, пока порывы ветра
47
Рис. 44,а. Блокировка перьев чайки
не сбивали ее, но она тотчас сно-
ва становилась в положение «ви-
сения на месте».
Естественно1 было предполо-
жить, что изменение объема тун-
нелей должно сопровождаться яв-
лениями всасывания и сжатия
воздуха. Однако роль туннелей
была выяснена значительно позд-
нее, когда были получены фото-
снимки чаек в различных фазах
полета. Результаты исследований
методом заклеивания крыльев,
примененные нашими исследовате-
лями, окончательно убеждают в
особо важном значении туннель-
ных образований.
Туннели в крыле напоминают
собой своеобразные мехи. При
подъеме крыла они засасывают
воздух из носовой подкрыльной зо-
ны через легкоотходящий нижний
ряд кроющих1. Когда же крыло
движется вниз, происходит блоки-
ровка эластичного конца перьев
Рис. 44,6. Раскрытие туннелей вдоль образующей создает отсос пограничного слоя:
А — схема протока через туннель; Б — схема сдувания вдоль пера
1 Среди орнитологов существует мнение, что прорыв потока легче может прои-
зойти на нижней поверхности, где стык туннелей менее плотный. Однако в таком
случае нельзя объяснить образование большой подъемной силы крыла.
Другое возражение состоит в том, что сжатый в туннелях воздух скорее откро-
ет более слабые кроющие перья. При этом нужно иметь в виду, во-первых, пуховый
уплотнитель в основании очина пера и, во-вторых, направление бороздок пера, кото-
рые будут препятствовать обратному движению воздуха из туннелей.
48
(рис. 44,а). А так как при этом площадь крыльев сокращается, тунне-
ли уменьшаются в объеме. В результате сжатый воздух прорывает до-
левой стык туннелей (рис. 44,6) и вызывает сдувание пограничного
слоя, а следовательно, увеличение подъемной силы крыла.
Прорыв воздуха в нисходящей фазе движения крыла происходит в
Рис 45 Чайка на режиме крутого парашютирования
зоне верхних кроющих перьев, о чем свидетельствует сильная изношен-
ность их концов.
Надо полагать, что в этом случае прорывается воздух из аванка-
мер туннелей, особенно в средней части плечевой области. Близ шар-
нира крыла, где находится парашютный клапан или плечевые перья,
образующие зализ, воздух прорывается из пазушной зоны под верхние
ряды кроющих перьев (подслойный прорыв). Замечательно то, что
кроющие перья области мануса не носят следов прорыва, так как здесь
туннели концевой блокировки не имеют, они оканчиваются в виде сопла.
Второстепенные перья у сарыча имеют на конце следы износа о г
вихревых струек, вытекающих из туннелей.
Вся картина проницания крыла парителя становится ясной при
рассмотрении фотографии чайки на режиме крутого парашютирования
49
под углом атаки больше 60° (рис. 45). Здесь мы видим как бы сдвоен-
ный парашют, сзади прикрытый полным веером хвоста. На поверхно-
сти очень ясно видно расслаивание крыла благодаря прорыву потока
из зоны первых кроющих перьев; во втором ряду некоторые надлом-
Рис. 47. Посадка с креном: видны открытые предкрылки
ленные перья дали тень на фотографии, так как они сильно поднялись
На схеме (рис. 46) стрелками обозначено проницание потоком.
Парашютное отверстие видно по вздыбленной копне перьев в сред-
ней части за шарниром крыла; несколько сзади видна глубокая тень
от перьев зализа, приподнятых потоком.
Непосредственным измерением можно установить, что угол уста-
новки крыла и корпуса составляет 50° и что хвост опущен на 40—5(Г.
Проницание потока обеспечивает весьма устойчивое положение
птицы при крутом спуске с любой высоты.
Подобный же спуск в тихую погоду нередко практикует и жаворо
нск: при посадке он спускается, парашютируя под крутым углом до
60°, причем хвост и крылья его неподвижны и раскрыты полностью.
При таких парашютирующих спусках видно открытие лучевых пред-
крылков.
Роль предкрылков совершенно очевидна: они затягивают срыв по-
тока на больших углах атаки, наиболее полное открытие их наблюдает-
ся в начальный момент взлета. Так как подвижное крылышко имеет
самостоятельное мускульное движение, то вполне вероятно его участие
в создании боковой устойчивости (рис. 47). В этом случае обдув через
50
него идет вдоль передней кромки мануса, вызывая увеличение подъем-
ной силы на конце крыла или возникновение кренящих моментов при
раздельном действии предкрылков.
ПРИСПОСОБИТЕЛЬНОЕ НАРУШЕНИЕ ОБТЕКАЕМОСТИ КРЫЛА
К процессам, присущим крылу птицы, относится также приспосо-
бительное нарушение обтекаемости.
При первом поверхностном знакомстве с устройством перьевого
аппарата обращает на себя внимание елочно-гофровая структура перьев,
состоящая из бороздок, идущих под углом к очину пера в 40—45° в
широкой части и до 10° в узкой (рис. 48). Шаг бороздчатых углубле-
ний составляет: в основании пера в среднем 1 мм, а ближе к концу —
1,5—2 мм. При наложении перьев в образовавшихся туннелях борозд-
ки идут в противоположных направлениях. Такое их расположение вы-
зывает вихреобразование уже внутри туннелей, следовательно, ско-
рость протекания воздуха в них уменьшается.
Сильная пушистость в носовой части под кроющими перьями рас-
сматривается в орнитологии как защитное утепляющее приспособление,
однако слой пуха перекрывает основание пера до аванкамер. У неко-
торых пород птиц, как, например, у кобчика, под пуховой прослойкой
находятся нитяные кроющие перья. Эта пушистость напоминает собой
род сетки или шарик семени одуванчика, плавающего в воздухе и пе-
реносимого воздушными потоками на далекое рас-
стояние.
Над хвостом той же птицы и в задней части
спины имеется целая копна из нитяных перьев с
прослойкой из пуха (многослойная сетка) (рис. 49).
Образ жизни кобчика объясняет назначение тако-
го приспособления. Кобчик применяет «стояние
на месте» для охоты за мышами, в это время его
крылья совершают вибрационные движения, при
которых перья мануса отбрасывают поток
в плечевую область, продувая его через парашют-
ный клапан и копнистое образование нитяных
перьев, что необходимо для устойчивости1.
Из аэродинамики известно, что сопротивление
трения, зависящее от вязкости, может быть в 3—
4 раза больше, чем сопротивление формы, и что
оно больше на малых скоростях. Таким образом,
гофровая структура пера, пушистость, нитяные
перья являются приспособительным на-
рушением обтекаемости крыла.
Рис. 48. Направ-
ление бороздок
в опахале пера:
1—передний край;
2-— опахало пера
1 Другими наглядными примерами использования вязкости воздуха крылом пти-
цы является маневр зависания на одном крыле, часто практикуемый воронами, и
крутое парашютирование, подобное изображенному на рис. 45.
51
До сего времени остается необъясненным тот факт, что внутри
крыльев птиц содержатся значительные массы воздуха, например, в
перьях утки имеется 670 см3 при весе всех перьев в 65 г. Какое влия-
Рис. 49. Копна из нитяных перьев кобчика
ние оказывает на работу крыла периодическое проницание хотя бы 50%
этой массы воздуха? Возможно, что картина обтекания будет сущест-
венно отличаться от принятой в аэродинамике.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ВОЗДУХА
Сопротивление трения воздуха, зависящее от вязкости, в современ-
ных самолетах представляет наибольший процент (около 30%) в ба-
лансе всех сопротивлений. Его вредное влияние стараются уменьшить
полировкой поверхности, потайной клепкой и другими способами.
Поверхность птичьего крыла далеко не совершенна. Как показыва-
ет микроструктура маховых перьев, нижняя поверхность опахал боль-
шей частью сильно ребристая, верхняя — слабо ребристая с выступаю-
щими на поверхности рядами ворсинок, образующих значительную шеро-
ховатость верхней поверхности крыла1. Наряду с этим проток воздуха
через крыло птицы проходит через внутренние сетчатые камеры, обра-
зованные особым пухом и нитяными перышками в основании очина
перьев. Воздух выходит наружу через верхние кроющие черепицеобраз-
ные перья (рис. 1 и 24,Л). Наличие протоков обнаружено фотогра-
фией на режимах больших углов атаки и в третьей фазе удара кры-
ла (гл. VII).
Чтобы понять эти явления, необходимо вспомнить, что такое вяз-
кость (19).
1 Наблюдения производились в микроскоп в орнитологическом кабинете Инсти-
тута эволюционной морфологии Академии наук СССР.
52
Под вязкостью понимают силы внутреннего трения. Силы вязкости
стремятся затормозить быстро движущиеся частицы и ускорить более
медленные.
Вязкость стремится уничтожить вихри, которые в вязкой жидкости
постепенно рассеиваются и исчезают. С другой стороны, вязкость мо-
жет создавать вихри. Особенно сильные вихреобразования наблюдают-
ся возле самой поверхности тел, обтекаемых потоком. Благодаря тре-
Рис. 50. Молекулярное движение частиц
воздуха как причина вязкости
Рис. 51. Коэфициент сопротивления шара в за-
висимости от числа Рейнольдса (Re): I- - при
больших Re, II—при малых Re
нию о поверхность происходит некоторое отставание скорости потока
на поверхности (рис. 50).
Слой, где происходит это явление, называется пограничным слоем,
его толщина около 1 мм при существующих габаритах крыла. Физиче-
ская сущность вязкости объясняется молекулярным строением вещест-
ва.
Молекулы газов и капельных жидкостей обладают по кинетиче-
ской теории вполне определенными средними скоростями беспорядоч-
ного движения, зависящими лишь от их температуры. Движение мо-
лекул производит перемешивание слоев текущей жидкости. На рис. 50
приведены следующие обозначения:
I — слой быстро движущихся молекул.
II — слой медленно движущихся молекул.
Медленные молекулы, попадая в более быстрые слои, будут их за-
тормаживать.
Вязкость обычно определяют при помощи волосных сосудов или
трубок. Ее же определяют особым коэфициентом рь размерность кото-
рого кг1 м~2 сек1.
53
В практике для целей расчета и измерений пользуются кинемати-
ческим коэфициентом вязкости:
— • кг° м2 сек -1.
Р
Для воздуха величина кинематической вязкости для нормальных
условий равна 1,45- 10~5, а для воды в 12,7 раза меньше, т. е.
v=0,1145- 10-5. Влияние вязкости воздуха на величину коэфициента
сопротивления можно проследить в опытах с сопротивлениями шара.
Рис. 52. Обтекание при прямом ударе непроницаемого крыла (В) и проницаемого
(Г); обтекание шара при малых Re и обтекание с протоками (Б)
На диаграмме (рис. 51) по горизонтальной оси отложены числа Рей-
нольдса Re=Vl v-1, зависящие от скорости, линейных размеров и вяз-
кости среды. Течение кривой сопротивления С показывает, что при ма-
лых Re или скоростях1 сопротивление шара в 4—5 раз больше, чем
при больших.
Для малых Re закон сопротивления выражается формулой:
X~C^IV.
Из формулы видно, что закон сопротивления здесь иной, нежели
при больших Re, Например, сила сопротивления зависит от линейных
размеров тела и скорости в первой степени.
Так обстоит дело с влиянием вязкости при поверхностном обтека-
нии. Но совершенно неизвестно, что будет происходить с коэфициен-
том сопротивления при протоках воздуха через нитяную или пуховую
сетку с выходом на поверхность обтекаемого контура.
Если бы крыло птицы было совершенно жесткое и непроницаемое,
то при ударе вниз воздух растекался бы по схеме В (рис. 52). В дей-
ствительности же он растекается по схеме Г. Здесь воздух, засосанный
механизмом туннелей, выжимается крылом через пуховую сетку при
окружных скоростях взмаха около 4—6 м{сек. Для количественной оцен-
ки интересно было бы знать, как изменится сопротивление шара при
сквозных туннелях (рис. 52,Б).
1 Число Рейнольдса у птиц изменяется в пределах от 80 000 до 500 000; среднее
значение для чайки — 120 000.
54
Качественную оценку этого явления на малых скоростях можно по-
лучить из приведенных кривых на рис. 53 сопротивлений сеток туннель-
ного радиатора.
Более мелкая сетка за № 6 при скорости V— 6 м/сек, дает сопро-
тивление в 12 раз большее, нежели сетка № 1, а при скорости У =
= 4 м/сек — почти в 15 раз.
Так как крыло птицы при парении и при парашютировании имеет
куполообразную форму парашюта, то сопротивление его с проницани-
ем будет весьма значительным.
С другой стороны, сама; направленность потока, проницающего
крыло, будет содействовать его устойчивому положению.
Рис. 53. Кривые сопротивления сеток в туннельном радиаторе
Это и объясняет нам новый термин «увязание крыла в воздухе»,
которым мы и будем пользоваться при дальнейшем изложении процес-
сов машущего полета.
В дополнение можно привести и другие примеры использования
вязкости в природе. Сибирская белка-летяга совершает планирующие
спуски до 25 м, так же планируют индийская белка тагуан и обезьяна-
пропитекус (из Явы) (8). В данных случаях пушистый хвост и меховой
покров спины заменяют им перьевой аппарат вязкости птиц1.
Влиянием вязкости воздуха можно объяснить, например, поворот
птиц на месте при зависании на одном крыле, а также устойчивость
при маневрах и весьма малые радиусы их виражей.
Физическая картина работы крыла в машущем полете дополняет-
ся новым видом сопротивления: сопротивлением проницанию потокам
воздуха. Влияние вязкости воздуха наблюдается при малых скоростях
протока воздуха через крыло. Однако в фазах машущего полета это
1 Отсутствие оперения у перепончатокрылых (типа летучей мыши) ограничива-
ет их возможность к парению и стоянию на месте, их основным видом полета по
«необходимости является вибрационный и притом на короткие расстояния.
55
состояние сменяется принудительным сокращением туннелей; начинает
ся сдувание пограничного слоя, крыло приобретает высокие подъемные
свойства.
В этом переменном состоянии потока около крыла и внутри его и
заключается «приспособительность» обтекания у птиц, которое связа-
но с приемами полета и режимами.
Замечательно то, что птица вторых режимов (т. е. при критиче-
ских углах атаки) не боится, тогда как для самолета они опасны. Ма-
ленькие ястреб и ворона, только что оперившиеся, при первых же уро-
ках полета дают прекрасный объект для понимания этого явления.
Их неуверенный полет при больших углах с полным открытием поверх-
ности допускает прямое наблюдение работы крыла на взлете.
Эта картина физического состояния резко отличается от простого
обтекания жестких крыльев самолета или планера и должна явиться
предметом специальных лабораторных исследований.
УПРУГИЙ ЭФФЕКТ БОЛЬШИХ МАХОВЫХ ПЕРЬЕВ
На кинокадрах полета чаек, заснятых в Баренцовом море Акаде-
мией наук СССР, видно следующее: чайки попарно движутся в резо-
нансном полете, причем крылья их несколько сдвинуты в фазах движе-
ния.
В этом состоянии большие маховые перья на фото оказываются
смазанными в один и тот же момент или в одной и той же позиции.
Это явление обнаруживает также фотоснимок полета чаек, сделанный
телеобъективом при скорости 1 : 500 в секунду (рис. 54), на котором
концы мануса расплывчаты.
Рис. 54. Раскрутка больших перьев в конце 4-й фазы
56
При рассмотрении снимков горных орлов (при броске вниз и при
парении) оказалось, что большие маховые крылья отходят вперед и
вверх, образуя веер и многопланное расположение лопаток. Схема
этих двух деформаций по вертикали и горизонтали представ-
лена на рис. 55. Сопоставляя эти факты, необходимо- сделать сле-
Рис. 55. Крутильная и изгибная деформация больших перьев: zis —отвод вперед;.
A h — прогиб; М — скручивающий момент
дующий вывод: в момент подъема крыла перо, как силь-
но изогнутая пружина, распрямляется и быстро воз-
вращается в исходное положение, отбрасывая поток
назад, и тем самым создает толчок, преодолеваю-
щий инерцию крыла1.
Этим действием больших маховых перьев и объясняется расплыв-
чатость снимка мануса в начале фазы подъема.
Так как манус крыла имеет большую скорость, чем плечевой отдел,
то в сочетании с указанным эффектом он ограничивает растекание пото-
ка, загоняя часть его в среднюю зону, где образуется повышенное дав-
ление. Надо полагать, что деформированные упругие второстепенные
перья произведут такой же эффект отграничения потока вдоль ребра
схода крыла. Действие упругого возврата их напоминает первые пру-
жинные самолетные посадочные щитки, применявшиеся в 1917—1918 гг.
С точки зрения прочности такое крыло обладает антивибрационными
свойствами.
Из содержания данной главы мы приходим к следующим выводам:
1.	Машущее крыло создает особые условия обтекания, подсчет си-
лы сопротивления которого не может быть выполнен по формулам аэро-
динамики.
2.	При установлении схемы работы крыла птицы должны быть при-
няты во внимание:
а)	всасывающее действие его туннелей;
б)	прорыв потока в сопряжении крыла с корпусом и долевой, в
стыке туннелей;
в)	пружинный эффект отдачи больших маховых перьев.
1 Этот эффект больших маховых перьев изучал Марэй. ,,Le vol des oiseaux". Pa-
ris, J 898 (см. стр. 120).
57
ГЛАВА V
КАК ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ УПРАВЛЕНИЕ ПОГРАНИЧНЫМ
СЛОЕМ В КРЫЛЕ ПТИЦЫ
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ
Чтобы установить состояние потока около движущегося контура,
надо знать состояние пограничного слоя, который в случае сильной
турбулентности может в несколько раз увеличить лобовое сопротивле-
ние крыла и значительно снизить подъемную силу. Интересно было бы
знать, принадлежат ли крылья птиц к числу ламинарных или умеренно
турбулизированных.
Как известно из аэродинамики, на поверхности крыла, обтекаемого
потоком воздуха, возникает трение, величина которого зависит от сте-
пени шероховатости и от скорости потока. Благодаря трению скорости
частиц в тонком слое, прилегающем к поверхности, изменяются от мест-
ной скорости до нуля, при этом происходит расслаивание потока (рис.
56). На границе двух слоев, имеющих разные скорости, происходит
вращение частиц или, как говорят, турбулизация потока, которая мо-
жет увлечь и вышележащие слои.
Элементарные вихри, возникающие по обе стороны профиля, на
конце его соединяются, образуя вихревой след или спутную струю. Тол-
щина пограничного слоя, где происходит это явление, вообще может
изменяться в широких пределах, однако при небольших габаритах кры-
ла его величина составляет от 0,5 до 1 мм. Интересно отметить, что ин-
тенсивность турбулентности в нем может значительно превышать интен-
сивность турбулентности в набегающем потоке1.
При обтекании тел рассматривают три вида пограничного слоя
(рис. 57)—турбулентный, ламинарный и смешанный (26).
Экспериментально установлено, что турбулентное сопротивление в
4—5 раз больше ламинарного, т. е. того слоя, где поток движется без
завихрений. Отсюда вполне понятно стремление уменьшить сопротивле-
ние трения. Кроме того, для крыльев самолета найдены особые лами-
нарные профили, отрыв потока у которых начинается в расстоянии 75%
хорды от носка ее.
1 Инж. Дородницын. «Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный
и ламинарный профили». Труды ЦАГИ № 563, 1945 г.
58
Обычно более ранний отрыв потока и нарушение ламинарного обте-
кания наблюдаются при увеличении угла атаки, так что на критических
углах, близких к 16—20°, вся поверхность обтекается турбулентным
потоком.
Воздействие на пограничный слой (33) можно осуществить сдува-
Рис. 56. Схема скоростей в пограничном слое
крыла и области потока: 1 — пограничный слой;
2 —вихревой след или спутная струя; 3 — по-
тенциальный слой; Pi, Р%, Рз — давление в потоке
Рис. 57. Схемы пограничного
слоя: а — ламинарного; б —
турбулентного; в — смешанного
нием его через особые щели и отсосом путем особых механических
устройств; в таких случаях значительно возрастет подъемная сила кры-
ла. Особенно эффективным методом для увеличения подъемной силы яв-
ляется создание принудительной циркуляции скорости, не зависящей от
угла атаки, при которой возможно достигнуть увеличения подъемной
силы крыла в 3—4 раза1.
МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПТИЦАМИ
Из некоторых наблюдений можно предположить, что птицы исполь-
зуют первый и последний способы управления пограничным слоем. Во
второй и третьей фазах возникает сдувание пограничного слоя при
помощи подслойного прорыва потока из. области парашютного клапана
и долевого прорыва стыка туннелей. В результате подъемная сила
крыла сильно возрастает. Схема обдува показана на рис. 58.
Здесь первая щель в области лучевого предкрылка, вторая и тре-
тья щели находятся в зоне кроющих перьев 2.
1 В. В. Столбов. «Самолетостроение последних лет». Оборонгиз, 1940 г.
2 Следует обратить внимание на то, что щели в крыльях птиц идут не вдоль
крыла, а поперек, т. е. по хорде, так что крыло расчленяется на ряд узких и длин-
ных пластин с удлинением от !/ю До Уго, а в некоторых случаях и до Vso- Известно,
что крылья такого типа сохраняют поток без отрыва до углов атаки 50°. В этом слу-
чае щелевое устройство крыла увеличивает критический угол, а не Сд . Проф.
Г. Бураго. «Приближенная теория крыльев малых удлинений». (См. Труды научно-
технической конференции. 1944 г., т. III. ВВИА).
59
Сдувание наблюдается и в фазе подъема крыла, когда в плечевой
области второстепенные перья поворачиваются и пропускают поток свер-
ху вниз (рис. 59).
Так как сами решетки имеют несущий S-образный профиль, то
они также создают местную подъемную силу.
Управление пограничным слоем по способу создания циркуляции.
Рис 58. Схема отсоса и сдувания пограничного слоя: 1 — действие луп; 2 и 3—
отсос через кроющие ряды перьев; 4 — сдувание через туннельный прорыв потока;
5 — туннель; 6 — нижние клапанные перья
Рис. 59 Силовая схема крыла при подъеме: 1 — область плечевых решеток, создаю-
щих подъемную силу; 2 — область мануса с тягой
не зависящей от угла атаки, применяется птицами при вибрационном
действии мануса в трепещущем полете и при стоянии на месте.
Обычно при наступлении критического угла атаки нарушается об-
текание профиля, и крыло теряет свою подъемную силу (рис. 60,6/).
Однако птица может стоять на месте под углами свыше 40°, при
этом колеблющийся манус напоминает вентилятор1, отсасывающий по-
1 Механизм образования тяги для стояния на месте создается теми же пропел
лирующими перьями мануса.
60
граничный слой средней несущей части крыла (рис. 60,6), ввиду этого
завихрения (рис. 60, в) исчезают, поток становится плавным и на аэро-
динамических весах установлено возрастание подъемной силы в 4 раза.
Аналогично этому полет совы также подтверждает нашу мысль:
Рис. 60. Возникновение циркуляции, не з»ависящей от угла атаки, при управлении
пограничным слоем: а — срыв обтекания на критических углах; б — спектр крыла
при управлении пограничным слоем; в — схема обтекания на закритических углах
несмотря на сильную бахромистость передней кромки перьев она летает
при больших углах атаки.
Рассматривая основные способы управления пограничным слоем,
мы наблюдаем замечательное свойство птичьего крыла: приспособитель-
ное изменение обтекаемости потоком, при котором происходят различ-
ные процессы как внутри, так и вне крыла. Летательный аппарат пти-
цы осваивает воздух, пропуская его через толщу нитяной пуховой на-
бивки, и как бы «выжимает» его в определенные фазы взмаха, созда-
вая сдувание пограничного слоя.
Открытие указанных свойств птичьего крыла позволяет объяснить
подъем с добычей при двукратном полетном весе орла или сапсана.
При первых же своих взмахах птица автоматически приводит в дей-
ствие весь аппарат управления пограничным слоем, который столь зна-
чительно увеличивает подъемную способность крыла.
ГЛАВА VI
УСТОЙЧИВОСТЬ и управляемость птиц
УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ
Так как крыло птицы движется по траектории, близкой к синусоиде^
при непрерывно изменяющихся углах атаки, то естественно предполо-
жить, что условия равновесия и устойчивости здесь должны быть иные
по сравнению с самолетом или планером.
Из аэродинамики известно, что состояние равновесия в полете за-
висит от положения центра тяжести1 и центра давления воздушных сил.
Рис. 61. Равновесие сил в горизонтальном полете
Возникающие продольные моменты птица компенсирует действием;
хвостового оперения или изменением стреловидности крыльев и кривиз-
ной профиля. Из наблюдений установлено, что колебания корпуса/ при
этом весьма незначительны. В установившемся горизонтальном движе-
нии (диаграммы а и в, рис. 68) могут быть приняты схемы (рис. 61),
когда центр давления занимает переменное положение по отношению
к центру тяжести. Произвольным изменением угла атаки крыльев, бла-
годаря повороту в шарнире, птица создает моменты, которые, повиди-
мому, уравновешиваются моментом хвостового оперения.
В случае полета с добычей центр тяжести птицы переходит назад
1 В орнитологии положение центра тяжести определяется позади плечевого шар-
нира птицы.
62
и может достигнуть предельного положения 30—35% корневой хорды
крыла (нормальная центровка для птиц — около 15—20% хорды).
Для случая планирования или
парения схема сил, действующих на
птицу, дана на рис. 62. Здесь центр
давления совпадает с центром тя-
жести птицы и слагающие веса G
и подъемной силы Y зависят от
угла наклона траектории 0 и рав-
ны соответственно Y = О2 и X = Gv
Рис. 62. Схема сил при планировании
СПОСОБЫ СОХРАНЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ1
Особый интерес для авиационных конструкторов представляет во-
прос об осуществлении птицами устойчивости относительно трех про-
странственных осей Z—Z, X — X, Y соответственно различают устой-
чивость продольную, поперечную и путевую (рис. 63).
Постоянно действующими факторами устойчивости у птиц являют-
ся: эластичность перьев, переменная стреловидность крыла в плане и
низкое положение центра тяжести.
Профиль крыла, образованный эластичными перьями, в полете де-
Рис. 63. Положение трех пространственных осей крыла
формируется и принимает S-образное очертание (рис. 64), что прибли-
жает его к устойчивым профилям, для которых положение Ц. Д. не ме-
няется при режимах летных углов атаки.
1 И. Виноградов. Статья «Проектирование легкого самолета». Журнал «Само-
лет», №№ 8, 9, 10, 1937 г.
63
Необходимым изменением стреловидности в плане птица достигает,
повидимому, целесообразной центровки, чем весьма эффективно со-
храняет продольную устойчивость.
Как показывают продувки моделей, большие птицы (орлы, кор-
шуны, аисты и др.) обладают большей устойчивостью в полете, не-
жели мелкие воробьиные, но кото-
рые ввиду этого являются более ма-
невренными, нежели первые.
Устойчивое равновесие в случае
'Рис. 64 Профили сечений крыла сокола:
корневое и среднее при нагружении
однократным п = 1 и двукратным
весом п — 2
потери хвоста у больших птиц во-
обще исключено, у малых—возмож-
но. Для сохранения продольной
устойчивости при различных Эволю-
циях птица пользуется возможно-
стью изменения угла атаки, пере-
менной площадью хвостового опе-
рения и отклонениями его вверх или
вниз.
Орнитологи, занимавшиеся воспитанием молодых птиц, описывают
первые неуверенные их учебные полеты, при которых можно проследить
отмеченные действия крыльев и хвоста. В большинстве случаев при по-
лете с рук, как наблюдал автор, молодые ворона и ястреб совершали
взмахи с полной амплитудой, хвост был полностью раскрыт и траекто-
рия полета была волнистой благодаря грубым движениям хвоста. За-
мечательно, что при этом путевая устойчивость сохранялась вполне, а
случаев безразличного равновесия никогда не наблюдалось.
ПУТЕВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПТИЦ
Путевую устойчивость птиц необходимо рассматривать вместе с бо-
ковой устойчивостью1.
У птиц роль вертикального оперения выполняет корытообразное
искривление (например, у голубя и чайки) боковых перьев хвоста или
раздвижной V-образный хвост (у ласточек и стрижей).
Кроме того, крыло птицы-парителя имеет отрицательную концевую
закрутку, сообщающую крылу значительную путевую устойчивость.
Весьма сильным средством воздействия на путевую устойчивость
является раздельное поднятие алюли и искривление хвоста. Изменение
кривизны мануса крыла также является одним из средств восстановле-
ния путевой устойчивости.
На основании продувок моделей можно утверждать, чтЬ проница-
ние крыла потоком и управляемый пограничный слой крыла усиливают
1 Д. Кузьменко и Б. Висленев «Теория авиации». Военгиз. 1936 г.
64
стабилизирующие действия всех выше отмеченных способов сохранения
путевой устойчивости.
Низкое положение центра тяжести, поперечное V крыла создают
моменты, выравнивающие боковое скольжение.
Рис. 65 Искривление, крыла чайки на вираже
В некоторых случаях пологого планирования крылья парителей
образуют перевернутое V с отгибом вверх больших маховых перьев
(рис. 65).
Моменты скольжения птица регулирует в широких пределах, бла-
годаря приспособительному нарушению обтекаемости.
КАК ПТИЦА УПРАВЛЯЕТ ПОЛЕТОМ
Как видно из фотоснимков (рис. 32 и 45) диапазоны углов откло-
нения крыла и хвоста птиц достигают широких пределов: хвостовое
оперение может быть опущено вниз до 45° и поднято вверх до 60°, а
углы поворота крыла могут изменяться от —5° до -|-50о. Переход на
пикирование или на крутой подъем птица осуществляет вращением
крыла около поперечной оси, в нормальном же полете необходимые
углы атаки крыла достигаются действием хвостового оперения.
Хвост птиц можно рассматривать как стабилизатор с переменными
площадью и углом атаки, а также как орган, создающий моменты око-
ло поперечной и вертикальной осей.
Рулевые перья укреплены посредством специальной мускулатуры к
заднему отделу позвоночника (пигостилю). Особенностью их действия
являются:
1) винтовой поворот около продольной оси, усиливающий мрмент
крена;
2) изменение площади, которая при парении и посадке является
несущей.
65
Площадь хвостового оперения у коршуна в скоростном полете со-
ставляет 29% от площади крыльев, а при парении и посадке полностью
раскрытый веер хвоста увеличивает площадь еще на 5—6%.
По своему устройству рулевые перья напоминают малые машущие
Рис. 66. Парашютирование чайки с приподнятым корпусом
перья. Они отличаются лишь тем, что имеют меньшее туннельное обра-
зование и меньший саблевидный изгиб.
Птица может различным образом ориентировать положение своего*
корпуса относительно направления полета. Например, может осущест-
вить крутое планирование «плашмя» (рис. 29 и 46); перейти на пара-
шютирование с приподнятым или опущенным корпусом (рис. 30 и 66}
и, наконец, подобно самолету, может пикировать в направлении оси
своего корпуса.
Осуществляя посадку с торможением, птица может поставить свои
крылья почти под прямым углом к движению.
На рис. 67 засняты последовательные положения крыльев голубяг
при посадке на крышу, с торможением, вертикальным поворотом кор-
пуса и ударами крыла навстречу потоку.
На рис. 97 показан тот же маневр при снижении с тем отличием^
что корпус в последний момент отклонен назад, хвост сильно отжаг
вперед, чтобы избежать опрокидывания через голову при посадке.
Столь разнообразные приемы полета достигаются у птиц комбина-
цией поворотного движения крыла с отклонением хвостового оперения,
которое может действовать как руль высоты и руль направления
(рис. 24).
Управление кренами достигается сокращением площади одного
крыла и открытием алюли на стороне поднимающегося крыла
(рис. 47). Из главы V известно, какое это имеет значение для создания
подъемной силы, а тем самым и для боковой устойчивости.
Длинная шея уток и гусей также облегчает управление и центров-
ку птиц в полете.
Из этого краткого обзора методов управления, осуществляемых
птицами, видно, какие перспективы открываются у конструкторов для
66
Рис. 67. Посадка голубя с торможением через прямой поворот крыла
усовершенствования техники полета и изысканий совершенно новых пу-
тей ее развития.
Возможность превращения планера и самолета
в парашют обещает намного увеличить безопас-
ность полета, а для схемы аппарата «летающее кры-
ло» открываются возможности более эффективных
средств управления им.
При осуществлении в конструкциях планеров и самолетов поворо-
та крыльев должны появиться и новые приемы пилотажа: 1) по-
садка с торможением крыльями, 2) разворот «юзом» или без крена,
3) посадка «плашмя» без наклона корпуса и др.
ГЛАВА VII
СИЛОВАЯ СХЕМА КРЫЛА ПТИЦЫ
В этой главе приведены факторы работы машущего крыла, от ко-
торых зависит, по нашему мнению, образование тяги и подъемной силы
крыла и представление о которых необходимо иметь, чтобы правильно
судить о кинематике крыла и об условиях, влияющих на прочность его
конструкции. Допущенная схематизация в изложении процессов машу-
щего крыла оправдывается отсутствием разработанных методов аэроди-
намического расчета.
ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ КРЫЛА
Для уяснения процесса образования тяги и подъемной силы машу-
щим крылом птицы надо иметь в виду следующее: 1) шарнирное сое-
динение с корпусом, 2) переменное положение оси вращения крыла,
3) синусоидальный характер движения, 4) колебание центра тяжести
птицы.
Плечевой шарнир у больших птиц отличается своеобразной рабо-
той мышц, которые приводят в движение крыло1.
При взмахах и ударах крыла появляются инерционные силы дви-
жущихся масс плечевого и концевого разделов крыла.
Оси поворота крыла, относительно которых происходят взмах и
изменения установочного угла, автоматически принимают наивыгодней-
шее положение для создания подъемной силы и тяги. Как мы увидим
далее в фазе взмаха и при подпрыгивании, во время отрыва от земли
крылья имеют небольшую подъемную силу.
СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ
Возникновение аэродинамических сил связано со скоростью движе-
ния машущего крыла по траектории, которая при установившемся го-
ризонтальном полете является синусоидой.
1 См. главу IX.
68
При отсутствии опытных характеристик машущего крыла для при-
ближенных расчетов можно пользоваться одной из схем, данных на
рис. 68, при этом задаемся законом движения и полярой крыла. По
общему правилу разложения аэродинамической силы /? получим нор-
мальную или ударную силу Af и силу тяги Т.

Рис. 68. Синусоидальное движение машущего крыла: а — схема сил при взмахе
при положительном угле атаки; б — диаграммы распределения сил при средней
N — 0; в — диаграмма сил при средней тяге Т; г и д — распределение подъемной
силы и тяги при отрицательном угле взмаха
Зная углы атаки, скорость по траектории и коэфициенты крыла,
можно получить развернутую картину сил ударной и тяги по диаграм-
мам б, в, г и д.
Для конструктора интересно знать средние значения сил N и Т
за полный период работы крыла.
В процессе образования сил здесь могут иметь место два случая:
1) взмах с отрицательным углом, когда тяга Т положительная,
подъемная сила Y направлена вниз и за всю фазу работы средняя
ударная сила N равна нулю (рис. 68,а и б);
69
2) взмах с положительным углом атаки (рис. 68,д), когда тяга
имеет отрицательное значение, а подъемная сила положительная и за
весь период крыло развивает среднюю положительную ударную силу
jVcp (рис. 68,г).
Первый случай дает наибольшую скорость, а второй наибольшую
подъемную силу, следовательно, первым случаем птица будет пользо-
ваться в горизонтальном полете, а вторым — при подъеме1.
ИНЕРЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В МАШУЩЕМ ПОЛЕТЕ
Кроме аэродинамических сил, в машущем полете большую роль
имеют инерционные колебания крыла и тела птицы, которые возникают
от изменения знака ускорения центра тяжести машущего крыла и от
упругой раскрутки мануса.
Этот случай становится явным из схемы траекторий движения цент-
ра тяжести корпуса и крыла (рис. 69), полученных на основе анализа
Рис. 69. Движение центров тяжести крыла и корпуса
киносъемки машущего полета. Как видно из схемы, масса тела птицы
движется, повидимому, по параболе, а вершина крыла — по синусоиде.
При ударе Ц. Т. крыла обгоняет Ц. Т. корпуса, а при взмахе отста-
ет. Это явление напоминает известный эффект раскачивания на каче-
лях, когда каждый раз, благодаря подталкиванию качелей «в такт», их
движения могут достигнуть больших размахов колебания.
Это явление в механике объясняется теоремой о движении центра
тяжести.
В конечной фазе опускания крыла, когда меняется направление
его движения, упругая раскрутка мануса усиливает общий эффект под-
талкивания «в такт» (рис. 70).
Очевидно, чем длиннее крыло, тем сильнее будет бросок вперед.
Следовательно, длиннокрылые птицы — стрижи, альбатросы, кулики—
должны обладать большим ускорением центра тяжести, нежели широ-
кокрылые голуби, коршуны, куропатки и др.
1 В опытах с эластичными машущими крыльями установлено, что они дают под
емную силу при взмахе, если скорость полета больше 8 м/сек (см. гл. IX).
70
В фазе взмаха крыла его масса будет несколько отставать от Ц. Т.
корпуса. Однако движение вперед будет происходить по инерции, бла-
годаря накопленной энергии, вследствие чего птица некоторое время
может лететь со сложенными крыльями. Это наблюдается, например,
при полетах скворца, дятла и ряда других птиц.
Рассмотренное нами движение двух масс крыла и тела птиц напо-
е
Рис. 70. Свободное движение Ц. Т. птицы под действием упругой раскрутки боль-
ших маховых перьев: О\ и О2 — мгновенные центры вращения; Cj и С2 — положе-
ния центра тяжести; Л — скольжение; Д/— элемент пути
минает движение сателлита в планетарной системе передачи (рис. 69).
Необходимо напомнить общепринятый в кинематике механизмов
способ построения скоростей и ускорений шатунно-кривошипного меха-
низма (см. «Справочные таблицы по кинематике механизмов». Проф.
JI. П. Смирнов).
Зная ускорение, можно получить
инерционные силы крыла по формулам
п •	G
P = mj , где масса крыла
9,о1
и ускорение/=— \ cos ср +
± X cos 2ср), где ср — угол кривошипа, X —
отношение радиуса кривошипа к длине
шатуна. С помощью этих значений мы
можем начертить линию давления мас-
совых сил — параболу, нанеся ее на диа-
грамму подъемных сил крыла в зависи-
мости от угла ср (рис. 71,а). Мы можем
убедиться, что инерционные силы урав-
нивают отрицательные значения подъем-
ной силы, возникающие при ударе крыла
вверх (см. перевод ВВИА № 1252,
1949 г., Рейфенштейн. «О новых испыта-
ниях самолетов с машущими крыльями»).
Рис. 71,а. Диаграмма сил мо-
дели машущего полета: 1 —
подъемная сила; 2 — па-
рабола инерционных сил от
веса крыла; 3 — суммарная
кривая
71
Это явление заслуживает всестороннего исследования, поскольку
от него зависит плавный ход механизма в машущем полете и проч
ность колеблющихся частей, подвергающихся инерционным нагрузкам1.
МАЯТНИКОВОЕ ДВИЖЕНИЕ КРЫЛА
Применяя к крылу птицы термин «маятниковое движение», мы
лишь упрощаем схему поперечных колебаний крыла в целях нагляд-
ного представления.
В технической литературе этот термин применяется там, где вос-
станавливающей силой является не только сила тяжести, но центробеж-
ные силы вращающихся масс (см. журнал «Техника воздушного флота»
№ 3 за 1939 г.). Аналогия с двойным сферическим маятником оправды-
вается тем, что крыло совершает колебания около трех пространствен-
ных осей.
Мы рассмотрели движение масс в продольном направлении, одна-
ко нельзя оставить без внимания и упругое попереч-
ное колебание крыла. На самом деле крыло состоит из двух ко-
леблющихся частей: плечевой и мануса. Манус имеет самостоятельное
сложное движение с центром тяжести, далеко выдвинутым по размаху
крыла.
Поэтому крыло можно представить в виде двух материальных то-
Рис. 71,6. Схема двойного
маятника: 1 — Ц. Т. средней
области; 2 — Ц. Т. мануса
чек, совершающих движение по типу
двойного сферического маятника около
продольной оси (рис. 71,6).
В процессе махания крыло приобре-
тает волнообразный изгиб, подобный то-
му, который наблюдается в опыте с ре-
зиновой трубкой: если один конец ее за-
крепить, а другому сообщить резкий тол-
чок, то трубка изгибается волнообразно.
Это обстоятельство, повидимому, яв-
ляется весьма важным в образовании
силы тяги крыла.
СХЕМА РАБОТЫ МАШУЩЕГО КРЫЛА
Для более наглядного представления физической схемы работы
крыла парителей мы расчленим процесс образования подъемной силы
и тяги в машущем полете на четыре отдельные фазы согласно кино-
1 При расчете орнитоптера необходимо соблюдать определенное соотношение
между массой крыла и корпуса при движении крыла вверх и вниз. В среднем вес
крыла по отношению к весу прибора должен находиться от ]Л до 7s, как это
установлено при пролете моделей.
72
съемкам (рис. 34). Первая фаза—подъем крыла или взмах (6—8); вто-
рая фаза — опускание крыла до 40° от верхней мертвой точки (9—10).
при малых углах атаки; условимся называть эту фазу «началом удара
крыла». Третья фаза—парашютный удар вниз или опускание (1—2) в
пределах до 30°; четвертая фаза — упругое действие мануса и отталки-
вание (4—5) в пределах до 50° (рис. 54).
Те же фазы хорошо заметны на кинокад-
рах полетов аиста (рис. 72,а), отдельные
увеличения которых представлены на
рис. 41а 76, 79 и 82.
Полная амплитуда колебания 6 от
верхней мертвой точки крыла до нижней
равна ПО—130°, а в некоторых случаях
может доходить до 180°.
Принятое нами положение крыльев
при взмахе и ударе можно проследить
на фотоснимке рис. 72,6, где заснят подъ-
ем стаи чаек и видны первая фаза
(средняя часть рисунка), вторая (на ле-
вой стороне) и четвертая (в правом верх-
нем углу рисунка).
Скорость движения крыла V слагает-
ся из поступательной v и окружной и и
при опускании и подъеме крыла (рис. 39)
па соответствующем радиусе в зависимо-
сти от частоты колебаний
\ сек /
V = У + t?	(I),
2 s ‘ п
гдеи = —, s — длина дуги, опи-
санной крылом.
Средняя окружная скорость на кон-
це крыла составляет у птиц 6,4—
8,2 м!сек.
Рис. 72,а. Кинокадр полета
аиста при виде сбоку
1
Рис. 72,6. Фазы крыльев чаек в
момент взлета при виде сзади
ПЕРВАЯ ФАЗА
Отрыв тяжелых птиц от земли происходит после разбега (аисты,
журавли), а средних по весу — в большинстве случаев с места, причем
Рис. 73. Трехсуставные сочленения
костей ног птицы
Tnj~RT
Рис. 74. Схема сил при
отрыве от земли
птицы осуществляют прием подпрыгивания. Благодаря тройному сочле-
нению костей ног (рис. 73) и растяжению мускульных связей прыжок
птицы позволяет ей получить начальную скорость порядка 4—5 м/сек.
74
Одновременно с прыжком в косом направлении птица выбрасыва-
ет крыло вверх назад (рис. 74). После отталкивания от земли корпус
движется самостоятельно, крылья разгружены от веса и достигают
верхней мертвой точки (рис. 75).
Рис. 75. Схема первой фазы взмаха (амплитуда 60—ПО0)
Рис. 76. Начало первой фазы полета аиста; манус на больших углах вращения;
видна упругая раскрутка его перьев (кинокадр)
Ошибочным было бы предположение, что крыло птицы при подъе-
ме или взмахе испытывает только вредное сопротивление. Можно счи-
тать, что крыло, будучи разгружено от силы веса, становится в по-
ложение угла атаки с наименьшим лобовым сопротивлением и, кроме
того, развивает собственную тягу благодаря перьям мануса (рис. 76).
Действие расширения и сужения туннелей сопровождается всасыванием
75
Рис 77 Открытие плечевых решеток аисга в первой фазе (кинокадр)
воздуха и сдуванием пограничного слоя через решетки плечевой зо-
ны (рис. 77), так что в результате аэродинамическое сопро-
тивление крыла полностью компенсируется соб-
ственной тягой на взмахе.
Схема сил, действующих на птицу в момент отрыва, дана на схеме
рис. 74, где через J обозначено ускорение, m — масса тела тицы
(т =	)>^и —составляющие аэродинамической силы по вертикали
х У,о1 /
и горизонтали. Сила толчка Re равна инерции веса mj , Состояние
равновесия при отрыве можно выразить через уравнения:
= ХТ = 0, ГЛ4 = 0	(II)
ВТОРАЯ ФАЗА
Положение крыла во второй фазе характеризуется схемой рис. 78,
где дано среднее угловое перемещение на 35—40° вниз от верхней точ-
ки подъема крыла.
С момента начала опускания крыла туннели сглаживаются и кры-
ло птицы принимает нагрузку от веса ее корпуса. На рис. 79 показана
вторая фаза полета аиста1.
1 Все снимки полетов аиста заимствованы из научно-популярного фильма «Исто-
рия одного кольца»
76
Величину осередненных аэродинамических сил в фазах удара кры-
ла (фазы вторая и третья) приблизительно можно оценить по траекто-
рии его движения (рис. 68) и диаграммам продувок.
(начало удара крыла)
Рис. 78. Схема второй фазы
Однако, отображая действительную физическую картину работы
удара крыла, мы должны будем констатировать, что в начале опуска-
ния по направлениям: сверху — сзади, вниз — вперед имеют место ма-
лые углы атаки (при угловом перемещении 3 до 40°), следовательно,
здесь мы имеем образование чистой подъемной силы и тяги.
Схема сил второй фазы показана на рис. 80. Мгновенное состоя-
77
ние равновесия выражается через уравнение (II). В развернутом виде
это уравнение будет для подъемной силы:
2ГКР + 2ГМ —0 = 0	(III),
для тяги:
2ТМ + 2Ткр - X = О	(IV),
А4М А4кр — О,
где О —вес птицы;
X — лобовое сопротивление;
Ум —подъемная сила мануса;
/М —тяга мануса;
Укр — подъемная сила крыла и
ГКр—тяга средней части крыла.
ТРЕТЬЯ ФАЗА
Переход к третьей фазе (рис. 41,о) достигается вращением крыла
в шарнире на наивыгоднейшие углы атаки, при этом движение крыла
будет косо направленным вниз под углом порядка 30° к горизонту
(установлено для аиста, для других птиц значительно меньше)
(рис. 81).
Картина обтекания для средней и концевой части будет различна*
а именно: система крыльев птицы воспроизводит схему работы двух
Рис. 81. Схема положения корпуса аиста и направление удара крыла в первой и
третьей фазах
спаренных парашютов при маневре скольжения, а манусохМ создается
тяга при обтекании решетчатого крыла на больших углах.
Как нам известно из главы III, в этом случае происходит мгновен-
ный и сильный выход воздуха из кроющих рядов перьев и одновремен-
но подслойный и долевой прорыв из туннелей. Все это влияет на со-
78
стояние пограничного слоя, уменьшая сопротивление крыла и увеличи-
вая его подъемную силу. Вместе с тем под крылом возникает интен-
сивное поперечное волнообразование вследствие поперечных коле-
баний крыла. В результате происходит сложение продольных и
поперечных колебаний \ повышающих общую тягу всех частей крыла
Трудность учета всех факторов в работе столь необычного в инженер-
ной практике способа пропеллирования заставляет нас, при количест-
венной оценке, объединить работу этой фазы со второй, тогда в выше-
приведенных уравнениях (I и III) удобно принять, что тяга и подъемная
сила являются слагающими общей аэродинамической силы /?, т. е.
pl/2
где 7
Т2,3 = ^?cosa
— /?sina
R~CTqS
(V),
(VI),
(VII),
a —угол атаки, Сг на наивыгоднейшем режиме
равен 1,0—1,2 и в скоростном — 0,55 — 0,6. Указанные величины по-
лучены в результате лабораторных опытов. На взлетном режиме’ можно
принять значение Сг =5 — 6, как это показывает поверочный расчет
орла (рис. 40).
ЧЕТВЕРТАЯ ФАЗА
В заключительной четвертой фазе крыло имеет вид опрокинутой
вниз чаши (рис. 82 и 83). Благодаря упругой раскрутке больших ма-
ховых перьев движение центра тяжести ускоряется (рис. 70) как по
горизонтали, так и по вертикали и последнее движение совпадает с
Рис. 82. Кинокадр полета аиста в четвертой фазе
1 Эго явление рассматривается в гл. IX.
79
&
Рис. 83. Крылья олуши в четвертой фазе
Рис 84. Взлет серой вороны: заметно проницание потока через кроющие перья
в плечевой области; перья мануса. сильно изогнуты
началом взмаха. Прямым наблюдением над полетом вороны установлено,
что она взмывает вверх на 1,2—1,5 м в конце первого же удара крыла
вниз (рис. 84).
В двух последних фазах удара крыльев птица находит в центре
давления ту опору, при которой возможно мускульное подтягивание
всего корпуса птицы к крылу и некоторый подъем плечевого шарнира.
Рассмотренная четырехфазная схема работы крыла птицы наблю-
дается при взлете на полных взмахах (амплитуда до 140°) и в скорост-
ном полете.
В горизонтальном полете при неполной амплитуде мануса в 40°
или 60° ясно выраженными являются первая и вторая фазы. Для под-
счета усилий здесь удобно привести схему раздельных функций крыла,
считая, что средняя часть является несущей или подъемной, концевая —
пропеллирующей.
<6 Виноградов
ГЛАВА VIII
МУСКУЛЬНЫЕ УСИЛИЯ птиц
КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ УСИЛИЙ
Приближенная оценка усилий, затрачиваемых птицей в полете, бы-
ла произведена О. Лилиенталем, однако прямых измерений в полете
сил тяги птиц до сего времени не производилось1.
В биологии имеются косвенные методы оценки мускульного усилия?
по весу мускулов: грудного, опускающего крыло (musculus pectoralis) „
и действующего при подъеме крыла (musculus supracoracoideus).
Вес грудных мускулов птиц qm в процентах от полного веса следую-
щий:			
утки	18%	орла	18,2%
кулика	18,25%	коршуна	18,6%	
луня	18,19%	вороны	16%
воробья	20%	чайки	12%
фазана	16,2%		
Принимая затрачиваемую мощность пропорциональной весу муску-			
лов, профессор В.	С. Пышнов дает	формулу	коэфициента мощности^
птиц в случае висения на месте:			
\ 2з
\Отр /
G
и для полета по горизонталям: —j-------------
к 3 (^тр 0 3
где к — качество,
Отр — вес грудных мускулов,
I — размах в м.
По данным инж. М. К. Тихонравова средняя мощность больших:
птиц составляет 0,00124 л. с.
Указанные величины, повидимому, представляют максимальные
усилия, развиваемые птицей при полном напряжении ее сил. Трансфор-
мация мускульного усилия птицы в тягу и подъемную силу осущест-
вляется крылом со всеми присущими ему качествами.
Доктор биологических наук Н. А. Гладков среднее мускульное
усилие птиц считает равным 10% от веса.
1 В опытах Марэя тяга птиц измерялась на ротативной установке.
82
По исследованию О. Лилиенталя для взлета голубя требуется уси-
лие, равное 5% его веса.
Ввиду отсутствия точных экспериментальных данных о мощности
птиц мы приводим таблицу 10, где определена их мощность в гори-
зонтальном полете при условии, что тяга пропорциональна мускульно-
му усилию.
Как видно из таблицы, данные по книге М. К- Тихонравова (2)
сильно занижены.
Интересно отметить, что в опытах Марэя (40) над живыми пти-
цами было найдено, что у сарыча усилие двух больших мускулов равно
12 кг при весе птицы 0,9 кг.
Марэй учитывал реакцию сокращения мускулов у птиц, которая
протекает у них более быстро, чем у других животных.
Таблица 10
Птица	Вес (кг)	Площадь крыла (л«2)	Уд. нагруз- ка на л. с.	Скорость м/сек	Мощность (л.с.)		Мощность пв Тихонравову (л. с.)	
						6gm V 75		
Коршун ....	1,(0	0,215	22,5	18		1 22,5	—	—
Орел		5,3	0,5	18	22,5		1 3,4	—	—
Ворона ....	0,615	0,152	30	15,7		1 48,6	1 250	1 86
Серая чайка .	0,89	0,334	59	10,6		1 66,5	1 300	1 925
ВОЗМОЖЕН ЛИ ПОЛЕТ ЧЕЛОВЕКА
ПРИ ПОМОЩИ МУСКУЛЬНОЙ СИЛЫ?
Для полета на планере УС-4 при скорости снижения U = 0,5 м/сек
и полетном весе 120 кг потребная мощность равна:
кт GU 120 • 0,5 nQn
N =	= 0,80 л. с.
75	75
Учитывая к. п. д. механизма, эта мощность составит около 1 л. с.
Относительно развиваемой человеком энергии в литературе имеют -
ся следующие данные: тяжелоатлет может развить до 2 л. с. за очень
малый промежуток времени (0,5—1 сек). Энергия, развиваемая рабо-
чими у подъемной лебедки при двухминутной работе, может дать
0,5 л. с. Велосипедный гонщик развивает наибольшую кратковременную
мощность 1,3 л. с., в течение двух минут—0,7 л. с. и длительно 0,5 л. с.
Мощность гребца на гоночной лодке в течение 20 мин составляет
0,5 л. с. С физиологической точки зрения при гребле используется боль-
83
шая часть мускулатуры, чего нельзя достигнуть педалями ножного
управления.
В силу биологических особенностей организма человек неспособен
к длительному напряжению своей сердечной деятельности и дыхатель-
ных органов. Так, например, установлено, что количество сокращений
сердечных мышц в минуту у голубя — 192, утки — 212, коршуна — 258,
тогда как у человека — 64. Далее, дыхательная поверхность у человека
13 см2 на 1 г веса, у голубя — 173 см2, у колибри — 666 см2. Частота
дыхания у голубя в спокойном состоянии — 29, в полете — 450; у ворон
изменяется от 31 до 390, у человека—от 17 до 20 в минуту.
Физическая мощность зависит от процента участия всей мускулату-
ры в процессе движения.
При педальной системе, как на велосипеде, используется около 3%
мускульного веса, а при движении сгибания и выпрямления (например,
при гребле) —свыше 22%.
Следовательно, этот способ наиболее выгоден для орнитоптеров,
так как движения сгибания и выпрямления должны производиться в
умеренном темпе, в ритме ударов машущих крыльев.
Равномерное движение корпуса не оказывает влияния на спокой-
ное управление аппаратом, чего нельзя сказать о быстрых и постоянно
изменяющихся движениях на педалях. Кратковременное выполнение
горизонтального полета (при U = 0) или получение более пологого
угла планирования зависит от конструкции аппарата и степени трениро-
ванности пилота.
Использование мускульных усилий в процессе полета планеров мо-
жет уменьшить скорость их снижения, например, при переходе от одно-
го термического потока к другому и для парения в вертикальных воз-
душных потоках небольшой скорости.
Применение машущего крыла для планера даст новое содержание
технике безмоторного полета и новый вид увлекательного спорта. Тех-
нически вполне осуществимой явится постройка моторного мускуллета
с двигателем 1,5—2 л. с. в помощь мускульным усилиям человека, т. е.
летательного прибора личного пользования, доступного для всех.
ГЛАВА IX
ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОТОКА ВОЗДУХА
ЗА КРЫЛОМ ПТИЦЫ
Для того, чтобы объяснить явления, происходящие как вокруг
крыла птицы, так и позади его, необходимо знать структуру отходяще-
го потока.
Некоторое представление о характере потока за крылом можно
иметь, наблюдая: 1) парение птиц над морскими волнами, 2) групповые
полеты чаек и 3) журавлиный строй при осенних перелетах.
Рис. 85. Парение над волнами
В первом случае мы имеет пример ди-
намического парения, когда энергия колеба-
ния волны сообщается воздуху. Птица при
этом подставляет действию потока свои
крылья, которые в силу упругости то отги-
баются вверх, то возвращаются в исходное
положение (рис. 85). Наибольшее давление
на крыло будет соответствовать гребню вол-
ны, когда птица взмывает, и наименьшее —
углублению волны, когда птица опускается.
При этом эластичные концы перьев автома4-
тически увеличивают кривизну крыла и со-
храняют подъемную силу. Известно, что
альбатросы часами могут парить над вол-
нами и иногда встречаются в открытом мо-
ре за сотни километров от берега. Траекто-
рия их парения повторяет траекторию вол-
ны или очень близка к ней.
При групповом полете чаек отдельные
их пары совершают ритмические колебания
с определенным сдвигом фаз (рис. 86). По-
видимому, первая птица отбрасывает поток,
несущий кинетическую энергию, которая
воспринимается второй чайкой.
Рис. 86. Кинокадры полета стаи
чаек: видны отдельные пары
в одном ритме колебаний
85
Чайки могут сбиваться и лететь в противоположных фазах, при
большой скорости, но в установившемся движении их колебания одина-
ковы. Птицы как бы связаны невидимой нитью (рис. 87). Тог же
эффект можно наблюдать при полете журавлей в строю «клином».
Рис. 87. Полет звена в одном ритме
РЕЗОНАНСНЫЙ ПОЛЕТ
С помощью киносъемок полета журавлей удалось установить, что
птицы машут с одним и тем же периодом, частотой и амплитудой взма-
Рис. 88. Полет стаи лебедей
ха, сохраняя между собой определенное расстояние; такого рода машу-
щий полет мы условились называть резонансным (рис. 88).
Причиной полетов в виде строя треугольником или клином являет-
ся особая структура потока за крылом птицы. Можно предполагать,
что последовательные сгущения и разряжения воздуха, производимые
86
машущим крылом, распространяются вслед за волнообразной траекто-
рией крыла (рис. 89). Летящая уступом сзади птица использует энер-
гию волны, подставляя ее действию свои крылья. Возможно и другое
предположение, что поток за крылом находится в синхронном или свя-
Рис. 89. Траектория конца крыла птицы
занном движении с двумя вихревыми дорожками по теории проф.
В. В. Голубева.
Как показывает спектр этих дорожек за машущим крылом, засня-
тых в гидроканале инж. Я. Е. Полонским, они имеют волновой харак-
тер (рис. 106 и 107).
Весьма вероятно, что эти сбегающие дорожки вызывают колеба-
тельное состояние потока за крылом соответствующей частоты и перио-
да, что в конечном итоге даст поток волнового типа сзади машущего
крыла.
На самом деле, если бы поток был просто вихревой, то птица, ле-
тящая сзади, испытывала бы затруднения в полете подобно самолету,
попавшему в струю от винта впереди идущей машины.
Между тем птицы в резонансном полете строго соблюдают свое по-
строение и отбившиеся от стаи быстро отстают. Только при волновом
характере потока за машущим крылом и можно объяснить использова-
ние энергии его в резонансном полете птиц.
ВОЛНООБРАЗОВАНИЕ ЗА МАШУЩИМ КРЫЛОМ
Суммируя все три приведенных
щей картине физического состояния
случая, мы приходим к следую-
потока за машущим крылом
тгицы.
«Рис. 90. Горизонтальная проекция
крыла в машущем полете
1.	Последовательное сближение и
распластывание крыльев при взмахах
(рис. 90) вызывает поперечное
волнообразование, которое усиливает-
ся благодаря радиальному течению
воздуха (41) по размаху крыла (рис.
42).
2.	Вслед за движением крыла рас-
пространяется продольная волна.
Повидимому, сбегающие вихри
распадаются вблизи крыла вследствие
эластичности его перьев (рис. 91). В
крайних положениях мануса по траек-
тории движения сбегает двойная
87
Рис. 91. Распад вихрей за средней областью крыла
88
вихревая дорожка, также быстро распадающаяся вблизи крыла.
3.	В результате этого происходит сложение поперечных и продоль-
ных волн в виде результирующей волны, отходящей из средней зоны
крыла, на границе обдува лучевым предкрылком (рис. 92).
Манус крыла дает собственное волнообразование, усиливающее
действие средней зоны крыла. Это представление об изолированном
действии концевого отдела крыльев имеет подтверждение в устройстве
лентовидных крыльев вымпелевого козодоя (рис. 93). Далеко отходя-
щие за крыло ленты облегчают сход вихрей из средней зоны крыла;
перья мануса находятся за его пределами.
Наши соображения о значимости волнообразования за крылом пти-
цы находят авторитетные подтверждения в работе «О крылатых пропел-
лерах» Н. Е. Жуковского1. Он говорит следующее:
«Перемещение птиц в воздухе под действием внутренних сил будет
нами только тогда вполне выяснено, когда будет обстоятельно изучен
фундаментальный фактор этого перемещения — воздушная волна».
Подобием волнообразования за крылом птиц является хорошо
изученное проф. В. В. Шулейкиным движение угрей и хвоста рыб 2.
По их телу от головы к хвосту пробегает волна подобно опыту с ре-
зиновой трубкой, если один конец закрепить, а другой встряхнуть. Эта
волна вызывается не отдельными взмахами, а непрерывной работой
мышц, которые ритмически то сокращаются, то распластываются, бла-
годаря этому каждая точка тела рыбы или угря совершает колебание
влево и вправо. При этом, чем ближе к хвосту лежит соответствующая
точка, тем больше запаздывает она в своих колебаниях.
В результате от головы к хвосту бежит постоянная «твердая вол-
на» (рис. 94) и тело благодаря сопротивлению трения будет отталки-
ваться в воде и двигаться в направлении, обратном этому движению.
Самая волна оказывает давление на тело, скорость же распространения
ее должна превышать скорость поступательного движения тела.
У длиннокрылых птиц имеется аналогичный аппарат принудитель-
ного воздействия для волнообразования — это двойное маятниковое ко-
лебание крыла, переменное наполнение туннелей воздухом, разглажива-
ние их и радиальное течение воздуха. Весьма важным сходственным
1 Полное собрание сочинений Н. Е. Жуковского, том VI, 1937 г.
2 В. В Шулейкин. «Физика моря». Изд. Академии наук СССР, 1949 г.
89'
Рис. 95. Характер нарастания волн
при разных амплитудах колебания
фактором с движением хвоста рыб является амплитуда мануса, кото-
рая превышает амплитуду плечевой области. О характере нарастания
волн вдоль крыла можно судить по диаграмме (рис. 95) В. В. Шулей-
кина, вычисленной им для различных амплитуд с интервалом в 0,1 пе-
риода колебаний (время, в течение которого хвост, в нашем случае ма-
нус, сделает полный размах вверх и
вниз и обратно, пройдя через оба
крайних положения). В машущем по-
лете птиц необходимо учесть также
непрерывно действующее продольное
волнообразование от взмахов и ударов
крыла.
Сложение этих волн и дает тот
удивительный эффект тянущей силы,
которая особенно хорошо просматри-
вается в движениях стрижей, морских
чаек и альбатросов.
Теперь становится понятным, по
чему при опытах с заклеиванием
крыльев у птиц так резко понижалась
их летная способность. Ухудшение полета наступало не только вслед
ствие потери управления пограничным слоем, но и в результате того, что
исчезал аппарат поперечного волнообразования, поэтому сильно пада-
ла тяга, и полет птиц напоминал полет бабочки.
Рассматриваемая нами картина волнового потока за крылом птицы
показывает, что теория машущего крыла, осуществляющего тягу и
подъемную силу, ставит задачу отыскания связи между упругими ко-
лебаниями системы и аэродинамикой крыла, проницаемого потоком.
КИНЕМАТИКА КРЫЛА ПТИЦЫ
Движение крыла птицы полностью зависит от особенностей анато-
мического устройства.
Рассматривая связи плечевого шарнира, биология устанавливает
три вида движения крыла относительно пространственных осей
(рис. 63):
1)	ротационное движение — около поперечной оси Z—Z (на
угол х);
2)	вертикальное — с амплитудой о (взмах) (около оси Х—Х );
3)	горизонтальное — относительно оси Y—Y (на угол ф).
Ротационное движение плечевой кости осуществляет изменение угла
атаки, переводя его из положительного значения на отрицательное. Наи
больший угол поворота у чайки составляет: /=40°, у голубя/-=30°
у воробьиных птиц значительно меньше. Этот вид вращения крыла
90
в орнитологии называется пронацией и супинацией соответственно убы-
ванию или возрастанию угла атаки.
Изменение же угла может быть плавным и происходить в одном
направлении (у парителей) или же это изменение будет знакоперемен-
ным с колебаниями (при вибрационном и трепещущем полете).
Рис 96 Занос крыла чайки вперед на угол 30°
Изменение угла атаки является очень важным фактором возникно-
вения тяги и подъемной силы, как это установлено в лабораторных
опытах над колеблющимися крыльями насекомых.
Вертикальное перемещение — это колебания крыла в пределах
— 110 — 140° при полном взмахе всей поверхности.
Третий вид вращения в плечевом шарнире осуществляется приве-
дением и отведением плеча в горизонтальной плоскости на угол ф,
когда птица складывает крыло, прижимая его к корпусу или распрям-
ляет его, изменяя стреловидность в плане. На рис. 96 виден занос кры-
ла чайки при посадке в гнездо. По нашим измерениям этот угол соста-
вляет 30°.
Ограничение движений плеча достигается особыми связками или
сухожилиями:
1)	связками, ограничивающими отведение плеча вперед (Ligamen-
tum scapulo humerale);
2)	связками (Li), ограничивающими подъем плеча и супинацию
его, т. е. увеличение угла атаки (Ligamentum coraco humerale);
91
Рис. 97. Маятниковое движение мануса при посадке голубя
3)	связками (La), ограничивающими пронацию плеча, т. е. умень-
шение угла атаки (Ligamentum acrocoraco humerale).
Для более сильной пронации и супинации, в целях увеличения из-
менения угла атаки, принимает участие и само туловище.
При помощи брюшной мускулатуры заднего отдела достигается
опускание туловища, что влечет супинацию, при опускании же передне-
го конца — пронацию. Таким образом, весь корпус принимает участие
в движении крыла.
Рассматривая пространственное положение крыла, мы приходим к
выводу, что в машущем полете имеем случай колебаний двойного сфе-
рического маятника переменной длины (рис. 71,6), так как размах
крыла меняется, причем одной колеблющейся точке соответствует центр
тяжести плеча и предплечья /, а другой 2 мануса. Маятниковое
движение мануса при посадке голубя с торможениями можно просле-
дить, рассматривая кинокадры (рис. 97).
Ввиду упругой деформации перьев мануса ецо колебания будут
происходить с некоторым сдвигом фазы по отношению к колебанию
плеча, что увеличит продольное волнообразование. Изменение угла
атаки на конце крыла происходит быстрее, чем у основания.
Изменение угла за время полного колебания, определяемое поворо-
том крыла около оси Z—Z, дает диапазон углов атаки
В средней части крыла величина / меняется в пределах от —8°,
— 10° до +20°, +30°.
Колебание величины угла атаки происходит со сдвигом фаз по
отношению к изменению угла взмаха и опускания крыла.
Вращение крыла около оси Y — Y связано с изменением стрело-
видности крыла в плане (при парении стреловидность обратная с вы-
носом вперед до —5°, при скоростном полете—прямая под углом
+ 15°, +20°).
Изменение стреловидности в плане, помимо влияния на аэродина-
мику крыла, имеет влияние на положение концевых перьев мануса, так
как они становятся к потоку наклонно под углом	10—30°.
92
Для нас представляет интерес тот случай, когда в установившемся
горизонтальном полете работает концевой отдел, выполняя пропеллиру-
ющие функции, а средняя часть является несущей.
Непосредственным измерением крыла коршуна (крыло было ампу-
тировано и защемлено в плечевой области) было установлено, что при
неподвижном плече (humerus) ам-
плитуда мануса ом составляет — 5°
+35°, отрицательное значение соот-
ветствует полному раскрытию кры-
ла и положительное — сокращению
его на Ф = 20°.
Для мануса найдено' отклоне-
ние вверх от горизонтали на
18° и вниз на 27°, причем пер-
вому положению соответствует скла-
дывание веера назад на угол
Ф =20° и второму — полное раскры-
тие (рис. 98).
Рис. 98. Углы отклонения мануса
Случай колебания мануса мож-
но уподобить движению сферическо-
го маятника, совершающего квазигармонические колебания
Рассмотренные нами положения могут дать некоторый материал
для построения теории машущего полета и экспериментов с летающими
моделями.
ТЕОРИЯ ПРОПУЛЬСИВНЫХ ВИХРЕЙ ПРОФ. В. В. ГОЛУБЕВА
Как известно, на основании знаменитой теоремы Н. Е. Жуковского
(рис. 99) подъемная сила крыла выражается в виде уравнения:
r=JPJ7Z,
где J — циркуляция скорости по контуру профиля (j,
р - плотность (кгм - А/сек?),
V —скорость полета (м/сек),
I — размах (м).
По теории Н. Е. Жуковского крыло самолета может быть заменено
системой вихревой пелены (рис. 100). Эта пелена неустойчива, недале-
ко за крылом она разрывается и свертывается в два мощных вихревых
шнура по концам крыла, имеющих ту же циркуляцию скорости
(рис. 101). Действие этих вихрей выражается в отклонении потока вниз
со скоростью U, называемой индуктивной скоростью (рис. 102).
1 Так называются колеблющиеся системы, у которых коэфициент упругости зави-
сит от времени.
93
Причина подъемной силы может быть объяснена как следствие от-
броса потока вниз со скоростью индукции U, По теореме количества
движения величина ее равна массе набегающего потока, помноженной
Рис. 99. Циркуляционное течение
скорости по контору крыла
Рис. 100. Свертывание вихревой пелены
Рис. 101. Схема П-образных вихрей	Рис. 102. Образование силы индук-
тивного сопротивления
на скорость отклонения его вниз. Так как крыло воздействует на струю
в диаметре размаха, то секундная масса	I2, V р и подъ-
емная Y = U • ms .
Для определения сил, действующих на крыло, весьма важно найти
схему движения воздуха за крылом. У крыла обычного самоле-
та такой схемой является схема с вихревыми усами.
Если крыло, имеющее малые толщину и угол атаки, совершает
очень малые колебания, как это имеет место при флаттере, то принима-
ют, что от крыла отходит плоская вихревая пелена.
Однако амплитуда колебания и угол атаки крыла птицы, как мы
уже установили, не являются весьма малыми и поэтому схема вихре-
вой пелены не пригодна для построения теории машущего крыла.
Для построения этой теории при любых предположениях о величи-
нах амплитуды колебания, угла атаки и толщины профиля советский
ученый В. В. Голубев1 принял схему вихревой дорожки. Эта схема пред-
полагает, что в крайних положениях крыла, производящего возвратно-
поступательные колебания с одинаковой скоростью опускания и подня-
тия, от него отделяются, дискретные вихри, образующие вихревую до-
рожку. В период перехода крыла из одного крайнего положения в дру-
гое в пограничном слое происходит образование и «созревание» этих
вихрей. На рис. 103 помещена схема такой дорожки.
1 В. В. Голубев. «Механизм образования тяги машущего крыла». ВВИЛ
им. Н. Е. Жуковского, 1946 г. Труды ’научно-технической конференции 1944 г., т. III
94
Если в канале на плохо обтекаемое тело набегает поток жидкости,
то от тела периодически отрываются вихри, образующие за ним хоро-
шо видимую (если поверхность жидкости посыпана порошком талька)
дорожку, называемую дорожкой Кармана. На рис. 104 помещена схе-
ма такой дорожки.
Мы видим, что вихревая дорожка за машущим крылом, принятая в
схеме В. В. Голубева, и вихревая дорожка Кармана за плохо обтекае-
Рис. 103. Схема пропульсивных вихрей В. В. Голубева
Рис. 104. Схема вихрей Кармана
мым телом отличаются лишь направлением вращения вихрей. Карма-
новская вихревая дорожка создает за телом течение U жидкости, на-
правленное в сторону движения тела, вследствие чего на тело будет
действовать реактивная сила в противоположном направлении- Эта си-
ла называется лобовым сопротивлением тела (сопротивление формы).
Вихревая дорожка за машущим крылом (рис. 103) создает течение
жидкости (воздуха) в направлении, противоположном направлению по-
ступательного движения крыла, и приводит к реактивной силе, действую-
щей на крыло в направлении этого движения, т. е. дает тягу крыла.
Следовательно, энергия, затрачиваемая на создание обычным кры-
лом вихрей дорожки Кармана, создает лобовое сопротивление (сопро-
тивление формы). В случае машущего крыла эта энергия идет на соз-
дание тяги.
В свою теорию В. В. Голубев вводит упрощающее положение, что
непрерывная вихревая пелена заменяется действием пограничного слоя
крыла или влиянием вязкости.
Рассмотрение вихревых дорожек В. В. Голубева, отходящих в
крайних положениях крыла, позволяет решить задачи о машущем кры-
ле при любых размерах его, различных величинах взмаха и удара.
В результате можно определить подъемную силу Y и силу тяги
или сопротивления X по формулам:	рУГ, здесь буквой Г обозна-
чена циркуляция:
Г=—izb Vcosa cosO—sin В— ,
L
95’
сила тяги
Х=0,94 pfecos о I/ (Hsin 8 -4 wcosS) [ V + 1,2 w],
где b — средняя хорда (в м),
а и В- —углы атаки, приведенные на схеме (рис. 39),
и и w —скорости опускания и подъема,
а и 8 — полусумма и полуразность углов:
Р1+и2	И1— 1Х2
2	’	2	’
?i— ~2 и р-2=	Н2.
В последней формуле выбран определенный режим колебания, за-
висящий от скорости полета:
ширина дорожек h n OQ1
период колебания I ’
При этом условии вихревые дорожки будут устойчивыми.
Уравнение сопротивления или тяги позволяет объяснить стояние
на месте кобчика, пустельги или колибри. Если ввести в уравнение
I/ — 0, то может быть вычислена тяга. Птица переключает тягу на
подъемную силу. Чтобы птица могла лететь, не опускаясь вниз, у нее
должен быть некоторый запас подъемной силы, т. е. угол атаки должен
быть меньше того угла, при котором она стоит.
В рассматриваемой теории В. В. Голубева впервые установлена ма-
тематическая зависимость между интенсивностью (циркуляцией) сбега-
ющих вихрей в машущем полете и образованием тяги.
В пользу этой теории говорит ряд известных фактов получения дви-
жения в результате вихреобразования. Так, при работе кормовым вес-
лом у рыбачьих лодок позади их образуется типичная двойная вихре-
вая дорожка с шахматным расположением вихрей и с направлением
их вращения, противоположным тому, которое имеет место в дорожках
Кармана.
Наконец, чрезвычайно близко к работе кормового весла стоит ме-
ханизм образования силы тяги при работе хвоста рыб. Движение хво-
ста рыб заставляет сходить вихри только при наибольшем отклонении
хвоста.
По гидродинамической теории В. В. Голубева эти вихри, уносящие
с собой некоторое количество движения жидкости, и вызывают образо-
вание пропульсивной силы.
Наличие двойной вихревой дорожки за колеблющимся крылом
было подтверждено опытами инж. Я. Е. Полонского в гидроканале
ИССЛЕДОВАНИЯ Я- Е. ПОЛОНСКОГО ВИХРЕВЫХ ДОРОЖЕК
ЗА МАШУЩИМ КРЫЛОМ
На рис. 105 помещена схема установки Я. Е. Полонского для экспе-
римента с машущим крылом-
Крыловой профиль 7, совершая поперечные колебания, двигался
поступательно вместе с тележкой вдоль канала. Конструкция тележки
96
давала возможность менять величину поступательной скорости крыла,
амплитуды колебания и иметь различные отношения скоростей опуска-
ния и поднятия крыла. При экспериментах наблюдалось следующее:
1.	В крайних положениях крыла, т. е. в моменты перехода от опу-
скания к поднятию или от поднятия к опусканию, от него отделялись
вихри взаимно противоположного направления вращения.
Рис. 105. Установка для эксперимента с машущим крылом: 1 — газотронный выпря-
митель; 2 —мотор с редуктором; 3— съемный редуктор с кулачком; 4 — подвижная
рамка с роликом; 5 —пружина; 6 — направляющие рамки; 7 — державка с кры-
лом; ведущий шкив; 9 — ведомый шкив тележки; 10 — рама тележки;
// — рельсы; 12— лоток с визирными линиями; 13 — фотоаппарат
2.	После отделения вихря в одном крайнем положении крыла в
процессе перехода к другому крайнему положению происходило отчет-
ливо видимое нарастание завихренности жидкости на задней кромке
крыла.
3.	При равномерных колебаниях крыла отходящие вихри образуют
за крылом шахматную дорожку, ось которой параллельна направлению
поступательной скорости (т. е. визирным линиям лотка). При этом вих-
ри дорожки перемещались в направлении, противоположном направле-
нию поступательной скорости крыла. Ниже помещены фотографии та-
ких дорожек (рис. 106).
4.	При неравномерных колебаниях крыла отделяющиеся от него
вихри образуют дорожку, ось которой составляет некоторый угол с на-
правлением поступательной скорости. Дорожку отклоняется в сторону
Виноградов
97
Рис 106 Спектр вихревой зопоакч В В Голубева за машущим кры-
лом при равномерных взмахах
Рис. 107. Спектр вихревой дорожки при неравномерных взмахах
большей скорости движения крыла. Ниже помещена фотография такой
«косой» дорожки (рис. 107).
5.	Вихри «косых» дорожек не имеют шахматного расположения
При отклонении дорожки вниз от направления поступательной скоро-
сти вихри верхнего ряда смещены несколько влево относительно шах-
матного расположения; при отклонении дорожки вверх — вихри верх
него ряда сдвинуты несколько вправо.
Таким образом, эксперимент полностью подтверждает гипотезы, по
ложенные В. В. Голубевым в основу теории машущего крыла.
В рассматриваемом эксперименте впервые были обнаружены «ко
сые» вихревые дорожки, т. е. дорожки, ось которых не совпадает <
направлением общего поступательного движения. Предположение о су
ществовании таких дорожек было высказано В. В. Голубевым в докла
де на сессии Академии наук в январе 1946 г.
В работе Я. Е. Полонского разработана кинематика и динамика
неравномерно машущего* крыла. Получена формула для угла а от
98
клонения дорожки от направления общего поступательного движения:
W су h
V Z /
2 4
колебания, равная отношению
Sin ~УГ21Г] ~
1	К 1
tgO. =-----7Т-Ц 
с 9лЛ
I
где к—характеристика неравномерности
времени поднятия крыла Тп
к времени его опускания
Тп
Т„ t к — и — сред-
няя скорость взмаха.
_> h.
Величина -,----отноше-
ние амплитуды колебания к
расстоянию между вихря-
ми — определяется кинема-
тикой движения крыла.
Выведенные Я. Е. По-
лонским формулы для подъ-
емной силы и тяги машуще-
го крыла приведены к обыч-
ному в аэродинамике виду:
силы в
Рис 108. Коэфициент подъемной
зависимости от величины К
pV2 e
2
причем все особенности, ко-
торые вносят с собой взма-
хи крыла, включаются в коэ-
фициенты Ср и С г . Оказы-
вается, что1 эти величины су-
щественным образом зави-
сят от характеристики не-
равномерности колебания К
(рис. 108 и 109).
Нужно иметь в виду,
что в рассмотренных рабо-
тах предполагается плоско-
параллельное течение, т. е.
не учитывается влияние ко-
нечности размаха крыла.
Полученные результаты име-
ют первостепенное
для разработки
аэродинамического
орнитоптера.
Г=Ст
w
?_ v
1,1
значение
методов
расчета
to
Of
Of
Of- If
Of
Of
Of
Of
Of
Of-
01- ot
Of—Л____!__L—U
0 Of5 Of 0,70 to
- Of
4
2f
W
V
Of
0,7
Of
0,9
10
1,1
Рис. 109. Коэфициент тяги в зависимости от К

~ Of

99
ГЛАВА X
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРЫЛЬЕВ ПТИЦ
ОПЫТЫ С МОДЕЛЯМИ птиц
Исследования крыла птицы, произведенные аэродинамиками сов-
местно с орнитологами, показывают, что крыло птицы частично отбра-
сывает поток, создавая определенное количество движения, и частично
пропускает его. Можно считать достоверно установленным: 1) отсутст-
вие герметичности структуры крыла птицы и наличие проницания его
потоком; 2) использование птицей эластичности перьев; 3) применение
крыла в качестве сдвоенного парашюта; 4) управление птицей погра-
ничным слоем своего крыла и 5) как следствие вышеуказанного, устой -
чивость, управляемость и маневренность в пределах, не достижимых
для самолета и планера.
Изучение птиц в полете имеет большое значение для развития аэро-
динамики малых скоростей. В процессе работы и опытов в этой обла-
сти могут быть открыты и другие свойства, применение которых для
авиации создаст новые возможности.
Для определения количественных показателей сложной физической
схемы крыла необходимо проведение различных опытов в аэродинами-
ческой трубе- Во-первых, проверка всех открытых эффектов в стацио-
нарном потоке в опытах с моделями птицы и, во-вторых, получение ха-
рактеристик модели той же
Рис. НО. Модель чайки, испытанной в трубе
птицы при частичной или пол-
ной подвижности крыла.
До сего времени применя-
лись два способа при проведе-
нии аэродинамических испыта-
ний крыльев птиц: первый
предложенный Марэем, отно-
сится к испытаниям на рота-
тивной машине и описан нами
в главе III1; второй способ за-
ключается в исследовании в
трубе сплошной модели птицы
точно скопированной со своего
оригинала в целях проверки
качества внешней формы пти-
1 Этот же метод применялся в 1926 г. Г. Лилиенталем для изучения крыль
фрегата.
100
цы. Последний способ был применен также в 1944 г. при продувке мо-
дели чайки (рис. ПО). Результаты продувок показаны на диаграммах
(рис. 111 и 112).
Модель чайки была сделана из гипса, армированного проволокой,
задняя часть была выполнена из картона. Геометрические размеры мо-
Су \
Гб-
\5 -
1,4 “
(/-
1,2-
14'1
-о:в
чм
Голо fa Ns 1; Re=84700
Голова Ns Z;Re=84700
Голова NsZ;Re=120000
Голова NsZ;Re=18820

1.0
0,9
0,8
0,7
0.6
0.5
0.4
0.3
о.г
o.i
Д7

п .................7-z~, , ft
О 0,04 0,08 0,12 0,16 0.20 0,24
Г Г 2° 0° 23 4° 0° 8° 10° 12? 14916'16'а
Рис. 112. Диаграмма коэфициентов Су и С5
модели чайки
Рис. 111. Поляра модели чайки при раз-
личных Рейнольдсах
1.2\0,12
1,1 0.11
•о—%
ь
1.0 -0.10^^^.-
0,3-0.09
0,8-0,08
С -fife)
0,7-0,07
______i_i____।_।___।__।__।___।_।___।__।... ।_»
0,05-10s	0,710s	0,15-Ю} Не
Рис. 114. Два варианта очертания
носа чайки. Нос 2 наиболее благоприят-
ный, с плавным переходом к туловищу
Рис. 113. Влияние числа Re на коэфициент
сопротивления и подъемной силы
дели были следующие: размах L=0,9 м, площадь крыльев 8=0,017 м2,
средняя хорда b =0,0916 м, длина корпуса I =0,345 м, удлинение
Х=9,8.
Коэфициенты Су и Сх определялись для различных чисел Re=0, 1 • 106
до 1 - Ю6 (рис. 113).
101
Из продувок следует, что величина подъемной силы сохраняет свое
значение постоянным от 8° до 14°. Чайка летает при числах Re, боль-
ших 100 000. Диаграмма продувок дана для двух значений Re=
= 120 000 и Re = 84 700.
Рис. 115. Граница ламинарности по ниж-
ней поверхности Re =120 000
При больших значениях Re
для моделей с различным очерта-
нием носа (рис. 114) в таблице
11 приведены углы пологого пла-
нирования s и коэфициенты с у.
Наряду с количественными изме-
рениями были проведены продув-
ки для установления границы ла-
минарного потока.
На рис. 115 приведены гра-
ницы ламинарного потока для
Re = 120 000 на верхней и ниж-
ней поверхности крыла для раз-
личных углов атаки, а на рис.
116 — для одной верхней при
Рис 116. Граница ламинарности для верхней поверхности при Re = 84 000
Таблица 11
Модель	Ro		^У
№ 1	! 118800	!	1 :13,3	0,92
№ 1	84700	!	1 :8,6	0,77
№ 1	84900	1 :9,8	0,73
№ 2	120000	1 :13,8	0,945
№ 2	168000	i	1:14,3	0,91
102
Re = 84 000. В последнем слу-
чае ламинарный поток имеет
место в средней части до 75%
хорды и в плечевой — минимум
до 40%, причем с увеличением
угла атаки область с ламинар-
ным потоком уменьшается. На
рис. 115 видно, что ламинар-
ный поток на нижней поверх-
ности в средней ее части зани-
мает только 25% хорды, но за-
то на конце крыла, в области
мануса, занимает всю поверх-
ность.
Границы ламинарного об-
текания в средней части и
на фюзеляже показаны на
рис. 117.
Продувка сплошного кры-
ла дает лишь относительную
оценку структуры обтекающего
потока. В крыле птицы, осна-
щенном перьями,’ область ла-
минарного обтекания за счет
проницания потоком может
быть увеличена,
Рис. 117. Граница ламинарности по сечениям
фюзеляжа
Из рассмотрения результатов продувки модели чайки видно, что
они получены для жесткого крыла в случае парения. В материалах нет
указания о степени закрутки крыла, профилировании его, и, кроме того,
судя по эскизу (рис. НО), модель не воспроизводит концевой обратной
крутки мануса.
В действительности птица при наличии перьевой структуры будет
иметь иные характеристики, аэродинамика ее в общепринятом смысле
окажется хуже, но возможно в большей мере будет отвечать своему
назначению для машущего полета, нежели просто обтекаемое крыло.
ТРЕБОВАНИЯ К МОДЕЛЯМ ИСКУССТВЕННОЙ
ПТИЦЫ
После неудачных испытаний чучел птиц в трубе задача аэродина-
мических исследований крыла должна быть пересмотрена на основа-
нии предложений, рассмотренных в главах II и VI.
103
Рис. 118. Модель птицы инж. И. Н. Виноградова с целлулоидными лопатками
Рис. 119. Модель инж. И. Н. Виноградова искусственной птицы
для аэродинамических испытаний
104
Если на мертвой вороне проследить все явления нельзя, то, очевид-
но, надо проследить их на особой модели, создав такую методику испы-
тания в трубе, при которой можно было бы проверить действие мануса,
лучевого предкрылка, туннелей, парашютных отверстий, щелей и т. д.
Рис. 120. Исходная деревянная модель с металлическим предкрылком
Для более близкого подобия опытной модели крылу птицы необ-
ходимо изготовить упругие и эластичные лопатки (рис. 118). В этом
случае оценка влияния пограничного слоя может быть провере-
на сравнительной продувкой моделей с лопатками и натурными перья-
ми (рис. 119), причем исходная модель должна быть сплошной. На
рис. 120 показан общий вид модели, параметры которой выдержаны
применительно к коршуну.
Очень важным моментом испытаний является выяснение эффекта
проницания потоком крыла модели при полном открытии всех щелей,
туннелей, алюли и мануса- Оценка устойчивости модели в этом случае
и величина коэфициента сопротивления могут служить показателем ее
свойства при парашютировании.
Вторую серию испытаний в трубе должны составить опыты с мо-
делью, имеющей машущие крылья с теми же геометрическими парамет-
рами, в которой должны быть осуществлены колебания концевого отде-
ла, приводимого в движение от электромотора, заключенного в фюзе-
ляже модели. Через редуктор, трансмиссию в крыле и кривошипный ме-
ханизм вращение может быть преобразовано в колебательное движе-
ние мануса с частотой 1—1,51 сек.
Основная цель испытания этой модели — получить коэфициенты
тяги и подъемной силы в установившемся горизонтальном полете. Схе-
ма такой модели позволяет получить подъемную силу в средней непод-
вижной части крыла и тягу, создаваемую колебанием мануса.
Таким образом, модель может явиться переходной ступенью к ти-
пу летательного аппарата с машущим крылом.
105’
ОПЫТЫ С КОЛЕБАНИЕМ НЕБОЛЬШИХ КРЫЛЬЕВ
Для изучения колебания крыла в лаборатории необходимо иметь
специальную аппаратуру и измерительные устройства. Мы рассмотрим
один прибор для опытов с маленькими колеблющимися поверхностями.
Общий вид прибора и схемы представлены на рис. 121, 122 и 123.
Прибор имеет привод от электромотора через вал из стальной про-
волоки диаметром 0,2 мм, который оканчивается кривошипом 5. Пе-
редача вращения для уменьшения трения осуществлена гидравлической
связью. Испытуемое крылышко из бальзы эллипсовидного очертания
длиной 32 мм и шириной 8 мм устанавливается на кронштейне и мон-
тируется таким образом, что через тягу 4 и 7 можно осуществить
ударную амплитуду колебаний 6 = 68° и колебание угла атаки /
в пределах от 0° до 140°.
На рис. 122 показаны шаровые шарниры 5 и 8 и тяги, создающие
колебания крыла Я и шатуны 4 и 7.
Прибор снабжен масляным демпфером и стробоскопом для измере-
ния частоты колебаний, которую можно регулировать в пределах п =
= 10, 15, 20 и 25 \/сек. Вся установка собрана на переносном штативе и
может быть помещена в потоке воздуха, создаваемого вентилятором.
F
Площадь, ометаемая пластинкой в амплитуде ?, равна и на-
Рис. 121. Прибор для испытаний
небольших машущих крыльев
Рис. 122. Монтажная схема привода к
крылу и шатунно-кривошипная схема
106
Рис. 124. Схема углов
по отношению к потоку:
F — сметаемая площадь;
о — амплитуда
Рис. 123. Схема орнитоптерного прибора и монтаж его на штативе: 1— испытуемое
крылышко вращается через валик 3, колебательную тягу 4 и через кривошип 5;
10 — стальной валик диаметром 0,2 мм вращается через масляный привод; 17 —
стеклянный цилиндр с маслом; 18 — цилиндр привода с желтыми и голубыми поло-
сами для стробоскопических наблюдений; 7 — противовес; 8 — масляный демпфер;
12 — зеркало; 13 — пружина для установки в нулевое положение при отсчете сил;
15 — ролик к приводу; 20 — рычаг регулировки прибора-
правлена к потоку под углом 6 . Угол атаки а и направление подъ-
емной силы показаны на схеме (рис. 124).
Путем поворота рычагов плоскость колебания изменялась по отно-
шению к потоку при различных вариантах углов атаки и углов направ-
ления удара (рис. 125).
Скорость V обдува при опытах менялась в пределах от 50 до
100 см/сек.
Окружная скорость модели при опытах определялась по формуле:
и = 2 s ср п, где
5 — длина крылышка (полуразмах или радиус) и п— частота Х/сек.
Особую группу испытаний представляют колебательные движения
при одновременном вращении оси стержня в пределах углов / 10°, 70°,
100° и 140°.
В результате испытаний были построены диаграммы изменений тя-
ги R's , подъемной силы к* , потребного вращательного момента /Cj
и коэфициента полезного действия t]Si.
1 Соответственно в наших коэфициентах:
4as - a, 12kj —	ка = С]^?
Са = Су, Cyj = Сх ,
107
Все кривые отнесены к выражению поступи л= так, что диа-
граммы напоминают винтовые характеристики, где и — окружная ско-
рость.
Рабочие формулы будут иметь следующий вид:
ASM
а	гт,	у-.	,	/
q • F	qF 1 qt*
где A — замеренная подъемная сила (мг),
S — тяга (мг),
М—момент (мг • см),
ри2
q — скоростной напор ——>
к. п. д. тяги: r<s =--- • /ъ
/<1
, к*
к. п. д. тяги на месте:	—г
\^к\ )
Результирующий коэфициент подъемной силы:
Са = Су = ----------------
(u3+O Fj
где F[ — площадь крыла.
Для иллюстрации приводим несколько экспериментальных диа-
грамм, полученных на этом приборе. Диаграмма (рис. 126) составлена
при отсутствии обдува (V = 0) и угле атаки (а =0°) при прямых ко-
лебаниях перпендикулярно плоскости крыла (ф ^ЭО0)1.
Рис. 125. Варианты направления плоскости колебаний и углов атаки
В этом случае возникает только тяга и притом одна и та же для
всех частот колебаний, изменявшихся в пределах:
п = 10 — 25 \)сек-
При наличии обдува перпендикулярно плоскости колебания и для
разных частот при V = 50 см)сек получена диаграмма тяги К s = f (/V
(рис. 127).
1 На рис. 126 ф = т.
108
Диаграмма (рис. 128)
составлена для скорости об-
дува V — 100 см!сек.
Из сравнения диаграмм
видно, что обдув ухудшает
характеристики. Перестраи-
вая эти диаграммы по спо:
собу винтовых характери-
стик, т. е. выражая тягу и
мощность в зависимости от
поступи 7 для разных уг-
лов 7, получим ряд кривых
(рис. 128), откуда видно,
что наименьшая тяга полу-
чается при малых углах вра-
щения X.
Для характеристики
к. п. д. при прямом ударе по-
лучены диаграммы (рис.
129). Здесь наибольший
к. п. д. будет равен 0,46 для
угла вращения 7 = 100°.
Изменение наклона пло-
скости биений или угла ф
сильно влияет на характе-
ристики колеблющегося кры-
ла', что видно из следующих
диаграмм: 1) подъемной си-
лы ==/f/J (рис. 130);
2) тяги в зависимости от уг-
ла вращения х (рис. 131) и
3) диаграммы к. п. д. —
=/(7) (рис. 132).
Последняя диаграмма
показывает, что величина
коэфициента подъемной си-
лы колеблющегося крыла не
превышает С а = 0,245 и что
наивыгоднейшая комбинация
получается при а = 20°, ф —
= 70° и /= 100°.
В результате приводит-
ся полярная диаграмма
(рис. 133) Ка -=f(Ks ), где
нанесены кривые для раз-
личных X, пунктиром на
диаграммах обозначены точ-
ки разных амплитуд вра-
щения /.
Рис. 126. Тяга при нулевом угле атаки
и прямых колебаниях крыла
Рис. 127. Тяга при обдуве, без угла атаки
и прямых ударах при различной частоте п
Рис. 128. Тяга при обдуве
со скоростью 100 см/сек
109
Следует отметить, что низ-
кие коэфициенты Са ==С у по-
лучены для малых чисел Рей-
нольдса: при пересчете на сред-
ние летные Re их значение уве-
личивается до Су = 0,55.
На основании приведенных
графиков можно оценить по-
ступательный режим, а также
режим взлета с места.
Из приведенных опытов
неясно, почему взяты столь
большие углы поворота /
Рис. 129. Коэфициент полезного
действия тяги s — f(A)
= 70— 140е. Возможно, что ис-
следователи стремились получить
от прибора все допустимые комби-
нации, не задаваясь вопросом прак-
тического использования результа-
тов. Выполнение в конструкции
больших углов х весьма затрудни-
тельно, хотя в природе такие слу-
чаи наблюдаются в полетах, напри-
мер, колибри.
Недостатком прибора является
трудность его регулировки и весьма
малые габариты и вес (19 мг) ис-
пытуемой модели.
Анализируя эту работу одно-
временно с опытами в натуру, вы-
полненными на орнитошерном при-
боре, следует отметить очень близ-
110
кую величину, получен-
ную для к. п. д., который
для эластичного крыла
равен 0,5 — 0,62.
Для проверки этой
теории была построена
также летающая модель
орнитоптера с резиномо-
тором (рис. 134), кото-
рая продержалась в воз-
духе 26 сек.
Данные этой модели
следующие: размах -
0,8 м, поверхность крыль-
ев S = 0,07 м2, вес G =
— 0,007 кг, нагрузка
р = 0,1 кг/м2, мощность
Лт =0,00035 л. с. Нагруз-
ка на л. с. = 20 кг*
Ударная амплитуда ко-
лебания крыла с? = 60°,
средний угол взлета —
18° и максимальный —
45°, средняя частота —
2,7 1/сек; средняя ско-
рость центра тяжести —
1,8 м/сек, угол а0 в корне-
вом сечении + 15°, угол
7. мануса — 5°.
При другом варианте
взято наоборот: в основа-
нии крыла —5° и на кон-
це + 17°.
В результате исследо-
ваний получено: средний
коэфициент подъемной
силы Су =0,49; средний
коэфициент лобового со-
противления Сх = о,37;
средний коэфициент тяги
ks = 0,52; средняя часто-
Рис. 132. Коэфициент полезного действия при
ф = 70° и а = 20°
Рис. 133. Зависимость Ka =^f (Ks)
для разных X и углов вращения
ns
та v = — = 0,6.
v
11?
Рис. 134. Полет моделей с полным взмахом крыла
112
Рис. 135. Диаграмма движения центра тяжести крыла и корпуса при полете
модели, полученная киносъемкой со скоростью в -эд- сек: S — полуразмах,
Z —вертикальная ось, X — горизонтальная ось
На диаграмме (рис. 135) приведены колебания центра тяжести
корпуса и крыльев модели.
РАБОТЫ СОВЕТСКИХ МОДЕЛИСТОВ ДОСАВ
В 1932—1935 гг. советскими моделистами И. Трунчеиковым и
М. Степченко самостоятельно были построены летающие модели с ма-
шущими крыльями.
В 1948 г. моделистом Б. Яковлевым под руководством инструкто-
ра-летчика Брылькова была построена улучшенная модель орнитопте-
ра той же схемы, которая демонстрировалась во время доклада профес-
сора В. В. Голубева на заседании секции машущего полета Досава
(рис. 136). В 1950 г. новая модель Б. Яковлева с машущими предкрыл-
ками продержалась в воздухе 2 мин 0,4 сек.
Всесоюзное добровольное общество содействия Авиации принима-
ет все меры к развитию нового вида летательных аппаратов.
Для успешного разрешения этой интересной проблемы необходимо
проводить систематические опыты с целью изучения полетов птиц, лабо-
раторные испытания моделей крыльев птиц в стационарном потоке ко-
леблющихся и неподвижных.
ПОЛЕТЫ ПРИ ПОМОЩИ МАШУЩИХ КРЫЛЬЕВ
Изобретателем и конструктором Б. И. Черановским в 1921 и
1934 гг. были построены два мускуллета машущего типа. В 1935 г. им
же был построен третий планер — мускуллет бипланного типа БИЧ-18
113
Рис. 136. Летающая модель орнитоптера В. Яковлева: вес — 10 г; площадь центре
плана — 3,4 дм2; площадь машущей части — 2.4 дм2; размах — 810 мм;
длина — 540 мм; амплитуда — 48°
(рис. 137). Его испытания показали несколько лучшие качества, чем
качества предыдущих планеров, однако из-за вибрации крыльев опыты
были прекращены.
В 1936 г. на планерной станции Осоавиахима в с. Трикотажное бы-
ли произведены испытания мускуллета П. И. Смирнова. Два крыла из
бамбука, обтянутые шелковой материей, надевались на особые плече-
вые поручни с ограничителями взмаха. Летчик подвешивался через ро-
лик к подвесному канату длиной 300 м и, таким образом, скользил с
горы, подмахивая крыльями. Ноги летчика выполняли роль стабилиза-
тора и руля благодаря натянутой материи между ними. Положение
Рис. 137. Планер-мускуллет конструкции Б. Н. Черановского
IH
Рис. 138. Мускуллет П. И. Смирнова
Рис. 139. Полет на планере с машущим эластичным крылом
115
корпуса летчика при скольжении по тросу было горизонтальным, так что
человек с крыльями напоминал гигантскую бабочку (рис. 138)-
С горы планерной станции летчик М. И. Чекалин совершил 13
скользящих спусков, во время которых он производил взмахи и при
этом совершенно разгружал натянутый канат и трос своей подвески.
Мускуллет показал хорошую устойчивость и управляемость.
Этот смелый опыт является своеобразной учебной тренировкой на
мускуллете и, несомненно, повторение его окажется весьма полезным
для изучения свойств машущих аппаратов.
На рис. 139 показан полет планера с машущими крыльями, совер-
шившего более 30 взлетов.
Несущая поверхность планера состояла из центроплана и пары ма-
шущих крыльев длиною в 3 м (по одной трети взмаха), приводимых в
движение мускульной силой. Благодаря ударам машущих крыльев уда-
лось достигнуть увеличения расстояния до 30% и увеличения продолжи-
тельности полета до 58% по сравнению с обычным планирующим полетом.
Мускуллет-планер с машущими концами крыльев был впервые осу-
ществлен в России в марте 1908 года летчиком А. В. Шиуковым и
испытан им в гор. Тифлисе с Махатской горы. Планер имел две плоско-
сти, на верхней плоскости по концам подвешивались машущие крылья,
которые приводились в движение ногами пилота.
ОРНИТОПТЕРНЫЙ ПРИБОР
Предварительные исследования позволили создать испытательную
установку для машущих крыльев в натуральную величину (рис. 140).
Установка представляет собой карданно-подвешенную ферму с двух-
компонентными весами для замера подъемной силы и тяги. На корот-
Рис 140. Орнитоптерный прибор для испытания машущих крыльев в натуре
116
ком плече трубчатого каркаса установлен мотор трехфазного тока в
2,2 л. с. с контргрузом, а на противоположном — машущее крыло с при-
водом. Передаточное число между приводом машущих крыльев и мо-
тором могло изменяться от 20,3 до 14,15. С помощью этих двух ступе-
ней достигалось увеличение числа ударов машущих крыльев с 30 до
60 в минуту. Для того, чтобы изменять направление удара машущих
ДеистDue везВиишых сил
48 4Z ЧЧ 46 48 50
п"лшн
Рис. 141. Диаграмма испытания широких и узких крыльев
чо чг чч чб 48f
п мин
крыльев, механизм крыльев присоединялся к плечу весов при помо-
щи специального шарнира. Для замера подъемной силы были приме-
нены обычные пружинные весы, а для замера тяги и давления вет-
ра были сконструированы специальные пружинные весы. Мощность
и число ударов машущих крыльев измерялись с помощью высо-
кочувствительных и особо защищенных от атмосферных влияний изме-
рительных приборов.
На планерной станции было проведено до 700 отдельных испыта-
ний при силе ветра от 4 до 12 м!сек.
Для эксперимента применялись эластичные крылья длиной около
3 м различных профилей с углами закрутки у основания до 12°. Из
опытов было найдено, что машущие крылья с широкой поверхностью
дают наилучший эффект, нежели длинные, узкие, как это видно из
диаграммы (рис. 141).
Испытанные машущие крылья имели следующие данные: длина
крыла 2,950 и, ширина — 960 мм, площадь — 2,2 м2, амплитуда — 72*,
при движении вверх на 30° и вниз до 42° направления удара у = 70°.
Наилучшие показатели в одном из опытов: подъемная сила У = 64 кг,
Y 64
сила тяги 7=7,5 кг при нагрузке -~-=	14,5 кг/м2, средней скоро-
2 S п „ _о .
сти на конце крыла и =	= 6,78 м/сек, где S — длина дуги и п =
= 54 \/мин.
Крылья при взмахе вверх автоматически устанавливались в поло-
жение минимального лобового сопротивления.
117
1
I
“1
У
W-i
la
30-
zo\s/a
10
Y“30‘
t’72‘
T
«Гп
kt
л- 30-
л- T^80'
20-Sla^
3
'1$^^',	..................
«7 W « V «7 10 ‘ <Г «f W 47 «7 «pO ' «? W W W » «7 W
fam giapoB и мщ-
Y-70‘
<n. I
рис. 142. Подъемная сила и тяга в зависимости от частоты
1
п при разных углах наклона
В процессе колебания крылья выполняли управляемые ударные и
поворотные движения, т. е. одновременно изменялись углы 8 и /,
в крайних положениях имелись ограничители хода. В фазах подъема и
опускания крыла угол атаки был положительным.
Механизм допускал перестановку машущих крыльев для измене
ния направления удара (угол у). График (рис. 142) показывает влия-
ние этого угла на увеличение силы тяги и уменьшение подъемной силы.
В опыте этот угол изменялся от 70° до 105°, в последнем случае созда-
валась отрицательная тяга, или торможение скорости.
Рис. 143. Вид орнитоптерной установки со стороны электромотора и рычага
для замера тяги
118
Было установлено, что при скорости обдува ветром (V = 8 м/сек)
•подъемная сила при взмахе положительна. Это объясняется тем, чт«
процессы обтекания и сила давления на эластичных машущих крыльях
иные, чем у обычных.
Мощность, необходимая для движения машущих крыльев, опреде-
лялась тормозным динамометром (рис. 143). Учитывая все потери (те-
пловые, электрические, на трение в подшипниках и в трансмиссии),
установили, что при полной нагрузке к. п. д. машущих крыльев соста-
вляет около 60%, максимальное же его значение достигает 0,67. Дан-
ные испытаний и к. п. д. приведены в таблице 12.
Таблица 1
Испытания машущего крыла							Испытание при торможении			
V мсек	п 1	Y	Т	Общая затраченная энергия		Число оборотов тормозн. диска	На- груз- ка Q	Полез- ная энер- гия кры- ла л. с.	к. п.
	мин			вт	I Л. с.				г.
s—9 ।	1 34,5	26	2,25	580	0,79	Г/0	1,0	0,3	0.3S
6	40	37,5	2,5	610	0,83	208	1,9	0,4	0,48
7—8	42	43	3,5	620	0,84	215	2,0	0,43	0,51
7—8	43,5	43	4	650	0,88	223	2,2	0,49	0,55
7	44,5	45	4	705	0,96	230	2,3	0,53	0,55
7	46	49	4,5	730	0,99	238	2,6	0,62	0,62
9-10	47,5	49,5	5	785	1,07	241	2,8	0,67	0,625
На основании отчетных материалов можно считать, что вся уста-
новка не обладала достаточной чувствительностью, так как при малых
изменениях установочного угла от 2° до 10° не было обнаружено каких-
либо изменений воздушных сил.
Кроме того, недостатком механизма являлось движение, противо-
положное крылу птицы, а именно: сверху — спереди, назад — вниз, что
при встречном потоке явно невыгодно. Все же полученный материал
весьма показателен с качественной стороны и может быть использован
для ориентировочных расчетов орнитоптера.
ГЛАВА XI
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ КРЫЛЬЕВ
ПТИЦ
Совместные усилия аэродинамиков и орнитологов привели к откры-
тиям новых свойств крыла птиц, которые заставляют нас пересмотреть
как физические, так и теоретические основы машущего полета. Совер-
шенно очевидно, что схема простого обтекания крыла птицы не объясня-
ет ни высокой экономичности, ни совершенной управляемости и устой-
чивости их в полете.
Необходимо пересмотреть всю проблему с точки зрения проницае-
мости крыла и приспособительного нарушения обтекаемости.
Поведение подобного крыла в потоке воздуха представляет совер-
шенно новую научную проблему. Из приведенного анализа работы кры-
ла следует, что представляет интерес разрешение следующих задач:
1) усовершенствование крыла планера и самолета;
2) замена винта машущим крылом.
На протяжении всей истории планеризма мы встречаемся с много-
численными попытками воспроизвести внешние формы птиц.
В Советском Союзе по образцу чайки были построены планеры
конструкции инж. Д. Н. Колесникова (ДК-3, ДК-4) и планер летчика
А. М. Кузакова, имеющий в плане очертание орла. При сравнении ха-
рактеристик этих планеров и их достижений не видно большой разни-
цы с другими рекордными планерами обычных схем. Наоборот, можно
указать, что глубоко вогнутый профиль в основании крыла планера
без эластичного концевого обтекателя ухудшал полетные свойства пла-
нера, поэтому на нем рекордов не было установлено.
Не перечисляя всех возможных путей в этом направлении, можно
указать на следующие радикальные преобразования, вполне достижи-
мые при современных технических средствах.
1)	Применение туннелей для внутреннего торможения потока и
для создания моментов при управлении.
2)	Превращение планера или самолета в парашют.
3)	Применение крыльев, вращающихся относительно оси фюзеляжа.
В случае решения первого вопроса создаются новые благоприят-
ные условия для управления бесхвостыми самолетами, разрешение
второго сделает возможной посадку на любую площадку в случае оста-
новки мотора.
120
Увеличение посадочного угла атаки крыла выгодно для уменьше-
ния скорости при посадке. Можно предполагать, что осуществление
птичьих методов управления пограничным слоем откроет большие пер-
спективы для усовершенствования летательных аппаратов.
ЦЕЛЕСООБРАЗНА ЛИ ЗАМЕНА ВИНТА МАШУЩИМ КРЫЛОМ
Если произвести расчет энерговооруженности птиц и самолета по
G
формуле В. С. Пышнова	> то оказывается, что птицы
для своего полета затрачивают на единицу веса в несколько раз мень-
ше энергии, чем самые совершенные самолеты.
Из приведенной сравнительной таблицы 13 видно, что нагрузка на*
одну лошадиную силу у птиц больше, чем у самолета в 4—16 раз-
При переходе к моторному орнитоптеру можно принять средний,
хоэфициент полезного действия машущего крыла — 0,8, для редукто-
ра— 0,85 и для трансмиссии—0,95, т. е. наибольший эффективный
к. п. ,д. всего устройства будет равен 0,60.
При осуществлении орнитоптера с крылом по новой схеме мы мо-
жем допустить среднюю удельную нагрузку на единицу мощности (ог
20 до 25 кг/л. с.), т. е. повысить экономичность транспортных самолетов.
Таблица 13-
Самолеты
кг Л. с.
Птицы
кг/л. с.
Истребитель ....................
Транспортный....................
Транспортный с перегрузкой . . . .
Рекордный на дальность..........
Самолет для связи ..............
6
8,5
10
12
8,6
Ласточка.............
Грач.................
Лебедь...............
Чайка ...............
Аист черный..........
Коршун...............
30
34
37
81
42
67—95
При данном состоянии техники вполне возможна постройка легких,
и небольших орнитоптеров для транспорта, связи и спортивных целей.
Конечно, здесь не ставится вопрос о прямом подражании птицам.
Обычно при переходе от моделей к натуре или от малых летатель-
ных аппаратов к большим конструктору приходится иметь дело с мас-
штабным эффектом. В действительности не всегда оказывается возмож-
121
шым сохранить подобие прочности, веса конструкций, силовых и кине-
матических соотношений1.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОРНИТОПТЕРУ
Достижения аэродинамики за последние 30 лет сопровождались
столь быстрым прогрессом самолетостроения, что- буквально на глазах
одного поколения людей самолетостроение приобрело огромное значе-
ние для хозяйственной жизни и обороны страны.
Совсем другое положение мы видим в области развития маш)щего
полета.
Несмотря на ряд упорных попыток многих изобретателей, полег на
орнитоптере осуществить до сих пор не удалось.
К основным причинам этого обстоятельства должны быть отнесены:
а) недостаточное уяснение принципа работы колеблющегося крыла;
б) недостаточная разработка вопросов, связанных с управлением и
устойчивостью.
В большинстве построенных аппаратов применялись жесткие и не-
проницаемые крылья, на движение которых затрачивалось при управ-
лении и взмахах большое усилие, в результате коэфициент полезного
действия их оказывался очень низким.
В кинематике машущих элементов допускались очень сложные ви-
ды траектории движений (восьмерки, лемнискаты и т. д.), однако не
учитывались самые главные параметры, как то: изменение угла атаки
и ударной амплитуды колебания.
Как теперь известно, движение концевого отдела крыла (мануса)
у птиц обгоняет движение средней части, т. е. конец крыла движется
с большим ускорением и имеет при спускании крыла, кроме основных
угловых смещений (о и /), также смещение по горизонтали (ф).
Пренебрегая этими параметрами, невозможно добиться высокого
к. п. д. тяги в колеблющейся части крыла.
Причиной, тормозящей развитие орнитоптера, является также не-
соответствие авиационного двигателя новым условиям работы. Много-
оборотный двигатель требует применения редуктора с большим переда-
точным числом; кроме того, возникают конструктивные трудности урав-
новешивания больших колеблющихся поверхностей, движущихся воз-
вратно-поступательно.
Мотор для орнитоптера должен быть органически связан с его
конструкцией. Этому условию более удовлетворяют паровые и пневма-
тические двигатели.
При передаче движения сжатым воздухом по гибким шлангам
устраняется трансмиссия к машущим элементам и может быть достиг-
нута большая гибкость в управлении ими.
1 Первый закон подобия ограничивает конструктивный вес, так как в больших
сооружениях он растет пропорционально кубу линейных размеров, поэтому с увели-
чением веса надо уменьшать запас прочности и применять материалы с большой
удельной прочностью.
По второму закону масштабов с увеличением размеров относительная мощность
уменьшается, что вытекает из вышеприведенной формулы В. С. Пышнова для
энерговооруженности летательного прибора.
122
ВЕРОЯТНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ ОРНИТОПТЕРА
Для создания аппаратов машущего полета нельзя ограничиваться.
$<ак мы видели, одним изучением механизма колебания. Вопросы
аэродинамики, управления и устойчивости должны быть разработаны
комплексно и одновременно. На основе изучения полета птиц и анали-
за всего изложенного материала можно сформулировать основные тех-
Рис. 144. Схемы орнитоптеров
нические требования к аппарату с машущими крыльями и наметить не-
сколько схем, удовлетворяющих этим требованиям.
От всякого летательного аппарата машущего типа необходимо тре-
бовать следующее:
1.	Летательный аппарат должен обладать свойствами планера и
парашюта.
2.	Крыло должно быть умеренно эластичным с управляемым не-
граничным слоем.
3.	Крыло должно иметь принудительное вращение около двух или
трех пространственных осей.
4.	Конец крыла должен двигаться по синусоидальной траектории.
5.	Мотор должен соответствовать кинематике и динамике машущих
крыльев.
6.	Прибор должен развивать тягу при подъеме от 0,75 до 1,5 крат
веса машины.
7.	Для уменьшения пробега необходимо катапультное шасси-
Отсюда намечаются следующие три монопланные схемы орнитоп-
тера (рис. 144 — А, Б, В) и две бипланные (рис. 144 — Г, Д).
Схема А — с раздельными функциями крыла — имеет несущий
центроплан и пропеллирующий конец крыла.
Схема Б — с полным взмахом всей поверхности крыла.
Схема В — двухмаятниковая, в которой вершина крыла (манус)
имеет сдвиг фаз колебания по отношению к плечевой области.
Схема Г — бипланная, типа ножниц, движущихся навстречу, «а
сдвигом фаз колебаний.
Схема Д — тандемно-уступная со сдвигом фаз колебаний.
12$
Особенностью последней схемы является разделение несущих и
пропеллирующих функций, как у стрекозы.
Не следует думать, что указанные схемы исчерпывают все варианты
летательных аппаратов с машущими крыльями.
Несомненно, могут быть предложены и другие рациональные схе<
мы для разрешения этой трудной проблемы.
В конце концов человечество овладеет той совершенной техникой,
которая заложена в гибком крыле птицы, и в результате осуществит ле-
тательный аппарат более экономичный и безопасный, нежели самолет
и геликоптер.
ЛИТЕРАТУРА
1.	В. Т. Горощенко и Д. В. Халезов— «К вопросу о максимальной скорости само-
лета». Оборонгиз. 1940 г.
2.	М. К. Тихонравов — «Полет птиц и машины с машущими крыльями». ОНТИ.
1937 г.
3.	Б. Н. Юрьев и П. Б. Лесникова — «Аэродинамические исследования». Изд.
ЦАГИ. 1928 г. № 221.
4.	Н. Е. Жуковский — «О парении птиц». Труды отделения физических наук
О. Л. Е., т. IV, выпуск 2, 1892 г.
5.	Д-р Арендт — «Полет птиц». Симферополь. 1898 г.
6.	Е. П. Смирнов — «Новый принцип механики и динамики летания». Москва. Изд.
«Новый мир». 1922 г.
7.	В. Ф. Савельев — «Основы экономического полета». Журнал «Самолет» № 10
за 1936 г.
8.	Н. А. Гладков — «Полеты в природе». 1948 г. Московское общество испыта-
телен» природы.
9.	Г. С. Шестакова—«Полет птиц». Научная диссертация.	Труды Академии
наук СССР.
10.	В. В. Голубев — «Тяга машущего крыла». Известия Академии наук № 5. От-
деление технических наук. 1945 г.
11.	В. В. Голубев — «Механизм образования тяги машущего крыла». Труды научной
конференции 1944 г. ВВИА.
12.	С. А. Чаплыгин — «Теория решетчатых крыльев». 1914 г.
13.	О. Лилиенталь — «Полет птиц, как основа искусства летания». 1905 г. С.-Пе-
тербург.
14.	Н. А. Гладков —«О некоторых аэродинамических свойствах птиц». Бюллетень
Московского общества испытателей природы 1946 г.
15.	О. Хейнрот — «Из жизни птиц». Перевод с немецкого. 1947 г. Московское об-
щество испытателей природы.
16.	С. Н. Шишкин — «О прочности крыльев птиц». Труды ЦАГИ № 258.
17.	В. В. Шулейкин — «Физика моря». Академия наук СССР. 1949 г.
18.	И. К. Костенко — «Бесхвостые самолеты». БИТ. ЦАГИ. 1946 г.
19.	Б. Н. Юрьев — «Экспериментальная аэродинамика». ОНТК. 1936 г.
20.	А. В. Столбов — «Самолетостроение последних лет». Оборонгиз. 1940 г.
21.	М. К. Тихонравов — «Полет посредством машущих крыльев». Журнал «Само-
лет» № 1 за 1935 г. и № 5 за 1938 г.
22.	Г. Шмелев — «Резонансный полет». Журнал «Самолет» № 4 за 1925 г.
23.	С. П. Тимошенко — «Теория колебаний в инженерном деле». ОНТИ. 1938 г.
24.	Н. Е. Жуковский — «О парении птиц». 1891 г.
25.	Н. Е. Жуковский — «К теории парения». 1890 г.
26.	Н. А. Закс — «Основы экспериментальной аэродинамики». ВВИА им. Жуков-
ского. 1948 г.
_27. С. С. Туров — «Перелеты птиц». 1948 г. Московское общество испытателей при-
роды.
Г25
28.	И. А. Черемных, И. Ф. Шипилов — «Можайский — создатель первого в мире са-
молета». Оборонгиз. 1949 г.
29.	И. Н. Виноградов — «Проектирование легких самолетов». Журнал «Самолет»
№№ 10—12 за 1937 г.
30.	Д. Кузьменко, Б. Висленев — «Теория авиации». Военгиз. 1936 г.
31.	Журнал «Воздухоплавание». 1880 г. №№ 2—4.
32.	И. Н. Виноградов — Учебник «Конструкция и расчет самолета на прочность».
ОНТИ. 1935 г.
33.	С. Гольдштейн — «Современное состояние гидродинамики вязкой жидкости».
Т. I и II, перевод с английского под ред. проф. Н. Я. Фабриканта. 1948 г.
34.	Будиг — «Применение несимметричного обдува у самолета с машущим крылом».
Перевод с французского. ВВП А им. Жуковского за № 1237. 1948 г.
35.	Н. А. Гладков — «Биология полета птиц». 1950 г. Московское общество испы-
тателей природы.
36.	В. В. Голубев — «Лекции по теории крыла». Гостехиздат. 1949 г.
37.	А. С. Кравец—«Характеристики авиационных профилей». Оборонгиз. 1939 г.
38.	С. В. Пышнов — «Оценка характеристик самолета». Журнал «Техника Воздуш-
ного Флота» № 5. 1945 г.
39.	И. К. Костенко — «Летающие модели планеров». ОНТИ. 1935 г.
40.	Магау Е. »Le vol des oiseaux". Paris» 1889 г.
41.	G. Lilienthal. „Die Biotechnik des Fliegens“. Leipzig. 1926 г.
42.	Jdrac P. „Experimentelle Untersuchungen fiber den begelflug4. Berlin. 1932 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр
Предисловие............................................................... 3
Введение ................................................................. 5
ГЛАВА I. Как устроен летательный аппарат птиц
Основные понятия о	структуре крыла.......................................9
Перьевой аппарат.......................... ...... 10
Малые маховые перья	.	.	.	......................13
Область парашютных отверстий крыла...................................... .14
Приспособления, подобные механизации крыльев самолетов .	.15
Контурные и профильные очертания крыла птицы .	....	16
Сопротивляемость крыльев нагрузкам .	.	.	.	.	.	.19
Углы установки и углы атаки крыльев у больших птиц........................19
Размах и удлинение крыльев птиц .	.	..........................22
ГЛАВА II. Виды и приемы полетов птиц
Птицы первичной эпохи земли .	.	..........................23
Виды полетов птиц ........................................................25
Приемы пилотажа у птиц .	.	.	................... 32
Летные характеристики птиц ...............................................32
ГЛАВА III. Результаты изучения полета птиц
Исследование живых птиц	 37
Опыты по заклеиванию крыльев птиц	....................................40
О дымление крыльев .......................................................41
ГЛАВА IV. Фото-аэродинамический метод изучения крыльев
Вывод из одного поверочного расчета	...................................4
Спектр потока под крылом..................................................45
Эффект проницания крыла потоком	воздуха................................46
Приспособительное нарушение обтекаемости крыла............................51
Использование вязкости воздуха............................................52
Упругий эффект больших маховых перьев.....................................56
1277
ГЛАВА V. Как осуществляется управление пограничным слоем в крыле нтицы
Представление о пограничном слое
Методы, применяемые птицами
58
59
ГЛАВА VI. Устойчивость и управляемость птиц
Условия равновесия ...........................62
Способы сохранения устойчивости	.....	63
Путевая устойчивость птиц ........... 64
Как птица управляет полетом ........... 65
ГЛАВА VII. Силовая схема крыла птицы
Особенности движения крыла .	...................... .	.	68
Синусоидальный закон движения...........................................68
Инерционные колебания в машущем полете...................................70
Маятниковое движение крыла	  72
Сдала работы машущего крыла	 72
Пёрвая фаза	...................... ..............................74
Вторая фаза .............................................................76
Третья фаза • •	.	.	.	,.........................78
Четвертая фаза ..........................................................79
ГЛАВА VIII. Мускульные усилия птиц
Косвенные методы оценки усилий...........................................62
Возможен ли полет человека при помощи мускульной силы? .	.	. 83
ГЛАВА IX. Физическое состояние потока воздуха за крылом птицы
Резонансный полет .	•	.	.	•	•.........................$6
Волнообразование за машущим крылом	.	... 87
Кинематика крыла птицы...................................................90
Теория пропульсивных вихрей проф. В. В. Голубева.........................93
Исследования Я. Е. Полонского вихревых дорожек за машущим крылом . 90
. 103
. 106
. из
’13
ГЛАВА X. Лабораторные исследования крыльев птиц
Опыты с моделями птиц ............................................
Требования к моделям искусственной птицы .....
Опыты с колебанием небольших крыльев
Работы советских моделистов Досава .	.........................
Полеты при помощи машущих крыльев •	•••••
Орнитоптерный прибор .............................................
ГЛАВА XI. Практические задачи изучения крыльев птиц
Целесообразна ли замена винта машущим крылом ....
Основные требования к орнитоптеру	•
Вероятные пути развития орнитоптера
Литература ...	........................................
Редактор И. Толстых________________________________Техн, редактор //. Рцьиковскш.
Г-50348. Сдано в производство 25/VII 1950 г. Подписано в печать 8/Ш 1951 г
Бумага 70X108716 = 4 бумажн. — 10,96 печати, листа. Заказ 826/124
Типография издательства ДОСАРМ, г. Тушино