История авиации полна красивых легенд. Есть и такая. Когда Можайский принес в какую-то высокую научную инстанцию проект первого самолета, там недоуменно спросили: «А почему эта штуковина крыльями не машет? Как же она летать-то будет?» И проект отклонили. На том основании, что аппарат тяжелее воздуха (то есть не дирижабль и не воздушный шар) может оторваться от земли только в том случае, если будет работать крыльями подобно птице. Так тогда думали. И в общем-то никакой ошибки в этой концепции не было. Действительно, что может быть естественнее, чем полет птицы. Люди многое позаимствовали у природы – почему бы не попробовать и это?

Не получилось. Позаимствовать несложно, а вот оформить технически... После десятков, если не сотен, неудачных попыток скопировать птичий полет создатели первых летательных аппаратов пришли к выводу, что самолетное крыло нельзя заставить одновременно создавать подъемную силу и тягу. То, что птица делает не задумываясь, посредством мышц, воспроизвести механизмами не удавалось. И тогда подъемную силу «отдали» крылу, а тягу – двигателю с пропеллером. Первые же опыты показали, что так гораздо проще, и основной путь развития авиации был определен на долгие годы вперед. Никаких птиц. Исследования в области машущего полета оказались задвинутыми на задворки; нет, тупиковыми их не называли, но считали чем-то экзотическим – «в принципе возможно, но технически неосуществимо».

Разработки махолетов стали уделом одиночек, в основном самодельщиков. Их было много, в СССР после войны был даже создан Комитет машущего полета при ДОСААФ. Каждый пытался сделать свой аппарат. Из сотен построенных машущекрылых моделей ни одна так и не взлетела. Правда, в разные годы некоторым самодельщикам удавалось создать модели, запускаемые броском в восходящий поток воздуха, и даже пилотируемые планеры, но это махолетами не считалось: чтобы машущий полет признали полноценным, аппарат должен был все стадии (взлет, курс, посадка) проходить, махая крыльями, а это никак не получалось. Энтузиазм постепенно иссяк.

И вдруг успех. В 1981 году в печати появились сообщения о том, что в Москве построена модель, способная самостоятельно взлетать, летать и садиться, как птица. Авиастроительный мир встрепенулся. Неужели полноценный машущий полет наконец-то осуществлен? Да.

Такое не происходит ни с того, ни с сего. Аппарат, о котором идет речь, – не случайная удача, улыбнувшаяся вдруг дилетанту-самодельщику, а плод многолетнего труда профессионалов.

В 1976 году в Московском авиационном институте была организована опытно-конструкторская группа по исследованию машущего полета, которую возглавил в ту пору доцент, а ныне профессор Валентин Киселев.

Работу финансировали сразу несколько авиационных структур, в том числе мощнейшие в те времена ЦАГИ и ВВС, что позволило с первых же этапов проводить исследования на хорошей технической базе. Несколько стендов сотрудники группы соорудили сами специально под тему. Солидная теоретическая подкладка, профессионально выполненные расчеты, многократные испытания каждого агрегата – все говорило о том, что более чем полувековая эпоха дилетантства в исследованиях машущего полета закончилась.

Через 5 лет Киселев выкатил на летное поле первую модель махолета. Это был кордовый аппарат массой 7 кг и размахом крыльев 3,3 м, оснащенный электрическим двигателем мощностью 0,33 л. с., питание к которому подавалось по проводу. Расчетная скорость полета – 35v40 км/ч при частоте махов 1,4v1,5 в секунду.

По команде с пульта модель замахала крыльями, оторвалась от земли (по словам Киселева, все остолбенели, хотя в общем-то ничего другого и не ожидали) и принялась наматывать круги на трехметровой высоте. Полетала. Приземлилась. Все прошло нормально.

Развивая тему, сотрудники группы Киселева постепенно перешли от кордовых моделей к автономным. Новые 10-килограммовые аппараты «Стрекоза» и «Журавль» оснащались 2-тактными авиамодельными двигателями и радиоуправлением. Это существенно повышало информативность испытаний; появилась возможность пробовать махолеты не только в простом курсовом полете, но и в некоторых несложных фигурах пилотажа. Однако возникли проблемы. Начинка отечественного производства оказалась отвратительной: двигатели часто отказывали, да и радиоуправление надежностью не отличалось – в городе очень много помех (полеты проводились на бывшем Центральном аэродроме, что на Ходынке), впрочем, и в окрестностях Москвы трудно отыскать местечко с чистым эфиром. Несколько моделей разбилось – виной тому были моторы и электроника; собственно же махолеты особых проблем не создавали.

Модельная стадия разработки махолетов убедительно показала, что машущий полет не только «в принципе возможен», но и технически осуществим. Настало время подумать об аппарате, пилотируемом человеком. И к началу 90-х годов группа Киселева разработала несколько таких махолетов. На бумаге, в чертежах. Осталась самая малость: сделать их и поднять в воздух. И тут в планы Киселева вмешались политика с экономикой.

«Союз нерушимый» развалился. Все налаженные связи оборвались, государственное финансирование прекратилось. Научные и промышленные структуры, интересовавшиеся разработками Киселева, больше были озабочены собственным спасением, а не чьими-то пусть многообещающими, но не сулящими быстрой коммерческой отдачи идеями.

Киселев предпринял массу отчаянных попыток сотрудничества с новой буржуазией, но ему не повезло: три частные фирмы, взявшиеся, было, за постройку аппаратов, обанкротились, толком не успев ничего сделать.

Пилотируемые человеком махолеты так и остались только на бумаге.

Законный вопрос: а нужны ли они вообще? И если да, то зачем? Человечество уже век успешно летает, не махая крыльями. Классический, проверенный многолетней практикой принцип «тягу – двигателю, подъемную силу - крылу» для самолетов работает великолепно, так ли уж необходимо изобретать что-то еще? Попробуем ответить, ссылаясь на опыт Киселева.

Махолет, чьи крылья создают не только подъемную силу, но и тягу, хорош в первую очередь тем, что не требует взлетно-посадочных полос. Да, но, уместно такое возражение, существуют ведь вертолеты и самолеты вертикального взлета и посадки (ВВП), которые взлетают без разбега и садятся в точку. Чем они плохи?

Немного теории. Очень поверхностно, не влезая в научные дебри.

Подъемную силу при вертикальном взлете и вертикальной же посадке можно создать двумя способами. Первый - отбрасывая вниз большие массы воздуха с малыми скоростями (вертолет). Второй – отбрасывая вниз малые массы воздуха с большими скоростями (самолет ВВП; у него это достигается либо специальными подъемными двигателями, либо отклонением вектора тяги маршевых двигателей). Первый способ более экономичен, поскольку чем меньше скорость и больше масса отбрасываемого воздуха, тем меньшая требуется мощность для вертикального взлета, соответственно, тем меньше сжигается топлива.

Вертолет исключительно хорош при взлете и посадке. Ротор, или, как его еще называют, несущий винт, омахивает огромную площадь, подъемная сила создается легко при небольших затратах мощности. А вот в горизонтальном полете этот аппарат оставляет желать лучшего. Аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению воздуха) вертолетного несущего винта, работающего в плоскости, близкой к горизонтальной, в среднем в 3 раза ниже, чем у самолетного крыла. И потому у вертолета низкие летные характеристики, в частности, невысокая скорость и небольшая дальность полета.

У самолета ВВП – свои проблемы.

С горизонтальным полетом все в порядке, как и у любого самолета, а вот взлет и посадка очень энергоемкие. На этих фазах сжигается почти все топливо; на выполнение же собственно полетного задания остается совсем немного. Первый самолет ВВП, английский Harrier, долгое время считавшийся лучшим в своем классе, имел радиус действия всего 160 км. Для боевой реактивной машины это ничтожно мало. Кстати, когда ВМС разных стран стали оснащать подобными аппаратами, было отмечено много случаев увольнения летчиков в отставку: перспектива остаться без топлива где-нибудь посреди океана мало кого устраивала. Пилоты с американских авианосцев мрачно шутили: «Адмиралы получили прекрасную возможность гонять нас за пивом в береговой магазин – ни на что другое эти летающие гробы не способны».

Со временем отношение к самолетам ВВП изменилось: появились более совершенные разработки, дальность действия увеличилась. Но многие проблемы до сих пор не решены: увеличение емкости топливных баков, и, соответственно, общего веса машины приводит к уменьшению полезной (в частности, бомбовой) нагрузки. Выбор возможностей небогат. Либо летай во всеоружии, но недалеко, либо далеко, но с неполным боекомплектом.

Периодически предпринимаются попытки вывести гибрид самолета с вертолетом. Есть, например, самолет ВВП V-22 фирмы Bell – у него на концах крыльев установлены двигатели с трехлопастными винтами, работающие как маршевые в горизонтальном полете и как подъемные при взлете-посадке (двигатели поворачиваются на определенный угол). Такая конструкция тоже далека от совершенства. Чтобы избежать резкого дисбаланса при внезапном отказе одного из двигателей (это очень неприятно в горизонтальном полете и почти всегда смертельно на взлете-посадке), их приходится соединять длинным, почти равным размаху крыльев, синхронизирующим валом, что очень утяжеляет аппарат. Оба винта вместе омахивают как минимум вдвое меньшую площадь, чем пропеллер одновинтового вертолета (при равенстве габаритов сравниваемых аппаратов), следовательно, потребная для взлета и посадки мощность у рассматриваемой машины выше, а значит, расход топлива больше.

Есть и другие недостатки. Например, при использовании винтов в качестве движителей в горизонтальном полете их кпд резко падает – поэтому максимальная скорость такого аппарата далека от той, какую можно было бы ожидать при столь высоких энергозатратах. Кроме того, при взлете-посадке крыло не используется, а только мешает струе, создаваемой винтом. В общем, проблем много.

Махолет лишен всех перечисленных недостатков. Он соединяет в себе преимущества самолета и вертолета. По крайней мере, в теории.

Группа Киселева, как уже говорилось, разработала несколько махолетов различных типов. На примере одного из них покажем, что представляет собой машущекрылый летательный аппарат и как он работает.

С виду это обычный самолет. В его фюзеляже установлена специальная поворотная платформа, на которой шарнирно закреплены крылья. Реактивная струя двигателей при вертикальных взлете и посадке направляется на турбину привода гидронасоса, управляющего хитроумной системой связанных с крыльями гидроцилиндров. Они являются «мышцами», приводящими в движение крылья, которые машут в разных плоскостях – в зависимости от того, в каком режиме работает махолет: висения или горизонтального полета.

В хвостовом оперении махолета есть специальный привод установки стабилизатора по потоку, отбрасываемому машущим крылом.

В горизонтальном полете машущие крылья можно остановить – для этого предусмотрены специальные запирающие замки. В таком режиме махолет ничем не отличается от обычного самолета – крылья в неподвижном состоянии используются только для создания подъемной силы; тяга обеспечивается реактивной струей, направляемой уже не на турбину гидронасоса, а через обычные сопла назад.

Таким образом, на разных фазах полета можно выбирать наиболее выгодный режим: машущий полет на взлете-посадке, обычный – на горизонтальном курсе.

Расчеты показывают, что махолет может в горизонтальном машущем полете развивать скорость в 1,5-2 раза большую, чем вертолет той же массы, габаритов и грузоподъемности, и летать в 1,5 раза дальше (при остановленном крыле скорость больше в 3-4 раза). Если же сравнивать его с рассмотренным выше самолетом типа V-22, то теоретически скорость махолета на 40v50% выше, кроме того, вес пустого аппарата на 15v20% меньше.

При исследованиях принципов машущего полета Киселев столкнулся со множеством проблем, на первый взгляд казавшихся неразрешимыми. Предварительные расчеты убеждали в том, что машущий полет... вообще невозможен: слишком большая частота махания требовалась, чтобы создать потребные для взлета аэродинамические силы, должны были возникнуть огромные инерционные перегрузки (никакое крыло не выдержит).

Наблюдения за полетами птиц поначалу вообще сбивали исследователей с толку. Выяснилось, например, что по законам элементарной аэродинамики утка вообще летать не должна: нагрузка на крыло (отношение полного веса птицы к площади крыла) очень велика. Однако летает. Или, допустим, майский жук. Он тоже по всем законам неполетоспособен – это подробно описано в популярной литературе для авиамоделистов как некий природный казус.

Долгое время считалось, что несущие способности птичьего крыла во многом обеспечиваются перьевой структурой: желобками, бороздками, волосками, наполненными воздухом полостями и т. д., следовательно, сделать механическое подобие такого крыла невозможно (представьте себе самолет с перьями – весело, не правда ли?). Однако результаты экспериментов группы Киселева опровергли эту точку зрения. Машущее крыло способно создавать потребные аэродинамические силы независимо от того, какое оно – перьевое, перепончатое (летучие мыши) или имеющее вид плоской пластины с желобками (насекомые). Значит, дело не в перьях – они, как считает Киселев, нужны птице в основном для удобства складывания крыльев, для сохранения тепла и для обеспечения легкости «конструкции». И не в желобках – насекомые прекрасно летали с вымазанными краской крыльями. А в чем же?

Когда прообраз первого махолета замахал крыльями на стенде, исследователи с удивлением обнаружили, что, несмотря на неспособность двигателя довести частоту махов до расчетных значений, создаваемые аэродинамические силы не только достаточны для взлета, но и выше потребных! Парадокс. Чтобы «поверить глазам своим», пришлось сделать специальную установку в аэродинамической трубе, позволяющую резко вводить крыло в воздушный поток. Выяснилось, что сначала аэродинамические силы резко возрастают, а затем убывают до установления стационарного обтекания. Этот силовой скачок, обусловленный нестационарностью обтекания машущего крыла, очень полезен на малых скоростях и в режиме висения – он-то и делает возможным вертикальный взлет при минимальных затратах энергии. С ростом горизонтальной скорости аппарата несущие свойства машущего крыла падают, но подъемную силу легко сохранить за счет увеличения скоростного напора воздуха.

И еще один важнейший вывод из описанного явления. Поскольку нестационарность потока помогает создавать большие аэродинамические силы, позволяющие снизить потребные скорости махов, то вредные, разрушающие крыло инерционные нагрузки соответственно невелики. К тому же нагружающие крыло аэродинамические и инерционные силы, как выяснилось, при махании не складываются, так как действуют в разные моменты времени. Первые максимальны в средних положениях, когда и скорость маха максимальна, а вторые – в крайних, когда крыло меняет направление движения. И полезные аэродинамические, как правило, больше вредных инерционных, а значит, именно по ним должен осуществляться расчет крыла на прочность. Так что опасения насчет неизбежности разрушения конструкции от больших инерционных перегрузок беспочвенны.

Очень много сомнений оппоненты высказывали насчет возможностей увеличить вес и размеры машущекрылых аппаратов. Дескать, почти невесомая модель – это одно, а вот машина с людьми и грузом... Киселев провел массу испытаний геометрически подобных крыльев, размерами отличающихся друг от друга в 5 раз, и подтвердил теорию о том, что подъемная сила «обгоняет» рост веса аппарата – следовательно, никаких принципиальных причин для ограничения размеров махолетов нет. Сейчас в архиве группы Киселева лежит проект так называемого бизнес-махолета массой 5600 кг, способного перевозить 10 пассажиров на 1000 км или 5 пассажиров на 1800 км с крейсерской скоростью 800 км/ч. Есть и другие разработки, тоже далеко не «невесомые».

И по всем выкладкам, подтвержденным стендовыми испытаниями, эти машины должны вполне нормально летать.

Мы не будем описывать, как конкретно работает крыло в машущем полете – это требует огромного количества формул, графиков, диаграмм... Скажем лишь, что крыло в каждый момент времени делает движения, которые наиболее выгодны в данной фазе маха; при висении – в одних плоскостях, в горизонтальном полете – в других.

Справедливости ради следует отметить, что в своих изысканиях Киселев далеко не одинок. Изучением машущего полета активно занимаются и на Западе. Очень интересны разработки американца Пола Маккриди - талантливейшего конструктора, прославившегося созданием различных нетрадиционных средств передвижения по воздуху, таких, например, как самолет с мускульным приводом (в 1979 году мускулов летчика хватило на перелет через Ла-Манш) или самолет с электродвигателем, питающимся от установленных на крыльях солнечных батарей. В середине 80-х годов при мощнейшей поддержке коммерческих структур Маккриди построил нечто машущекрылое, внешне напоминающее птерозавра. Пресса поспешила окрестить аппарат махолетом.

Но, строго говоря, он махолетом считаться не мог.

Созданная Маккриди модель не умела взлетать сама. Ее запускали лебедкой. Включение крыла в машущий режим поначалу приводило к беспорядочному падению (при выполнении первого демонстрационного полета в мае 1986 года модель стоимостью $700 тыс. вдребезги разбилась о бетон аэродрома; пресса не замедлила поиздеваться: «Теперь понятно, как вымерли птерозавры»). Потом аппарат научили худо-бедно летать, махая крыльями; публика, видя это на авиашоу, визжала от восторга, но... Специалисты не признали трюк полноценным машущим полетом. Медленные, малоамплитудные, «робкие» движения крыльями в лучшем случае не препятствовали планированию. Ни о наборе высоты, ни об увеличении скорости даже речи не было. Ну машет модель крыльями и машет. А могла бы и не махать – результат был бы тот же. Киселев впоследствии проанализировал работу аппарата Маккриди и пришел к выводу, что потребных для взлета аэродинамических сил его крылья не создают.

Известны и другие разработки. Киселев переписывается с Аэрокосмическим институтом Торонтского университета, где в 1992 году была создана и успешно испытана модель машущекрылого аппарата, названного орнитоптером. Он запускается броском в восходящий поток воздуха, а сам взлетать не может. Кроме того, крутильные движения крыла осуществляются только за счет его гибкости (примерно так плавают скаты и камбалы), а не поворотами профиля крыла на потребные углы. Подбор параметров гибкости очень сложен. Крыло получается «однорежимным»; чуть меняются внешние условия – и полет становится проблематичным. Модель весит 3,4 кг и, судя по всему, существенно увеличить ее массу нереально (напомним, что киселевские уже летавшие «Стрекоза» и «Журавль» весят по 10 кг).

Киселев регулярно знакомит заокеанских коллег со своими разработками, а они его – со своими. Друг у друга идеи не заимствуют, каждый идет своим, как ему кажется, единственно верным путем.

В общем, периодически в мире строятся машущекрылые аппараты. Публикации в прессе позволяют говорить о приоритете российской науки в исследованиях машущего полета. Америка пока считает за откровение то, что для нас давно пройденный этап. Конечно, вполне возможно, что в каких-нибудь структурах вроде NASA уже создано что-либо, претендующее называться полноценным махолетом, но это нам неизвестно. Если же отталкиваться лишь от той информации, которая открыта для всех, можно утверждать: в этой области науки мы пока опережаем Запад лет на десять, а то и больше.

Как говорится, на этой радостной ноте можно было бы и закончить. Но радости что-то не ощущается. Мучает вполне уместный вопрос: если мы такие умные, если мы впереди планеты всей, то почему до сих пор на махолетах не летаем?

Причина до банального проста: деньги. Вернее, их отсутствие. На постройку первого в мире пилотируемого махолета по расчетам Киселева нужно около $100 тыс. Сумма в общем-то не ахти какая, но и ее пока никак не наскребут – видимо, людям науки трудновато ориентироваться в извивах нашей сумасшедшей экономики.

Аэродинамика, надо думать, проще.

Первый пилотируемый аппарат (для начала Киселев предлагает сделать машину с размахом крыльев 7,1 м и взлетным весом 450 кг, способную подниматься на высоту 4500 м и летать со скоростью 150 км/ч) можно построить и испытать за год-полтора. А потом... Потом возможны варианты его коммерческой реализации, позволяющей получить деньги на строительство более сложных машин.

Вариантов масса.

Во-первых, выставки. Только в США за год проводится более 400 авиашоу разных рангов, и любая экзотика проходит там на ура. Лучшую рекламу трудно придумать.

Во-вторых, прямая реализация. Лондонский музей науки и промышленности недавно обратился к Киселеву с просьбой продать первый махолет для экспозиции. А всемирно известная фирма Sotheby-s выразила согласие на аукционную продажу махолетов, естественно, когда те будут построены.

В общем, спрос уже есть. Нет только предложения.

Много ли на этом выручишь? Думаю, немало. Маккриди продал свою модель вашингтонскому авиамузею за $3 млн, а ведь это не полноценный махолет, а лишь его имитация. Представьте себе, за сколько могут купить настоящий махолет, пилотируемый человеком, да к тому же первый в мире.

Увы, пока все это выглядит, как разговоры в пользу бедных. Всем безумно интересно, но денег никто не дает.

Может быть, боятся – а вдруг не полетит? Что ж, риск, безусловно, есть. Но ведь кто не рискует...

Пока Киселев ищет деньги на постройку первого махолета, техническая база исследований потихоньку приходит в упадок. Не так давно, например, разворовали ангар, где хранятся модели. С аппаратов сняли все материально ценное (кстати, именно этим объясняется некоторая убогость иллюстраций к этой статье – фотографировать нечего, аппараты раскурочены). Символично для нашей науки, согласитесь.

Махолет рано или поздно кто-нибудь построит. Жаль, если это будет не в России, ведь мы в этой области первые.

Пока. Запад с его технической базой и финансами долго рассусоливать не станет – там, судя по публикациям, теория уже на подходе, глядишь, скоро и практический результат будет. И когда американцы полетят, махая крылышками, на вопрос «Почему не мы?» можно будет отвечать, разводя руками: «Потому что в кузнице не было гвоздя...» Или, точнее, потому что в кошельке не нашлось рубля.

© Журнал «МОТОР» 1996–2006