Говорят, люди научились летать, наблюдая за птицами. Однако не будем забывать и еще об одной разновидности замечательных летунов. Это насекомые. Не могут ли они подсказать современным ученым и инженерам, как усовершенствовать летательные аппараты, все еще уступающие по маневренности, экономичности и другим параметрам природным летунам?
Вот что рассказал нам об этом бионик Игорь КОВАЛЕВ, ученик замечательного советского исследователя полетов насекомых, кандидата биологических наук Ольги Михайловны Бочаровой-Месснер.
Бионика, напомним, это наука о применении в технике «патентов» живой природы. Существует множество примеров того, как природа подсказывала человеку решения его технических проблем. Здесь остановимся на том, как насекомые помогают людям познать тайны полета.
Ископаемые останки животных свидетельствуют, что освоение насекомыми воздушного пространства началось примерно 370 млн. лет назад, в позднем девонском периоде. Крылья первых летающих насекомых были не очень совершенными, жесткими и служили им лишь для перелета с одного растения на другое.
Следующим важным этапом эволюционного развития насекомых стало появление стрекоз около 360 млн. лет тому назад. Стрекозы имели уже более совершенные крылья и мускульный привод, что позволило им повысить скорость и высоту полета, улучшить маневренность. В общем, конструкция оказалась настолько удачной, что стрекозы благополучно дожили до наших дней, не совершенствуя свой летательный аппарат.
И все же подлинной революцией в мире летающих насекомых стало появление бабочек в раннем юрском периоде — примерно 200 млн. лет тому назад. Для того чтобы понять суть новшеств, которые природа изобрела для бабочек, обратимся к законам аэродинамики.
Сейчас ученые знают, что аэродинамическая сила машущего крыла насекомого прямо пропорциональна так называемой присоединенной воздушной массе, которая движется вместе с крылом. В свою очередь, величина этой массы определяется площадью гладкого крыла — чем оно больше, тем больше и масса.
Согласно этому закону, древние насекомые в течение 170 млн. лет, вплоть до появления первых бабочек, увеличивали величину присоединенной воздушной массы, а значит, и величину аэродинамической силы крыла, лишь увеличивая его площадь. А потому размах крыльев, например, гигантской стрекозы меганевра достигал 1 м.
А вот для бабочек природа нашла иной путь увеличения присоединенной воздушной массы. Если взглянуть на крыло бабочки под микроскопом, то видно, что его поверхность сплошь покрыта многими тысячами маленьких чешуек, длиной не более 250 мкм. Благодаря этому крыло бабочки способно «прихватывать» дополнительную воздушную массу, тем самым увеличивая воздействие воздушного потока, то есть подъемную силу крыла.
Более того, со временем чешуйки на крыльях бабочек начали располагаться в несколько слоев. У некоторых современных ночных бабочек общая толщина чешуек может достигать 1 мм и более!
Однако такое решение оказалось приемлемо только для ночных бабочек — многослойный чешуйчатый покров предохраняет ночных насекомых от охлаждения.
А вот днем подобная «шуба» приводит к перегреву бабочек в полете. Поэтому природа нашла еще одно оригинальное решение. У бабочек появились воздушные ниши внутри каждой чешуйки; они увеличивают подъемную силу, не нарушая теплового баланса насекомого.
Кроме того, такое «конструкторское» решение улучшает маневренность, стабилизирует полет, а также позволяет бабочкам летать совершенно бесшумно, не привлекая звуком внимание врагов.
Сегодня отряд чешуекрылых находится на втором месте по численности, уступая первое место лишь жукам. Причем некоторые бабочки являются рекордсменами по дальности и скорости полета среди насекомых.
Влияние чешуйчатого покрова на летные характеристики бабочек столь велико, что его повреждение лишает бабочку способности летать. Именно потому бабочек не рекомендуется брать в руки.
Учитывая все свойства чешуйчатого покрова крыла бабочки и тот большой вклад, который чешуйки внесли в эволюцию бабочек, у меня возникла идея о возможном использовании ее аналога в самолетостроении.
С этой целью была изготовлена металлическая версия чешуйки. Данная «обшивка» имела верхнюю и нижнюю плоскости. Верхняя плоскость формируется при помощи ребрышек, которые соединены между собой перемычками. Между ними располагаются воздушные окна. Нижняя плоскость представляет собой тонкую плоскую пластину. Между верхней и нижней плоскостью есть воздушная полость, образованная при помощи маленьких опор (см. рис.).
Наглядным примером чешуйки с внутренней воздушной нишей является чешуйка крыла бабочки Danaus plexippus. Верхний слой чешуйки имеет ребрышки, соединенные между собой перемычками.
Нижний слой представляет собой плоскую тонкую пленку. Трабекулы-подпорки разделяют слои, образуя внутреннюю нишу. Между перемычками верхнего слоя находятся воздушные окна.
На рисунке показан вертикальный разрез чешуйки крыла:
UL — верхний слой; LL — нижний слой; Т — трабекула
Когда модель крыла с такой обшивкой была продута в аэродинамической трубе, оказалось, что при этом на 15 % увеличивается силовое воздействие потока на крыло. Летательный аппарат с подобными крыльями будет намного маневреннее обычного.
Кроме того, как показывают исследования, у ночных бабочек не случайно плотность чешуек превысила 2000 на кв. мм. В результате ультразвуковое волны локаторов летучих мышей, которые охотятся за этими бабочками, попав на чешуйки, теряют большую часть энергии и отражаются от крыла насекомого весьма слабым сигналом. Так же можно существенно снизить и радиолокационную заметность самолета.
Взаимодействие внешнего потока с «обшивкой бабочки»:
1 — внешний поток; 2 — забор воздуха во внутреннюю полость; 3 — вторичный поток; 4 — выброс воздуха из обшивки; HP — область высокого воздушного давления; LP — область низкого давления.
Далее, в ходе эволюционного отбора, на крыльях бабочек из рода Plusia чешуйчатый покров стал еще своего рода зеркалом, в котором отражаются окружающие листья, травинки. В результате бабочка словно бы надела маскировочный халат. Подобная маскировка, наверное, пригодится и боевой технике.
Таким образом, как мы видим, в чешуйке бабочки заложено много всего, что может существенно улучшить летные характеристики самолетов. Такое покрытие запатентовано, и есть надежда, что со временем чешуйчатая обшивка появится на летательных аппаратах нового поколения.
Кстати…
У БАБОЧКИ ЕСТЬ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?
Бабочки могут совершать перелеты в сотни и тысячи километров. При этом скорость полета некоторых бабочек превышает 100 км/ч.
Между тем при замедленной съемке отчетливо видно, как бабочка в полете периодически складывает крылья в вертикальном положении. Подъемная сила их в этот момент равна нулю, и бабочка, казалось бы, должна терять высоту. Но на практике этого не происходит. Почему?
На этот вопрос попытались ответить ученые Института эволюционной морфологии и экологии животных РАН.
В лаборатории морфологии беспозвоночных под руководством доктора биологических наук В. Свешникова были проведены сотни экспериментов, которые показали, что бабочка-лимонница в этот момент даже получает дополнительное ускорение и взмывает вверх. За счет чего?
Съемка крупным планом с разных ракурсов показала, что в момент «схлопывания» крыльев над телом насекомого отчетливо виден канал почти с правильным овальным сечением. Это сопло своеобразного реактивного двигателя, помогающего бабочке не только держаться в воздухе, но и придающего ей дополнительное ускорение.
В самом деле, в какой-то момент передняя пара крыльев образует своего рода воздухозаборник, а задняя — реактивное сопло. При сближении крыльев бабочки смыкают сначала переднюю часть крыльевых пластин, а потом волна как бы перекатывается к их задней кромке. В итоге крылья с силой выталкивают «зажатую» между ними порцию воздуха из «сопла», создавая тем самым реактивную струю…
Поскольку эта струя направлена под небольшим углом вниз, часть реактивной силы удерживает бабочку в воздухе и даже помогает набрать высоту, а другая сообщает ей дополнительную скорость.
Всего ныне ученым известны более десятка аэродинамических эффектов, которые помогают бабочкам лучше летать.