Юрий Никитин - Полеты богов и людей

Полет Дедала и Икара

История создания летательных аппаратов тяжелее воздуха без двигателей берет свое начало в конце XIX века, когда немецкий ученый О. Лилиенталь в 1891–1896 годах построил и облегал несколько планеров, а Н. Е. Жуковский в 1892 году в работе «О парении птиц» решил сложные вопросы парения и заложил фундамент теории динамики полета. Однако каждый шаг в истории опирается на свою предысторию. Известный более как художник, Леонардо да Винчи был также изобретателем и конструктором. На вопрос своего учителя: «Кто самый великий из героев Древней Греции?» — он не задумываясь ответил; «Икар, сын Дедала».

Сведения о полете Дедала и Икара исследователи истории древнегреческой культуры почерпнули из легенд и мифов Древней Греции. В настоящее время благодаря археологическим открытиям установлено, что наиболее интенсивно процесс возникновения этих преданий проходил на рубеже II и I тысячелетий до н. э.; когда страшное извержение на острове Фера в центре Эгейского архипелага разрушительно отразилось на о. Крит, где с конца III тысячелетия до н. э. сложилось общество с богатой культурой. Мифы приписывают Дедалу ряд изобретений. Автор придерживается книги Н. А. Куна «Легенды и мифы Древней Греции». Дедал предстает перед нами в мифах как легендарный строитель и художник. Его считают основателем столярного мастерства, изобретателем рубанка, отвеса и клея. К тому же он хорошо владел премудростями кузнечного дела. Словом, Дедал наделен совокупностью знаний, которые, по понятиям того времени, были необходимы для изготовления крыльев.

История создания первых летательных аппаратов тяжелее воздуха начиналась с изучения несущего свойства покрытого перьями крыла, на основе наблюдения планирующего полета птиц. Как в далекие, так и в близкие к нам времена люди получали «ключи от неба» от птиц. Вначале копировали «технику природы», затем, оторвавшись от земли, осваивали законы парения. Поэтому, предпринимая попытку оживить драматические фрагменты греческого мифа о преодолении с помощью крыльев силы земного притяжения, закономерно прибегнуть к опыту пионеров современной авиации.

Дедал с Икаром (рис 1), как и Отто Лилиенталь, подобно птицам, стартовали «с ног». Старт с ног диктует летательному аппарату вес. С ног может взять старт только такой летательный аппарат, который способен взлететь при скорости бега человека Международная авиационная федерация ФAM учредила самостоятельный класс подобных «сверхлегких аппаратов». Их масса обычно не превышает 40 кг. При весе авиатора 50–60 кг суммарный вес дельтаплана с человеком составляет при этом величину 90—100 кг. В древности редко встречались люди ростом выше среднего. Чтобы с Крита по воздуху добраться до Афин, первопроходцам необходимо было за дневное полетное время покрывать без посадки не менее 80—100 км. Сегодня потребную высоту и дальность полета позволяют достигнуть аппараты с качеством крыла около семи и скоростью снижения порядка 1,5 м/сек. Это, по М Ордоди, дельтапланы типа «Ястреб», «Перегрин», «Драгон-флай» и др.

Несомненно, Дедал вначале собрал данные зависимости веса планирующих птиц от площади их крыльев. Траектория полета птицы, планирующей с постоянной скоростью, так же как и у планера, неизбежно отклоняется вниз, как результат взаимодействия силы тяжести и полной аэродинамической силы.

Данные о соотношении площади крыльев и веса тела у планирующих птиц могут и сегодня служить уроком, преподанным науке природой (табл. 1 и 2).

Дедал, как известно из мифа, сделал крылья из перьев, скрепленных «воском». Значительную часть перьевой архитектуры птичьего крыла составляют кроющие перья. Перо крепится в теле птицы при помощи очина — той части пера, которая лишена опахала. Опахало занимает около двух третей общей длины стержня пера. Чтобы перо сносно закрепилось на парусной поверхности летательного аппарата, очин следует заглубить в воск. При диаметре очина 2 мм, слой воска должен быть как минимум 3 мм. Для проведения прикидочных подсчетов количества воска, который потребовался Дедалу, воспользуемся куполом дельтаплана «Ястреб». На 22 кв. м крыла потребуется нанести около 63 кг воска. Если воск накладывать избирательно только на поверхности, где уложены очины одного ряда, с перекрывшем опахалами следующего ряда, то воск утяжелит аппарат примерно на 42 кг, что также недопустимо много.

Возникает вопрос: если у Дедала был клей, зачем ему пришлось прибегнуть к непосильному грузу воска? На этот вопрос дают ответ работы, проведенные английским археологом Джоном Коулзом. Он решил изготовить копию кожаного щита VIII века до н. э. Необходимо было установить, как действовал древний кожевник, чтобы кожа щита не размокла в условиях большой влажности. На ископаемом кожаном щите были обнаружены следы воска. Сырую кожу высушили на специальной колодке в форме щита. Затем снятую с колодки реплику щита обработали горячим воском. Щит приобрел коричневый цвет и почти не сгибался. Воск надежно предохранял кожу от размокания. Дедал был знаком с технологией изготовления щитов и, видимо, мог иметь в своем распоряжении упругий и легкий парус из традиционной для тех мест козлиной кожи. Обычно при обработке кож скребками отделяется и удаляется основной, срединный слой «дермы». При сохранении достаточной прочности кожа может быть обработана и утонена до толщины порядка 0,1 ± 0,2 мм. 22 кв. м ее будут весить всего 1,5 кг. После придания раскрою нужного профиля путем растяжки мокрых кож на колодках или раме высохшую кожу Дедал обработал воском. Вес такого тонкого слоя воска составил бы не более 10 кг. Полученный таким образом легкий и жесткий каркас паруса крыла будет к тому же соответствовать и заранее изготовленной силовой раме крыла. В таком случае возникает вопрос, для чего Дедалу понадобились еще и перья?

Подъемная сила птичьего крыла феноменальна. В настоящее время учеными, согласно И. Б. Листеницкому, изучено более 20 эффектов живого крыла. Одни повышают подъемную силу, другие уравновешивают крыло в движущемся потоке воздуха и т. д. Перелистывая страницы истории, находим факты, когда авиационная наука возвращалась к «патентному бюро» природы. Французские авиаконструкторы, чтобы устранить вредную вибрацию крыла самолета, использовали для смягчения стекания турбулентных воздушных потоков с крыла концевые перья, скопировав строение крыла грифа Таким образом, Дедал, создавая искусственные крылья, не имел причин для отказа от птичьих перьев. Его оперенный аппарат не боялся ни высокой приморской влажности, ни дождя, ни соленых морских брызг, ни быстрого северного ветра Исходя из веса системы «аппарат— человек» 90—100 кг, можно определить и вес еще одной части аппарата: деревянной силовой рамы крыла. Вес перьев на одной стороне крыла 5 кг. Вес уместного теперь здесь дедаловского клея тоже 5 кг. На силовую раму крыла остается вполне достаточный вес: 18,5 кг. Но удачное изготовление крыла — еще не решение летного вопроса. Любой полет на дальность начинается с овладения техникой набора высоты.

Вот пример полевого наблюдения, пригодного для обучения начинающего планериста, в том числе и Икара, который мы находим у орнитолога К. Пенникуик в его описании процесса полета грифа.

«Если грифов спугнуть, они взлетают, но очень скоро опускаются на землю. Чаще же птица некоторое время летит прямо вперед, а затем круто сворачивает в сторону и в то же время начинает набирать высоту. Гриф делает несколько небольших неправильных петель, после чего начинает парить, описывая широкие круги. При этом он начинает подниматься, не работая крыльями, и постепенно смещается в направлении ветра». Для взлета гриф использует возможности, которые дает идущий вверх поток теплого воздуха — «термик». Если скорость восходящего потока термика превышает скорость снижения под действием силы тяжести, то гриф набирает высоту и запасает энергию для полета до следующего термика Подобное наблюдение было доступно и Дедалу. Обычно термический поток имеет диаметр примерно 300 м. При пролете термика можно выиграть высоту порядка 30–40 м. Для подъема на большую высоту необходимо пересечь его несколько раз. При пролете термика и выполнении пологих спиральных виражей достигается длительная стабильная скорость подъема, необходимая для длительного полета.

Управление летательным аппаратом тяжелее воздуха без двигателя достигается кратковременным перемещением центра тяжести аппарата. Центр тяжести аппарата передвигается вслед за перемещением под крылом пилота. Кратковременное нарушение равновесия системы «крыло — воздушный поток» вызывает новую траекторию скольжения аппарата и способствует повороту или планированию под различными углами по отношению к земле. Доступную пилоту простоту выполнения разворотов дельтаплан получил после изобретения ременной подвесной системы, расположенной под крылом наподобие качелей. Она позволила пилоту быстро перемещать свое тело под крылом в широких пределах. Простота и естественность ременной подвески очевидны.