В последние годы во многих странах разрабатывают летательные аппараты массой до 0,5 кг и габаритами менее 0,5 м. Основное их назначение - анализ состояния окружающей среды и оперативное наблюдение в зонах боевых действий, а также стихийных бедствий, аварий, катастроф. Значение исследований в этой области возрастает и в связи с поиском эффективных методов противодействия терроризму. Какие же проблемы встают перед создателями сверхминиатюрной авиационной техники?

ПОЧУВСТВУЙТЕ РАЗНИЦУ

Любой самолет характеризуется размерами, массой (пустого и готового к взлету), тягой двигателя, скоростью, высотой, дальностью полета. Авиационные справочники указывают и две относительные величины, определяющие основные летные качества, - удельную нагрузку на крыло (общий вес машины, деленный на площадь крыла) и тяговооруженность (тот же вес, деленный на тягу двигателя). Максимальная скорость самолета пропорциональна корню квадратному из произведения этих двух величин.

Что же произойдет с перечисленными показателями при уменьшении размеров летательного аппарата? Возьмем за основу легкий одноместный самолет с размахом крыла около 5 м и массой в несколько сотен килограммов. Типичные его характеристики таковы: скорость 200 - 250 км/ч, дальность полета - 400 - 600 км, высота - 4 - 5 км. Уменьшим размер машины в 10 раз. Теперь размах ее крыла будет равным 50 см. Объем, а значит и вес сократится в 1000 раз, площадь крыла - в 100, удельная же нагрузка на него - в 10 раз. Поскольку тяга двигателя пропорциональна его массе, а она, в свою очередь, - массе самолета, можно считать, что тяговооруженность при уменьшении общих линейных размеров не изменится. В итоге скорость микроаппарата упадет по сравнению с исходным одноместным в три с лишним раза, т.е. при мерно до 60 км/ч (15 м/с). Дальность полета, пропорциональная запасу топлива, уменьшится гораздо значительнее и составит всего единицы ки-

стр. 27

стр. 28

Влияние числа Рейнольдса на составляющие аэродинамической силы, действующей на профиль крыла. На рисунке справа заметен гистерезис подъемной силы профиля.

ломстров. Но проблемы рассматриваемой техники не ограничиваются этой "арифметикой": для понимания сути надо глубже разобраться в природе явлений, сопровождающих полет.

На любое тело, обтекаемое со скоростью V, влияет аэродинамическая сила, равная сумме элементарных сил (напряжений), действующих на каждый элемент поверхности тела. В аэродинамике различают нормальное и касательное напряжение, или, другими слонами, давение Р и трение Т. Давление возникает, потому что тело в полете раздвигает частицы воздуха. Причина же трения в том, что частицы воздуха, прилегающие к телу, прилипают к его поверхности и движутся вместе с ним, тогда как вдали от него покоятся.

Хорошо известно: в природе существуют два принципиально разных типа течения жидкости и газа - ламинарное и турбулентное. Водном частицы (в данном случае - воздуха) двигаются регулярно и упорядоченно, в другом - беспорядочно. Но для нас важно то, что аэродинамическая сила, действующая на тело, может отличаться при этом в разы. Для количественной характеристики типа течения английский ученый Осборн Рейнольде (1842 - 1912) предложил параметр, носящий теперь его имя, - число Рейнольдса (далее - Re). Он равен произведению трех величин: линейного размера, скорости полета, вязкости воздуха, которая зависит от температуры, влажности, атмосферного давления. Для каждого тела значение, соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному течению с увеличением Re, определяется опытным путем.

Вернемся к анализу микросамолета. Если для традиционной одноместной машины число Re составляет несколько миллионов и режим его обтекания - турбулентный, то для интересующей нас оно, в зависимости от скорости, меняется от нескольких десятков тысяч до 100 - 200 тыс. - для крыла такой диапазон соответствует ламинарно-турбулентному переходу. Именно в этом и заключаются основные аэродинамические проблемы. Чтобы увеличить подъемную силу и уменьшить сопротивление, для большого летательного аппарата следует применять крыло толстого профиля с плавным закруглением передней кромки, а для "микро" - тонкого, приближающегося по форме к изогнутой пластинке. Как известно, в авиации извечно стремление к возможно более гладкой поверхности машин. Однако опыты показали: при малых числах Re крыло микросамолета имеет лучшие характеристики, если его поверхность шероховата.

Итак, с точки зрения аэродинамики микротехника принципиально отличается от "большой". Так, при полете полноразмерного самолета на трение приходится малая часть общего сопротивления, а при уменьшении размера машины его вклад, наоборот, растет. Это приводит к увеличению относительного сопротиапения и уменьшению подъемной силы микросамолета по сравнению с геометрически подобным полноразмерным. Традиционные профили крыльев и аэродинамические схемы для таких аппаратов становятся неэффективными, падает КПД воздушного винта. Дело существенно осложняется тем, что при увеличении скорости ламинарный поток скачком перестраивается в турбулентный, качественно и количественно отличный от исходного. Обратный же переход при уменьшении скорости, как правило, происходит при другом ее значении, т.е. имеет место гистерезис* всех аэродинамических характеристик. Значит,

* Гистерезис - запаздывание изменения одной физической величины от изменения другой. Наблюдается в тех случаях, когда состояние тела определяется внешними условиями не только в данный момент времени, но и в предшествующие моменты (прим. ред.).

стр. 29

важнейшие параметры микромашин (дальность, потолок и т.п.) в некотором диапазоне скоростей полета, влажности воздуха и высоты местности над уровнем моря могут измениться в несколько раз, если не принять во внимание упомянутые выше процессы. В то же время эти аппараты должны удовлетворять требованиям широкого диапазона возможных условий применения (город, пустыня, горы и т.д.) и выполнять полеты в различных погодных условиях.

Как же справиться с перечисленными техническими трудностями? Прежде всего выделим подходы к управлению воздушным потоком, обтекающим малоразмерный летательный аппарат, путем изменения формы или свойств самой поверхности. Такие возможности открывает использование микроэлектромеханических систем, ибо создание нужного бортового оборудования невозможно в рамках привычных конструкторских решений. К тому же агрегаты микромашин по исполнению достаточно сложны, хотя должны быть дешевыми. Это могут обеспечить только упомянутые выше технологии, в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими. При таком подходе сложность, оцениваемая количеством деталей в сборке, не ведет к значительному удорожанию изделия и без снижения качества существенно уменьшается стоимость выполнения аппаратом определенных функций, например видеосъемки местности.

Познакомимся теперь с другими проблемами микроавиации.

ДВИГАТЕЛЬ И ДВИЖИТЕЛЬ

Мощность, а значит, и тяга авиадвигателя внутреннего сгорания пропорциональна объему цилиндра, давлению в нем и числу оборотов. При уменьшении размера силовой установки в 10 раз мощность падает в тысячу! Компенсировать потерю можно многократным увеличением давления в цилиндре. Однако такой путь приведет к резкому усложнению других систем микродвигателя, главным образом - системы подачи топлива. Поэтому для сохранения требуемой мощности целесообразнее увеличивать число оборотов. Этот же подход применяют и в турбореактивных микродвигателях, где тяга зависит от степени сжатия компрессора или, точнее, от произведения числа оборотов компрессора на его радиус.

Один из лучших российских микродвигателей внутреннего сгорания создан в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете* в 1995 г. (автор разработки Валентин Алешин). При объеме цилиндра 0,3 см³ и 22000 об/мин он развивает мощность 150 Вт. Расход топлива (70% метанола, 30 - касторового масла) - 70 г /ч.

Необходимо подчеркнуть: потери тепла через стенки микродвигателя увеличиваются пропорционально уменьшению его размера. Опыт показывает, что по этой причине выделяемая при сгорании теплота может, к сожалению, в определенных условиях полностью тратиться на испарение капель подаваемого топлива. Иными словами, топливо "гасит" горение в цилиндре.

Альтернатива тепловым - электрические бесколлекторные микродвигатели, выпускаемые ныне в ряде стран для установки на авиамоделях. Основную их проблему - наличие эффективных источников постоянного тока - успешно решает современная физическая химия. Для сохранения мощности при уменьшении размера, как и в тепловых агрегатах, увеличивают число оборотов. По мнению специалистов, к концу 2006 г. такие электрические устройства сравнятся с микродвигателями внутреннего сгорания по эффективности, превосходя их в удобстве обслуживания.

Следует отметить: традиционный движитель для полета со скоростями десятки метров в секунду - воздушный винт. К сожалению, его эффективность падает с увеличением числа оборотов вала. Выход традиционный - установка между двигателем и винтом редуктора, уменьшающего число оборотов до оптимального.

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕТОМ

Восприимчивость тела к управляющим усилиям зависит не только от его массы, но и от так называемого момента инерции. При уменьшении размера тела в 10 раз его масса снижается в 1000, а момент инерции - в 100 000 раз! Выходит, микросамолет будет очень "вертким", что приходится учитывать при проектировании его системы управления. Легко оценить необходимое ее быстродействие. При скорости полета 10 м/с частицы воздуха проходят вдоль крыла шириной 0,1 м за0,01 с. Следовательно, характерные частоты, используемые в системе, которая реагирует на изменение условий полета и формирует управляющие усилия, должны быть не менее 1 кГц. У большого самолета такие усилия создаются отклонением

* См.: Ю. С. Васильев и др. Центр науки, образования и культуры. - Наука в России, 2003, N 3 (прим. ред.).

стр. 30

Схема течения воздушного потока вокруг "левого" полукрыла мухи при махе вниз.

рулевых поверхностей, обтекаемых потоком. Учитывая требования к быстродействию, в нашем случае перспективен другой подход. Выше упоминалось об искусственной шероховатости крыла для обеспечения стабильных летных характеристик машины. Очевидно, неравномерное ее распределение по крылу создаст силу и момент, которые можно использовать в управлении аппаратом.

Полностью автономный полет микросамолета реален только при его стабилизации. Это - задача автопилота, главнейшая часть которого - гироскоп. Его "волчок" способен сохранять положение своей оси вращения в пространстве при любых движениях летательного аппарата - тем самым на его борту создается неподвижная система отсчета. Точность работы устройства зависит от скорости вращения и момента инерции, а значит, катастрофически падает с уменьшением размера. Поэтому специалисты ищут гироскопу адекватную замену. И уже созданы системы, использующие инфракрасные датчики для определения линии горизонта, служащей "точкой отсчета" при стабилизации.

Еще одна задача управления - определение "собственного" положения летательного аппарата в пространстве - решается с использованием легких (несколько граммов) приемников существующей глобальной системы позиционирования (GPS)*.

Отметим еще два важных обстоятельства. Во-первых, когда мы говорили о зависимости той или иной величины от других, то не упоминали входящие в соответствующие выражения коэффициенты аэродинамических сил и моментов, плотности, полезного действия, полноты сгорания и т.п. пропорциональностях. А они зависят от качества материалов, совершенства конструкции и технологии. Иными словами, служат инструментами, помогающими создателям микросамолетов сглаживать или сводить на нет проблемы, связанные с изменением масштаба. К сожалению, их анализ потребовал бы отдельной статьи.

И во-вторых, диапазон размеров и скоростей, характерный для рассматриваемой техники, с успехом освоен авиамоделистами. Творчески подходя к своим конструкциям, они давно осознали трудности, рассмотренные выше, и даже нашли пути их решения. Здесь сложилась ситуация, при которой большая наука догнала практику любителей.

УЧИТЬСЯ У ПРИРОДЫ

Создатели микроаппаратов ищут и иные подходы к их конструированию, не сводимые лишь к уменьшению масштаба.

Птица колибри - самая маленькая в природе - весит 2 г. Достоверно зафиксировано, что их стая пролетела 800 км вдоль побережья Мексиканскою залива без единой посадки со средней скоростью 40 км/ч! Может ли устройство весом 2 г, созданное человеком, пролететь хотя бы 8 км? Добавим: колибри способна зависать над цветком, собирая мед подобно пчеле.

* GPS - система определения координат, созданная в США. Главный ее компонент - несколько десятков космических спутников, непрерывно передающих радиосигналы, создавая тем самым вокруг земного шара информационное поле. GPS-приемник улавливает их и, измеряя дальности до нескольких из них, определяет координаты (прим. ред.).

стр. 31

Элемент крыла бабочки под микроскопом.

Напомним: живые существа несколько раз "покоряли" воздушную стихию. Сначала - 350 млн. лет назад - это сделали насекомые, спусти 130 млн. лет - птеродактили. Прошло еще 70 млн. лет, и небо покорили птицы.

Человек в стремлении оторваться от земли давно с пристальным вниманием смотрел на летающих существ. Вспомним рисунки Леонардо да Винчи*, много позднее - исследование одного из пионеров авиации, немецкого инженера Отто Лилиенталя "Полет птиц как искусство летать" (1902) и другие примеры. В 70-е годы XX в. семинар в Научно-исследовательском институте механики МГУ им. М. В. Ломоносова, руководимый академиком Георгием Петровым (1912 - 1987), не раз рассматривал на своих заседаниях проблемы полета насекомых. Наконец, упомянем работы сотрудников биофака Ленинградского государственного университета (ныне - Санкт-Петербургского), обобщенные в монографии профессора Андрея Бродского "Механика полета насекомых и эволюция их крылового аппарата" (1988). В последнее время в связи с развитием микроавиации именно полет насекомых привлекает все большее внимание ученых.

В этой связи отметим следующее обстоятельство. Если крупные птицы значительную часть полета просто планируют без взмахов крыльями, то у пернатых меньшего размера картина меняется. Все мы любовались парением чаек над морем, но никто, уверен, не припомнит планирующего хотя бы минуту воробья. Выходит, машущий полет становится более эффективным именно с уменьшением размера. Колибри, как и насекомые, не планируют совсем - механика их полета схожа.

Опыты показали: механизм создания подъемной силы у насекомого принципиально иной, чем у больших птиц и самолетов. В последнем случае она неизменна при постоянной скорости и создается за счет разности давлений над и под крылом. Воздух при этом везде движется строго в одном направлении - от передней к задней кромке профиля. А у насекомого тот же показатель циклически меняется во времени и создается резким "гребком" вниз всей плоскостью. Над верхней поверхностью, вдоль кромок, образуются вихри, исчезающие в крайнем нижнем положении крыла. Установлено: именно их интенсивностью определяется в конечном счете подъемная сила.

Впечатляет эффективность полета: насекомое тратит в пересчете на 1 кг 70 Вт, птица - 80, а самолет - 150 Вт. Прибавим к этому удивительную маневренность живых существ: вспомните стрекозу, мгновенно меняющую направление и скорость полета. Этому помогает строение ее крыла: оно не гладкое, а покрыто регулярными волосками, видимыми при небольшом увеличении. Более того, на передней кромке они могут прогибаться в зависимости от интенсивности вихрей на верхней поверхности, что определяется чувствительными рецепторами. И те, и другие образуют пары (у бабочки их до 30 тыс.), фактически управляющие обтеканием крыла насекомого и регулирующие подъемную силу по величине и направлению. Ясно, что повреждение даже многих сотен таких пар не влияет на полет. Здесь мы сталкиваемся с фундаментальным принципом живой природы - децентрализацией функций. Технические же устройства устроены прямо противоположным образом. Так, на истребителе пятого поколения центральный процессор постоянно контролирует шесть параметров, но при выходе его из строя самолет рискует превратиться в груду обломков.

Построенные к настоящему времени энтомоптеры (аппараты, копирующие полет насекомых) имеют, как правило, небольшие размеры. Использование в

* См.: К. В. Фролов. Гений эпохи Возрождения. - Наука в России, 2003. N 6 (прим. ред.).

стр. 32

них для привода крыла традиционных двигателей оказалось крайне неэффективным. Гораздо больше надежд связано с применением "искусственных мышц". Они представляют собой цилиндры различных размеров, деформирующиеся требуемым образом под действием электрических сигналов или химических реагентов. В качестве материала для их изготовления предлагается использовать, среди прочих, так называемые диэлектрические эластомеры - разновидность набухающих сетчатых полимеров, в настоящее время являющихся объектом интенсивного исследования специалистов. Привлекательное свойство подобных материалов - способность чутко реагировать на незначительные изменения внешних условий (температура, состав растворителя, электрическое поле и т.п.) многократным изменением объема или формы. Такие "умные" полимеры уже применяют для создания сенсоров, гибких манипуляторов и других исполнительных устройств в робототехнике.

Автор этих строк участвовал в первой Европейской конференции по летательным микроаппаратам в Брауншвейге (ФРГ, 2004 г.) и двух американо-европейских семинарах, проведенных в той же стране в 2003 и 2005 гг. В соревнованиях, приуроченных к одному из этих мероприятий, был представлен и российский микросамолет, созданный в содружестве Центрального научно-исследовательского института робототехники и технической кибернетики и Политехнического университета (Санкт-Петербург). Его двигатель, параметры которого приведены выше, и аэродинамическая схема обеспечили ему устойчивый полет при скорости ветра до 15 м/с, чего не удалось другим летательным аппаратам. Большинство микросамолетов создается по схеме "летающее крыло". Считается, что при жестких ограничениях на размер она обеспечивает максимальную подъемную силу за счет большой плошали крыла. Но такой подход, как показывает практика, не всегда себя оправдывает.

На сегодняшний день аппараты размером 40 см способны совершать автономный полет по заранее заданному маршруту в течение получаса, передавая с борта цветное телеизображенис. Отметим: все элементы, использующиеся при их создании, находятся в массовом производстве и общедоступны.

В данной статье мы лишь наметили наиболее важные проблемы, решаемые создателями летательных микроаппаратов. Хотелось бы подчеркнуть - все они тесно взаимосвязаны. Такая особенность, характерная, впрочем, и для большой авиации, проявляется здесь, на размерах в несколько дециметров, особенно явно.