Летающая тарелка

Андрея Кирпичникова

Так и назовем экспонат, представленный на прошедшей в феврале в МГТУ им. Н.Э.Баумана выставке «Шаги в будущее». Сконструировал его, рассчитал и выполнил в модели ученик 126-й школы города Снежинска. Вышел его дискообразный летательный аппарат весьма схож с НЛО. И надо сказать, что летательные аппараты подобного вида делают давно. Действуют они на самых разных физических принципах.

Впервые в истории самолет с дискообразным крылом (рис. 1) построил и успешно испытал в 1911 году русский изобретатель А.Г.Уфимцев.

В 30-е годы самолет-дископлан построили американцы. А в 1968 году студенты МАИ под руководством А.Гремяцкого сделали самый крохотный в мире планер такого же типа (рис. 2).

Он весил 60 кг, имел крыло диаметром 3,9 м и отличался высокой устойчивостью и безопасностью. Он не сваливался в смертельный штопор, не терял подъемной силы при больших углах атаки. Сам Гремяцкий без какой-либо предварительной подготовки научился на нем летать.

Дискообразное крыло, судя по всему, таит в себе огромные возможности. Часто предлагают на его основе летательные аппараты вертикального взлета. Известна фотография немецкой летающей тарелки, построенной в конце войны. Достоверных сведений о ней нет.

Иногда высказываются предположения об использовании в ней сил, создаваемых полями. Однако электрическое или магнитное поле на теле таких размеров может создать лишь силу, не превышающую миллионной части его веса.

Что же касается «антигравитации», то этот термин взят из фантастических романов. За ним нет никакого реального смысла. Поскольку нет пока ни малейшего представления о каких-либо способах получения искусственной гравитации любого знака. А все данные фундаментальной науки говорят о том, что это невозможно. Если этот аппарат и летал, то только под действием аэродинамических сил.

В одном из проектов аппарата типа «летающая тарелка» использован эффект Коанда. Он заключается в способности струи «прилипать» к поверхности тела. Поднесите медленно ложку к спокойно текущей струйке воды. В какой-то момент струя сама потянется к ней и потечет по ее поверхности. Это и есть эффект Коанда. На рисунке 3 приведена схема летательного аппарата, использующего этот эффект.

В основе ее крыло-диск с щелью в верхней части. Создаваемый вентилятором поток воздуха вытекает из щели, «прилипая» к крылу, течет по его поверхности и срывается с нижней кромки. По закону Бернулли давление в потоке меньше, чем в неподвижной среде. Потому давление на нижней поверхности аппарата выше, чем на верхней. За счет их разности и создается подъемная сила.

Основанные на этом принципе модели диаметром до пятидесяти сантиметров летали вполне успешно. Относительно опытов с аппаратами больших размеров сведений нет.

Летающая тарелка Андрея Кирпичникова основана на другом принципе. Это два соединенных вместе пологих конуса (рис. 4).

Внешний конус имеет множество щелей, нижний — сплошной. Из пространства, образованного конусами, вентилятор отсасывает воздух. Подъемная сила возникает за счет разности давлений между поверхностями. Используется и сила реакции потока, создаваемого вентилятором.

В его качестве использован электродвигатель от игрушки с пропеллером диаметром около 50 мм. Поток всасывается через прорези в корпусе аппарата и выходит через боковые отверстия в корпусе вентилятора. Они так расположены, чтобы исключить действие реактивной силы потока.

Для проверки правильности избранного принципа работы аппарата Андрей сделал простейшую модель и установил ее на весы (рис. 5), уравновесив ее грузом на противоположном конце коромысла. При включении двигателя модель приподнимается, отчетливо демонстрируя возникновение подъемной силы.

По расчетам Андрея, модель диаметром 0,5 м, оснащенная двигателем «Радуга-7», мощностью примерно в один кВт, должна создавать подъемную силу около 10 кг. Если его предположения оправдаются, мы получим самый экономичный, вертикально взлетающий аппарат в мире. Ведь у вертолетов, заметим, подъемная сила не превышает 5–6 кг на кВт, а у прочих машин, взлетающих вертикально, она в 2–3 раза ниже.

Отметим, правда, что обычно возникают большие проблемы при переходе от модели к полноразмерной машине, способной поднимать человека. Часто бывает так, что модель не отражает всех тонкостей поведения полноразмерного тела. Это приводит к авариям.

Рискнем предположить, что основной аэродинамической характеристикой летающей тарелки Андрея будет соотношение между размерами щели и скоростью потока через нее, а также взаимодействие между ближайшими щелями. Это сильно упростит работу.

Впрочем, Андрей делает основную ставку на беспилотные аппараты, размеры которых могут быть не так уж и велики. Область их применения очевидна — разведка и наблюдение. Высокий КПД аппарата позволит воспользоваться маломощным двигателем. А значит, получим в итоге малошумящий и малозаметный в инфракрасном диапазоне объект. А сама форма аппарата, в которой отсутствуют острые углы и выступающие части, сделает его малозаметным и для радиолокатора. Все эти качества просто неоценимы для беспилотного разведчика.

На поверхности же летающей тарелки могут размещаться элементы фазированной антенной решетки. В этом случае тарелка диаметром 10–15 м сможет заменить собой самолет дальнего радиолокационного обнаружения, например, А-50. И обойдется в десятки раз дешевле такого самолета, как в производстве, так и в эксплуатации.

Конечно, найдется этому изобретению и сугубо мирное применение. Например, скользя на малой высоте в режиме экраноплана, летающие тарелки будут пересекать моря и океаны, доставляя товары и пассажиров на любую территорию.

А. ИЛЬИН

Рисунки автора

Фото Ю. ЕГОРОВА

 

Телескоп из воздуха

Луч света является прямой линией только в том случае, когда показатель преломления среды одинаков во всех ее точках. В среде же с неоднородным показателем преломления свет распространяется по кривой, выпуклость которой обращена в сторону уменьшения показателя преломления. В любом случае свет избирает себе такую траекторию, по которой движение от точки к точке происходит за кратчайший срок.

Неоднородность показателя преломления земной атмосферы приводит к появлению миражей (см. «ЮТ» № 9 за 2000 г.).

Таким же свойством обладает хрусталик млекопитающих и человека.

Изучение биологических объектов подтолкнуло естествоиспытателей к изучению и созданию искусственных сред с переменным показателем преломления. На рисунках 1 и 2 показан ход светового луча в стержне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии.

Рис. 2

Здесь траектория света волнообразна. Если взять кусок такого стержня длиною, равной меньшей четверти периода этой волны, то он сможет выполнять роль собирающей линзы, давать действительное изображение предметов.

Если же показатель преломления возрастает от оси к периферии, то стержень можно использовать как линзу рассеивающую. Забегая вперед, скажем, что сегодня оптическая промышленность умеет делать стержни из стекла и пластмасс, имеющие заданный закон изменения градиента показателя преломления, хотя это отнюдь не просто.

В начале века американский физик Роберт Вуд нашел простой способ изготовления из желатина прозрачных цилиндров, обладавших свойствами хороших собирающих или рассеивающих линз. Он вполне пригоден в качестве одной из работ для практикума по физике в выпускном классе средней школы.

Вот почти дословное его описание, взятое из книги Р.Вуда «Физическая оптика», перевод с английского под ред. Д.С.Рождественского. Л. — М. ОНТИ, 1936, с. 103–104: «Берут горсть фотографического желатина и дают ему набухнуть в воде до полного размягчения. Избыток воды сливают, а остаток нагревают до полного ожижения и затем фильтруют через воронку с кусочком ваты. Если жидкость не течет, то прибавляют немного кипящей воды. Небольшое количество отливают в пробирку и дают стоять до отвердения. Оставшуюся часть выпаривают на малом пламени, все время помешивая, до густоты сиропа. Для этого приходится кипятить ее, пока не останется одна треть (или меньше) первоначального объема. Теперь прибавляют равный объем глицерина и выливают во вторую пробирку.

После затвердевания содержимого обеих пробирок резким ударом отбивают донышки у пробирок, их быстро нагревают в пламени бунзеновской горелки и выталкивают желатиновые цилиндры.

Слегка нагретым перочинным ножом разрезают цилиндры на диски разной толщины. Наилучшая толщина около двух третей диаметра. Диски помещают между двумя стеклянными пластинками (рис. 3), слегка подогревая пластинки для обеспечения оптического контакта. (Студень должен прилипнуть без пузырьков.)

Цилиндры, приготовленные из желатина и воды, погружаются в глицерин, а цилиндры из воды и глицерина — в холодную воду. Глицерин нужно временами мешать, так как слои вбирают в себя вытесненную воду.

Через четверть часа процесс достаточно подвинется в своем развитии, глицерин постепенно диффундирует в желатин, вытесняя из него воду, и вода тоже постепенно вытеснит глицерин. Желатин, содержащий глицерин, имеет больший показатель преломления, чем желатин, содержащий воду; вследствие этого цилиндры, набухшие в глицерине, действуют как вогнутые, а цилиндры, набухшие в воде, — как выпуклые линзы. Фокусное расстояние получается от 8 до 10 см; пользуясь такими цилиндрами, можно получать очень резкое изображение нитей лампы накаливания и газового пламени». Практического применения желатиновые линзы не нашли. Однако по сходной технологии делают градиентные линзы — стержни из стекла и полимеров. В некоторых отраслях они совершили настоящий переворот.

Градиентную линзу можно получить и с помощью нагрева. Если, например, стержень из оргстекла начать равномерно разогревать снаружи, то показатель преломления его внешних слоев будет ниже, чем на оси, и он станет вести себя как собирающая линза.

На одном из первых советских разведывательных спутников кварцевый иллюминатор, через который фотоаппарат производил съемку, был неравномерно разогрет от действия солнца на спутник. В результате четкого изображения деталей земной поверхности не удавалось получить, пока этот дефект не был устранен.

Градиентную линзу можно получить даже из воздуха. В 1964 году было показано, что, продувая газ через трубу с нагретыми стенками (рис. 4), можно добиться того, что более горячие слои, обладающие меньшим показателем преломления, окажутся у стенок, а холодные — с более высоким — у оси, и такое устройство будет вести себя как собирающая линза.

Рис. 4. Газовая линза, образованная нагретым потоком воздуха:

1 — нихромовая проволока; 2 — слюда; 3 — латунная трубка; 4 — стекло; 5 — хлорвиниловый трубопровод.

В конце 80-х годов в ЮАР попытались сделать телескоп, основанный на этом эффекте. Холодный воздух продували через нагретую вращающуюся трубу. Однако качество изображения пока получается невысоким.

Еще один вариант газовой линзы основан на использовании двух газов с равными показателями преломления воздуха (n = 1,00029) и этана (n = 1,00076). В этой линзе газ с более высоким показателем движется внутри трубки с пористыми стенками (рис. 5).

Через ее поры в нее продавливается газ с низким показателем преломления. Градиент преломления хорошо получается при таком подборе скоростей подачи газов, когда у стенок трубы не образуются завихрения.

Различного рода газовые линзы очень удобны для фокусировки особо мощных потоков лазерного излучения. Обычная оптика под их действием разрушается. Любопытно, что причиной разрушения является малейшее, порою незаметное на глаз, загрязнение стекла. Газовые линзы в этом отношении идеальны, там просто нечему разрушаться. Пока мы рассказывали о первых шагах и некоторых экзотических путях градиентной оптики. Современный ее этап основан на оптических приборах, в которых используются твердые вещества с созданным в них распределением показателя преломления.

Пионерами в этой области с 1969 года оказались японцы. Технология изготовления таких сред основана на диффузии специально подобранных веществ в стекло либо полимеры и в общем принципиально схожа с методом изготовления линз Роберта Вуда. Сегодня градиентная оптика порою входит в конструкцию фотоаппаратов и телекамер, и мы об этом даже не подозреваем. В других случаях на ее основе делаются приборы, которые никаким иным методом изготовить нельзя. Но об этом мы расскажем в следующий раз.

Р.ИЛЬИНСКИЙ , кандидат технических наук