Изот Борисович Литинецкий Беседы о бионике

Предисловие

Пожалуй, ни одна из новых наук, родившихся в наш XX век, не приобрела за короткий срок своего существования такой огромной популярности, как бионика. Однако, если не считать отдельных статей и брошюр, до сих пор о бионике с инженерных позиций с широким кругом читателей еще никто всерьез не говорил.

Популяризация любой науки — дело сложное и трудное, а бионики — особенно. Чтобы написать в занимательной форме с большой научной достоверностью книгу о современных достижениях бионики и дальнейших путях развития этой новой многообещающей науки, нужно обладать не только обширными и глубокими инженерными знаниями, но и приобщиться к "безбрежной" биологии, что само по себе не просто. Надо быть еще немножко историком и философом, потому что подлинно популярную книгу о бионике сегодня нельзя уложить в рамки локальной научной публикации: такая книга должна воссоздать перед читателем картину зарождения и становления новой науки, берущей свое начало в глубокой древности, показать всю ее современную многогранность и потенциальные возможности. Надо отличаться большим трудолюбием и быть энтузиастом бионики, чтобы в течение нескольких лет по крупицам собирать, обрабатывать и систематизировать разрозненный в сотнях публикаций на различных языках мира обширнейший материал о результатах бионических исследований, проведенных со времен Леонардо да Винчи, Кеплера и до наших дней. Наконец, надо владеть пером, чтобы, не утомляя читателя специальной научной терминологией, образно и эмоционально раскрыть по возможности полно всю проблематику современной бионики.

Сейчас более или менее четко определилось три основных направления бионики: биологическое, теоретическое (математическое) и техническое. Предметом биологической бионики является изучение явлений и процессов, протекающих в живых организмах, для выяснения положенных в их основу принципов, могущих помочь в решении тех или иных актуальных проблем. Теоретическая бионика занимается разработкой формально-математических моделей жизнедеятельности. Эта отрасль бионики является относительно новым на-правлением, результаты работы которого необходимы как биологам — для углубленного понимания функций биологических систем, так и инженерам — для создания электронных аналогов этих систем. Что же касается технической бионики, то она занимается усовершенствованием существующих и созданием принципиально новых технических систем, основанных на математических моделях, разработанных теоретической бионикой. Таким образом, общей задачей бионики является углубленное изучение функций, особенностей и явлений живой природы с целью применения добытых знаний в мире техники. Автор в основном посвятил свою книгу наиболее интенсивно развивающейся в настоящее время технической бионике.

Автор знакомит читателя с важнейшими исследованиями, которые ведутся в настоящее время отечественными и зарубежными коллективами биоников в области аэрогидродинамики, биомеханики, биоархитектуры, биометеорологии; с работами по изучению механизмов и методов локации, ориентации и навигации различных животных; с бионическими аспектами проблемы "человек — машина"; с созданием биоэлектрических систем управления техническими объектами и биоточным протезированием; с исследованием возможностей долговременного пребывания человека под водой и работами по освоению сказочных богатств "голубого континента"; с фундаментальными исследованиями в области распознавания зрительных и акустических образов; с моделированием нейронов и нервных сетей и, наконец, с работами по изучению принципов микроминиатюризации и обеспечения высокой надежности биологических систем.

Каждая беседа насыщена огромным фактическим материалом, поданным в увлекательной форме. Поэтому соблазн пересказать содержание всей книги очень велик.

Нам надо, писал В. И. Ленин, чтобы "наука действительно входила в плоть и кровь, превращалась в составной элемент быта вполне и настоящим образом". "Беседы о бионике" прочтет с удовольствием не только специалист, но и каждый образованный человек, потому что книга посвящена новому и интересному научному направлению и написана не шаблонным, не сухим "научным" языком. Романтическая книга о науке привлечет и новых энтузиастов бионики: ведь для того, чтобы открыть новые земли, нужен, образно говоря, не только учебник навигации, но и "Одиссея", пробуждающая героическую жажду исканий. И в этом смысле значение "Бесед о бионике" И. Б. Литинецкого трудно переоценить. Написана умная и содержательная книга, увлекательный рассказ о новейших достижениях самой молодой и многообещающей науки. Такую книгу уже давно ждет широкий круг наших читателей.

23 октября 1967 г. Москва

Академик А. И. Берг

Беседа первая. Скальпель, паяльник, интеграл

Молодая наука бионика получила свое название от древнегреческого слова "bion" — элемент жизни, ячейка жизни или. точнее, элемент биологической системы.

Формально датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г-день открытия первого американского национального симпозиума на тему "Живые прототипы искусственных систем — ключ покой технике". Однако такой симпозиум можно было провести только потому, что к этому времени уже были получены первые значительные результаты в изучении принципов организации и функционирования некоторых живых систем и практическом использовании добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.

Каковы же особенности новой науки? В чем ее суть? Что это за "живая вода" техники? Какие причины вызвали к жизни бионику? Для того чтобы ответить на все эти вопросы, нам придется совершить небольшой экскурс в далекое прошлое.

Предполагается, что Земля существует около 5 миллиардов лет, что жизнь в самом примитивном виде зародилась 1,5 — 2 миллиарда лет назад. В процессе последующего беспощадного естественного отбора, длившегося миллионы лет, среди животных и растений выжили самые сильные, лучше всего приспособившиеся к определенным природным условиям, совершавшие меньше всего ошибок, действовавшие более рационально. В итоге столь продолжительной эволюции природа создала на Земле гигантскую сокровищницу, в которой не счесть изумительных образцов "живых инженерных систем", функционирующих очень точно, надежно и экономично, отличающихся поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.

Многие из этих "изобретений" природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения. "Создание линзы, — отмечает Джон Бернал, — является первой попыткой расширить сенсорный аппарат человека... Линза стала прототипом телескопа, микроскопа и других оптических приборов позднейшего времени. Если бы арабские врачи создали только оптику и ничего больше, то и в этом случае они внесли бы важнейший вклад в науку".

В области физики изучение многих основных принципов учения об электричестве было начато с исследования так называемого животного электричества. В частности, знаменитые опыты итальянского физиолога XVIII века Луиджи Гальвани с лапкой лягушки привели в конечном итоге к созданию гальванических элементов — химических источников электрической энергии.

Французский физиолог и физик XIX столетия Жан Луи Мари Пуазейль на основе экспериментальных исследований тока крови в кровеносных сосудах установил закон течения жидкости в тонких трубках. Этот закон ныне широко используется в гидравлике при определении вязкости, а также скорости кровотока в капиллярных сосудах.

В 1840 — 1841 гг. немецкий ученый Юлиус Роберт Майер, выполнявший обязанности судового врача на голландском судне, направлявшемся на остров Яву, заметил, что в тропиках цвет венозной крови изменяется. Тщательное изучение энергетического баланса живого организма и крови человека завершилось установлением закона сохранения и превращения энергии, который был изложен Майером в труде "Замечания о силах неживой природы" (1842 г.), а более полно и развернуто — в трудах "Органическое движение в его связи с обменом веществ" (1845 г.) и "О количественном и качественном определении сил" (1881 г.).

И еще один, последний, пример. Великий русский ученый Н. Е. Жуковский, исследуя полет птиц, открыл "тайну крыла", разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воздухе. Он не замедлил приложить свою теорию к практике, и, в сущности, результаты изучения особенностей полета птиц, которому так много времени уделял Н. Е. Жуковский, лежат в основе современной аэродинамики.

Приведенные примеры, а их число можно было бы значительно умножить, убедительно говорят о том, что замечательные творения живой природы уже давно изучаются, а принципы их построения заимствуются человеком. Однако поиски в патентной библиотеке кудесницы природы новых идей, приложимых к различным задачам техники, были нерегулярными, носили спорадический характер. Лишь в последние годы в связи с бурным развитием автоматики, электроники и кибернетики, а также с успехами экспериментальной техники такие поиски стали систематическими и приобрели широкий размах. Именно это стремление ученых понять, в чем природа совершеннее, умнее, экономнее современной техники, их попытки найти новые методы решения стоящих перед инженерами сложных проблем и породили новую науку, получившую название бионика.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Чтобы познать "конструкцию" и принцип действия биологической системы, повторить ее в металле или хотя бы промоделировать, исследователю необходимы универсальные знания. Между тем до сравнительно недавнего времени шел интенсивный процесс разъединения, дробления научных дисциплин. В конечном итоге это привело к возникновению около 1200 отраслей знания. На определенном этапе такая дифференциация знаний способствовала успешному развитию всех или почти всех отраслей науки и техники. Но теперь узкая специализация ученых затрудняет прогресс. В результате чрезмерной дифференциации науки очень усложнилось общение специалистов, работающих даже в смежных областях. Ученые говорят подчас на разных "языках" и плохо понимают друг друга, причем трудности общения специалистов с каждым годом возрастают. Вследствие этого появилась настоятельная потребность в такой организации результатов исследований, которая позволяла бы охватить их целиком, интегрировать на основе единых всеобъемлющих принципов.

Первый крупный шаг на пути к новому объединению наук — интеграции на основе всеобщности принципов управления живым и неживым и их связи сделала в середине нашего столетия кибернетика. По этому же пути, но еще дальше пошла недавно родившаяся бионика. Бионика устраняет противоречие, возникшее в результате специализации наук, и соединяет разнородные сведения в соответствии с единством живой природы. Она сформировалась на базе различных отраслей биологии, физики, техники и других наук. По существу, она синтезирует накопленные знания в ботанике и электронике, физиологии и кибернетике, математике и нейрофизиологии, физике и психологии, биохимии и механике, биофизике и психиатрии, нейрологии и эпидемиологии, химии и анатомии. Не случайно бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом — "Живые прототипы — ключ к новой технике".

Хотя новая наука сразу же обзавелась эмблемой и девизом, нельзя не отметить, что до сих пор среди ученых нет единого мнения о содержании бионики. Первоначально бионика связывалась с решением ряда специфических задач электроники, и в литературе появилось множество названий дисциплин, расположенных между классической биологией и электроникой и объединяющих эти две отрасли ("биомедицинская электроника", "биотехника", "медицинская электроника", "прикладная биофизика", "биофизическое приборостроение", "бионика" и др.). Такое множество названий, естественно, вносило путаницу и затемняло существо вопроса, в котором должна была царить полная ясность. Затем была высказана мысль о том, что бионика — это лишь "искусство применения знаний биологии при решении некоторых инженерных проблем". Несколько позже бионику начали трактовать как комплекс практических приемов и методов, заимствованных из биологии и используемых при решении технических задач.

В настоящее время многие специалисты считают бионику новой отраслью, новой ветвью кибернетики. "Бионика — это раздел кибернетики, занимающийся использованием биологических процессов и приложением биологических методов для решения инженерных задач". Именно так определяет бионику энциклопедия "Автоматизация производства и промышленная электроника".

Однако имеется немало ученых, которые не согласны с таким определением. В частности, один из основоположников этой науки, профессор Массачусетского технологического института Уоррен Мак-Каллок в докладе "Подражание одних форм жизни другим — биомимезис", прочитанном осенью 1961 г. на состоявшемся в Итаке (США) симпозиуме по бионике, высказал следующее мнение:

"Ее (бионику — И. Л.) никоим образом нельзя отождествлять с кибернетикой или считать частью этой науки. В сущности, бионика — область гораздо более широкая... Главное ее содержание — изучение тех приемов, к которым прибегает природа для решения различных задач, а конечная цель — воплощение их в виде инструментов и приборов".

Итак, мнения ученых в вопросе о том, является ли бионика самостоятельной научной дисциплиной или же новой ветвью кибернетики, расходятся. Однако нам думается, что если учесть существующее ныне положение в бионике, достигнутые ею за последние годы успехи и зримо видимое уже сегодня ее многообещающее будущее, то бионику вполне заслуженно, не колеблясь, можно и должно возвести в "ранг" самостоятельной науки. В самом деле, ее задачи никак нельзя сводить лишь к изучению вопросов, непосредственно связанных с процессами управления и связи, т. е. к исследованию механизмов восприятия, переработки и передачи информации в живых организмах, и к использованию полученных данных при проектировании кибернетической аппаратуры различных видов.

На наш взгляд, бионика является более широкой наукой, она имеет дело с самыми разнообразными характеристиками живых организмов, переносимыми в технические системы, в том числе с характеристиками вещественных, энергетических и информационных процессов. У бионики чрезвычайно широкий круг интересов, она связана теснейшим образом с множеством прикладных технических отраслей: самолетостроением, космонавтикой, кораблестроением, радиоэлектроникой, инструментальной метеорологией, машиностроением, строительным делом, навигационным приборостроением, архитектурой, технологией химических производств и др. Объединяя и взаимно обогащая изолированные ранее друг от друга биологические и технические науки, бионика стремится на основе современных математических, физических и физико-химических методов исследования биологических систем найти оптимальные решения самых сложных инженерных проблем.

Говоря кратко, бионика — это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Ее можно также назвать наукой о построении технических устройств, характеристики которых приближаются к характеристикам живых систем.

В настоящее время различают три основных методологических направления бионики: биологическое, математическое (теоретическое) и техническое. Биологическая бионика, базируясь на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, могущих быть положенными в основу решения тех или иных чисто инженерных проблем. Содержанием теоретической бионики является разработка математического аппарата биологического моделирования, а также математических моделей явлений и процессов, протекающих в живых организмах. И, наконец, техническая бионика занята реализацией математических моделей тех или иных сторон деятельности живых организмов с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем — приборов, аппаратов, устройств, превосходящих по своим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.

Однако надо заметить, что в природе не все устроено лучшим образом. Выступая на I Всесоюзной конференции по бионике в конце 1963 г., академик А. И. Берг отметил: "Далеко не все методы и способы решения и реализации, оправданные в живой природе, приемлемы для нас сегодня в технике. В природе очень много нецелесообразного, лишнего, давно отжившего, несовершенного. Ведь часто интересы отдельного субъекта растворяются в интересах сохранения, воспроизведения и размножения всего вида. Избыточность в природе часто не экономична и с научной точки зрения совершенно неоправдана... Не удовлетворяют современную технику и те скорости рабочих процессов, с которыми мы встречаемся в биологических системах". Поэтому бионика не идет по пути слепого копирования природы. Изучая биологические объекты и процессы, она стремится позаимствовать у природы лишь самые совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, ее внимание сосредоточено "...на раскрытии тех принципов построения структуры, определении тех важнейших функциональных зависимостей и методов приспособления, резервирования и самообновления, которые обеспечивают биологическим системам исключительно высокую гибкость и живучесть в сложных условиях их существования". Иными словами, бионика стремится перенести в технику лучшие создания природы, самые рациональные и экономичные структуры и процессы, которые выработались в биологических системах за миллионы лет эволюционного развития.

Тематика проводимых в настоящее время в разных странах бионических исследований чрезвычайно обширна. Всю совокупность разрабатываемых ныне важнейших проблем условно можно подразделить на ряд комплексов, дающих представление о целенаправленности и характере задач, решаемых бионикой. Перечислим эти комплексы:

Исследование и моделирование нейронов, нейронных сетей, нервных центров и принципов организации мозга живого организма с целью изыскания путей их использования в технических устройствах и системах.

Исследование принципов, позволяющих достичь высокой надежности биологических систем, моделирование биологических принципов резервирования, компенсаторных функций организмов и их способностей к адаптации.

Исследование биологических рецепторных и анализаторных систем (главным образом изучение органов зрения, слуха и обоняния) с целью построения их технических моделей.

Исследование систем навигации, локации, стабилизации, ориентации некоторых представителей мира животных; создание принципиально новых технических устройств на основе результатов этих исследований.

Исследование методов кодирования, передачи и обмена информацией, применяемых биологическими системами на различных уровнях организации (на уровне коллективов, отдельных организмов, органов, на клеточном и молекулярном уровнях), с целью создания новых видов и средств технической связи.

Проблема "человек — машина"; бионические аспекты проблемы: разработка методов выявления и оценки психофизиологических способностей и возможностей человека; поиск оптимальных методов обучения и тренировки; создание средств, облегчающих условия работы человека-оператора биоэлектрических систем управления техническими объектами и системами; разработка методов и средств контроля и прогнозирования состояния человека-оператора.

Исследование аэродинамических свойств птиц и насекомых, гидродинамических характеристик рыб, китообразных, а также рыхлящих и землеройных приспособлений некоторых животных с целью использования результатов этих исследований в авиа- и судостроении, при конструировании и изготовлении землеройных машин.

Построение технических систем для получения энергии на основе аналогии с биологическими системами и для получения энергии в специальных случаях непосредственно от биологических систем.

Освоение биологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов в технологии производства сложных органических веществ.

Изучение биологических процессов, природных конструкций и форм с целью их использования в строительной технике и архитектуре.

Возможно, что завтра у бионики появятся новые задачи, идеи, направления, которые трудно предусмотреть сегодня. Однако независимо от этого предельно ясно, что благодаря стремительному и целенаправленному развитию бионики во многом еще "загадочная" природа становится все более мудрым советчиком, учителем и союзником человека.

Возможности искусственного воспроизведения природных объектов, живых структур всегда зависят от исторических условий, от определенного уровня развития науки и техники. В развитии творческой мысли и технических возможностей человека не существует какого-либо предела. Следовательно, нет и не может быть естественных объектов, принципиально не воспроизводимых искусственно. Существуют лишь объекты, которые не могут быть смоделированы на данном этапе развития науки и техники. Но по мере развития наших знаний и технических средств возможности моделирования "естественной" природы расширяются. Поэтому не может быть сомнения в том, что со временем бионики не только повторят самые выдающиеся инженерные шедевры природы, но и превзойдут их.

Уделив столько места предмету бионики, нельзя не сказать нескольких слов о том, как и почему появилась эта книга, какую задачу пытался решить автор, собирая и систематизируя огромный по объему материал. Несмотря на свой еще совсем юный возраст, бионика уже может и должна подвести некоторые итоги.

Такое утверждение можно оправдывать по-разному, но оно покажется совершенно очевидным всякому, кто прочтет до конца эту книгу.

Однако сегодня трудно представить себе монографию или научный обзор, который охватил бы все области бионики — этого поразительного конгломерата, объединившего столько отраслей человеческих знаний. Именно поэтому автор остановил свой выбор только на одном направлении — это книга в основном о технической бионике, ее проблемах и достижениях, ее загадках и перспективах.

Казалось бы, задача поставлена предельно скромно. Но решить ее в одной книге каким-либо путем, отличным от того, который избрал автор, представляется нереальным. Выше мы перечислили те комплексы исследований, из которых складывается сегодняшняя техническая бионика. Проблемы этих исследований настолько различны, средства для решения этих проблем настолько разнообразны, что серьезные научные работы должны неизбежно становиться узкими и специальными. Значит, популярный рассказ — это та единственная форма, которая может сгладить все внутренние противоречия и решить основную задачу — подвести итоги развития молодой, бурно развивающейся науки.

Серьезной проблемой, неизбежно возникающей перед автором любой популярной книги, становится вопрос о библиографии. Вполне очевидно, что, обобщая и анализируя огромный по объему материал, автор лишен практически возможности сделать ссылки на все литературные источники (от трудов специальных научных симпозиумов до сообщений в периодической печати), которые так или иначе были использованы в процессе создания книги. Там, где это возможно, автор указывает место, время и исполнителей того или иного эксперимента, иногда ссылается в тексте на источник получения информации. Но систематического библиографического указателя в книге не дано, и сделано это вполне сознательно. Если задаться на сегодня такой целью, то сама по себе библиография займет не меньше чем пятую часть объема этой книги и скорее будет полезной специалистам, нежели тем читателям, которых имеет в виду автор. Не ссылаясь всякий раз на источники, автор тем самым берет на себя, берет добровольно и сознательно, дополнительную ответственность.

Есть условия, которые при всем при этом должны соблюдаться свято: научная достоверность приводимого факта и грамотное с точки зрения физика и химика, биолога и инженера объяснение факта, исследования, задачи. В этом смысле неоценимую помощь советами и обсуждениями, рецензиями и рекомендациями оказали автору академик А. И. Берг, чл.-корр. АН СССР Б. С. Сотсков, акад. АН УССР В. Г. Касьяненко, докт. биол. наук, проф. А. Г. Томилин и все те, кто взял на себя труд прочесть рукопись или ее отдельные части.

Есть еще одна цель, которую преследовал автор, работая над этой книгой. Чтобы быть перед читателем честным до конца, следует рассказать и о ней. По нашему глубокому убеждению, бионика больше всего сейчас нуждается в специалистах, в энтузиастах, в романтиках, способных поверить в ее будущее, способных отдать ей весь пыл и всю страсть молодости, весь опыт и всю мудрость зрелости. При этом жанр научной популяризации может и наверняка сыграет решающую роль. С этой позицией автора связана одна особенность книги, которая вряд ли встретит всеобщее понимание. Автор время от времени позволял себе помечтать вместе с читателем о том, что сегодня может показаться фантастическим (но заметьте, не абсурдным!). Автор рассказывает о самых смелых, о самых "головокружительных" проектах и стремится, чтобы голова у читателя закружилась в ту же сторону. Даже если читатель углубится в какую-либо проблему с целью опровергнуть "зарвавшегося" автора, это будет большим достижением и принесет автору немалое удовлетворение.

И если, говоря о бионике серьезно, мы называем ее символами скальпель, паяльник и интеграл, то полушутя-полусерьезно сегодня следует прибавить к этим символам еще и перо.

Беседа вторая. Скорость, экономичность, маневренность

Природа не "изобрела" ни колеса в том виде, в котором мы его привыкли видеть, ни гребного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств, широко применяемых ныне в различных видах транспорта. И все же ни одна отрасль техники так не обязана природе своим возникновением и стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, как современный транспорт во всем его многообразии.

Рис. 1. Нога человека при ходьбе описывает часть окружности

Щедрая, все знающая и все умеющая природа научила человека строить самолеты, сделала его крылатым, как птица, и быстрым, словно мысль. Она же научила его плавать и мастерски сооружать речные, морские и океанские корабли. И очень может быть, что идею изобретения колеса человеку также подсказала природа. Действительно, присмотритесь повнимательнее, как идет человек (рис. 1). Шагание, как говорят инженеры, — это "прерывистое качение". Человек же в свое время пошел дальше, он создал колесо, способное к непрерывному качению. Рушились царства, сменялись цивилизаций, но круглая форма колеса оставалась неизменной. Гениальное изобретение человека — колесо прочно вошло в нашу жизнь. Найдись ныне какой-нибудь озорник, который вздумал бы вдруг утащить у нас все колеса, и мы оказались бы в крайне затруднительном положении.

По сути, природа была первым политехническим институтом, в котором человек за многие века своей учебы приобрел "высшее" образование в разных областях транспорта. Но все это было давно. А сегодня? Можем ли мы, располагая быстроходными автомашинами, скоростными железнодорожными экспрессами, комфортабельными дизель-электроходами, стремительными воздушными лайнерами, еще чему-нибудь научиться у природы, позаимствовать из ее "инженерной" сокровищницы новые прогрессивные идеи, методы и средства для дальнейшего развития техники транспорта? Оказывается, можем, и вот тому пример.

Не так давно сотрудники Научно-исследовательской лаборатории механизации трудоемких работ Горьковского политехнического института разработали под руководством А. Ф. Николаева оригинальную снегоходную машину, в основе которой лежит принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Эти забавные птицы передвигаются весьма своеобразным способом — на брюхе, отталкиваясь от снега ластами, словно лыжники палками. Точно так же, лежа на снежной поверхности широким днищем и отталкиваясь от нее колесными плицами, легко скользит по рыхлому снегу новая снегоходная машина "Пингвин", развивая скорость до 50 км/час.

В таких машинах давно нуждаются многие отрасли народного хозяйства на Севере нашей страны; они окажут неоценимую услугу отважным советским исследователям Антарктиды во время их долгих и трудных походов по снежной пустыне, где обычные тягачи, тракторы и транспортеры не способны развивать достаточно большую скорость: эти машины образуют слишком глубокую колею, часто буксуют и увязают в мелкозернистом, несцементированном, рассыпчатом, как песок, снегу.

Не менее интересна и другая транспортная новинка, позаимствованная у природы.

Рис. 2. Кенгуру и схема перемещения прыгающего автомобиля

У любителей автомобильного спорта и шоферов-профессионалов есть давняя мечта — сесть за руль машины, которая с одинаковой легкостью мчалась бы по шоссе и грунтовой дороге, пересекала бы болота и пески, переносилась бы через канавы и овраги, ручьи и реки... Над осуществлением этой мечты уже не первый год работают ученые и конструкторы ряда стран. И вот, сравнительно недавно, известный инженер В. Турик разработал конструкцию первого в мире бесколесного прыгающего автомобиля. Идею этого изобретения В. Турику подсказал... кенгуру!

Да, да! Мы не оговорились, обычный кенгуру, каких немало водится в Австралии. Этих животных природа приспособила к быстрому бегу прыжками на задних конечностях. У крупных кенгуру длина прыжков достигает 10 м, высота — 3 м. Этих сумчатых млекопитающих практически не догонит ни одно из умеющих бегать животных, они могут даже поспорить с некоторыми автомобилями. И вот еще одна любопытная и чрезвычайно важная деталь: перемещаясь прыжками, кенгуру сохраняет очень высокую маневренность. Все специфические особенности "прыжкообразного" движения кенгуру нашли свое отражение в предложенной В. Туриком конструкции автомобиля-прыгуна (рис.2).

Новая машина может совмещать в себе одновременно функции трактора, автомобиля и тягача. При движении она не образует колею. И, наконец, самое главное — ей не нужна дорога. По высокой проходимости автомобиль-кенгуру можно сравнить лишь с будущими "автолетами". И хотя прыгающий автомобиль еще не создан, можно не сомневаться в том, что новый принцип движения найдет в ближайшее время успешное применение.

Одним из интересных и перспективных направлений современной бионики является разработка шагающих вездеходов. Над их созданием сейчас работают инженеры ряда стран, хотя идея построения таких систем сама по себе не нова.

Рис. 3. 'Стопоходящая машина' П. Л. Чебышева

В конце прошлого века гениальный русский ученый П. Л. Чебышев построил "переступающую машину".

Модель оригинального механизма состоит из четырех, похожих на греческую букву "ламбда", ног. Механические ноги (только они и показаны на рис. 3) соединены так, что их кривошипы образуют обыкновенный параллелограмм, в углах которого находятся шарниры. Каждая нога "стопоходящей машины" — так назвал свое изобретение автор — представляла собой копию ноги кузнечика. Стоило рукой переместить корпус "стопохода" вперед или назад, как машина приходила в движение. Четыре ноги "стопохода" перемещались попарно: вторая с четвертой и первая с третьей. Внешне похожий на плоского кузнечика, "стопоход" шагал...

Однако "стопоходящая машина" не получила практического применения при жизни ее создателя. Не был реализован также патент на шагающий механизм, полученный незадолго до Октябрьской революций двумя талантливыми русскими изобретателями П. Орловским и Н. Гусевым.

Почему же теперь, спустя несколько десятилетий, инженеры вновь вернулись к изобретению П. Л. Чебышева, к патенту П. Орловского и Н. Гусева? Все дело в том, что практика требует создания все новых и новых конструкций вездеходов для работы в труднопроходимых местностях, в горах, песках, снегах, на болотах. Так уже бывало не раз, когда ученые, сталкиваясь с новыми сложными проблемами, возвращались к давно забытым идеям и изобретениям.

Американцы, например, стремятся использовать принципы ходьбы в машинах, предназначенных для военных целей. Над решением этой задачи по контракту, заключенному с Техническим управлением бронетанковых войск США, в настоящее время работает большая группа специалистов. Первый опытный образец бесколесной шагающей машины был создан учеными Мичиганского университета шесть лет назад. У него 8 ног, по 4 с каждой стороны. Ноги машины смонтированы на соединяющем брусе, который Чебышев называл корпусом. Концы ног соединены с лыжами. В сущности, это кривошипно-шатунный механизм, очень похожий на "стопоходящую машину". Разница заключается лишь в том, что великий русский механик и математик при создании своего "стопохода" был более дальновидным и предусмотрительным, нежели американские разработчики шагающей машины. При испытаниях опытный образец американской машины трясло и раскачивало, как корабль в сильный шторм. Причиной этого были возникшие в машине крутящие моменты и инерционные силы, которые конструкторам не удалось сбалансировать.

По-иному подошел к созданию шагающей машины инженер Юлиус Макерле. Он решил "научить" автомобиль ходить подобно тому, как это делает человек. На первый взгляд такая идея может показаться несостоятельной, ибо уже давно известно, что шагающая машина, точно повторяющая шагающий механизм человека, экономически невыгодна при больших скоростях передвижения. Совершая шаг, нога делает движение, похожее на качание маятника. Она получает ускорение и затем тормозится. Расчеты показывают, что до ³/₄ энергии, расходуемой на шагание, затрачивается в фазе торможения.

Рис. 4. Шагающее колесо. А — втулка колеса, в которой перемещается золотник, распределяющий давление воздуха в камерах. Б — полость золотника, обеспечивающая сообщение камер 1 и 2 с атмосферой. В — полость золотника, по которой воздух под давлением идет от компрессора в камеру 4

Однако для процесса ходьбы характерна одна важная особенность. Она заключается в том, что при каждом шаге нога отталкивается от земли в точке, находящейся несколько позади центра тяжести тела. В результате человек падает вперед до тех пор, пока он не выставит вперед другую ногу. Эта особенность и натолкнула Юлиуса Макерле на мысль создать так называемое "шагающее колесо".

Шагающее колесо имеет на своем ободе большое число пневматических камер. Давление воздуха в них непостоянно, и все они связаны с компрессором, который, изменяя давление в камерах, заставляет колесо перемещаться. Как это происходит, легче всего понять с помощью схемы, изображенной на рис. 4. Вкратце вся идея действия этих камер сводится к тому, что камера, находящаяся за точкой касания колеса с грунтом, раздувается воздухом таким образом, что колесо опирается на нее. При этом возникает такой же опрокидывающий момент, как и при ходьбе человека.

Двигателем машины с таким колесом служит агрегат, состоящий из мотора и компрессора. Раздувание камеры, находящейся позади точки касания колеса, сопровождается одновременным сжиманием камеры перед этой точкой, причем общий объем воздуха во всех камерах остается практически неизменным. Скорость вращения колеса прямо пропорциональна числу оборотов компрессора, иначе говоря, скорости подачи воздуха в раздуваемые камеры. Чем быстрее они будут наполняться, тем скорее будет перекатываться колесо.

Испытания опытной модели нового двигателя показали, что принцип, положенный в его основу, практически вполне себя оправдал. При избыточном давлении в 0,3 кг/см² модель весом 4,3 кг передвигалась довольно успешно даже с дополнительной нагрузкой в 10 кг. Модель свободно преодолевала довольно серьезные для ее размеров препятствия и легко шла по очень плохим (с точки зрения автомобилиста) дорогам, например по глубокому песку.

Разумеется, маловероятно, что такое колесо появится на обычном автомобиле, однако на специального вида машинах, например строительных, экспедиционных, военных — словом, там, где необходимо иметь высокую проходимость и маневренность, шагающее колесо, несомненно, найдет широкое применение.

На очереди у творцов транспортных машин еще одна задача. Речь идет о том, что рано или поздно человек начнет осваивать пока еще загадочные просторы нашего древнего спутника — Луны, и для этого ему, естественно, понадобятся транспортные средства. Как же будут выглядеть транспортные машины, которые возьмут с собой лунные экспедиции?

Проектов лунных вездеходов разработано много. Предложено несколько вариантов танкеток на гусеничном ходу. Запроектированы лунные экипажи на квадратных и овальных, а также на гибких колесах. Существует проект настоящего механического монстра — трехосной машины на гигантских шарообразных колесах. Такие колеса, по мнению изобретателей, должны легко катиться по лунному "бездорожью". Имеется проект вездеходов в виде двойной винтовой спирали — так называемого винта Архимеда, — которая должна ввинчиваться в почву для передвижения по лунной поверхности. Наконец, разработан проект скачущего джипа — небольшой ракетной повозки, передвигающейся гигантскими скачками длиной в несколько десятков километров каждый.

Все эти проекты были разработаны с учетом существовавшей до последнего времени гипотезы, согласно которой поверхность Луны покрыта толстым слоем пыли. Однако результаты изучения лунных фотографий такое предположение не подтвердили, хотя возможность существования пылевых слоев в некоторых районах Луны полностью исключить нельзя. Детальный анализ снимков свидетельствует о сложной структуре лунной поверхности. Вероятно, наружный слой лунной породы толщиной в несколько сантиметров представляет собой интенсивно взрыхленное вещество. Оно покрывает практически всю поверхность Луны. Его шероховатая, сильно изъеденная структура напоминает начавший таять грязный весенний снег. Этот слой неоднороден. Вместе с мельчайшими частицами размерами в доли миллиметра встречаются более крупные куски пород сантиметровой и дециметровой величины. По подсчетам ученых, несущая способность поверхностного слоя Луны равна 1 — 10 кг/см², что составляет примерно ¹/₁₀₀ — ¹/₁₀₀₀ несущей способности массивной базальтовой породы. Из этих расчетов следует, что поверхность Луны достаточно прочна.

Учитывая новые данные о лунной поверхности, добытые за последние годы советскими и американскими автоматическими станциями, многие специалисты ныне все больше склоняются к мысли, что лунные вездеходы следует ставить не на колеса, а на ноги в самом прямом, буквальном смысле этого слова. Ноги лучше колес. Не повсюду, конечно, но в горах, в песках, среди ледовых торосов они убедительно доказали свое преимущество. Оправдают они себя и на Луне.

У кого же поучиться конструированию шагающей техники, с которой придется работать в необычайно трудных "лунных условиях"?

И снова беспокойная, вечно ищущая мысль человека обращается к живой природе. К кому же именно?

Не так давно внимание ученых привлек обыкновенный паук. Их заинтересовало, как этот представитель членистоногих ходит и довольно быстро бегает, имея длинные лапки, практически лишенные мышц.

Какая же сила движет лапки паука? Зоологи Кембриджского университета Парри и Браун установили, что эта движущая сила имеет гидравлическое происхождение. Значит, движение лапок паука осуществляется посредством своеобразного "гидравлического привода", жидкостью для которого служит кровь.

Произвели киносъемку и с ее помощью установили, что природа действительно наградила пауков чудесным гидроприводом. Если паук вытягивает лапки, гидропривод повышает в них давление крови до такой степени, что отвердевают их щетинки, и, наоборот, при сгибании конечностей гидропривод уменьшает в них давление крови.

В состоянии покоя давление крови в организме паука, как показали произведенные замеры, лишь на 0,05 атм выше давления окружающего воздуха. Но в момент прыжка животного оно мгновенно повышается на 0,5 атм! "Искусственная гипертония" служит тем источником энергии, которая позволяет пауку ставить "мировые рекорды" в прыжках. Так, например, европейские пауки-прыгуны берут высоту, превышающую в десятки раз (!) размеры их тельца.

Итак, уникальный гидропривод паука — это та биологическая система, которая может послужить образцом для создания компактного, легко управляемого, неприхотливого в эксплуатации лунного вездехода повышенной проходимости и маневренности. Большая скорость для лунной экспедиционной машины ни к чему, здесь важно другое — уверенное прохождение по любой местности. Длинные голенастые ноги будущего "лунного паука" нигде не увязнут, легко перешагнут трещины, одолеют самые крутые подъемы. И еще одно очень важное качество такой космической машины — затраты энергии на преодоление больших расстояний будут невелики.

Можем ли мы сегодня точно воспроизвести гидросистему паука? Пока нет, ибо ни биологи, ни инженеры не знают самого главного — каким образом пауки добиваются мгновенного изменения кровяного давления, как они автоматически регулируют его в сосудах. Но первый практический шаг на пути к созданию такой искусственной системы уже сделан.

Рис. 5. Экспериментальный 'лунопроходец'

По сообщениям американской печати, одна фирма в прошлом году разработала проект машины, которая по внешнему виду и способу передвижения напоминает паука. "Металлический паук", которого мы видим на рис. 5, имеет четыре шарнирные "ноги" длиною более 2 м каждая. "Ноги" несут кабину, в которой находится человек. Водитель с помощью рычагов, прикрепленных к его рукам, ногам и торсу, управляет перемещением кабины. При этом он пользуется услугами серводвигателей, которые точно воспроизводят все его движения и увеличивают прилагаемую мышечную силу во много раз. Ноги водителя управляют "задними ногами" "металлического паука", руки — его "передними ногами". При остановке машина "становится на колени", опуская кабину на грунт. Чтобы стать водителем "металлического паука", не нужны курсы — таким шоферам достаточно пятиминутного обучения.

Такая машина будет, как полагают ее создатели, идеальным средством для передвижения по бездорожью Луны или других планет. Груз в 200 кг она сможет переносить по пересеченной местности со скоростью около 10 км/час. Способность передвигаться на согнутых ногах очень расширит приспособительные возможности "лунного паука". Он сможет легко преодолевать подъемы в 45°, в наиболее труднопроходимых местах идти лучше собачьей упряжки, не говоря уже об обычных вездеходах, а тем более о колесных машинах. Пока создана только упрощенная модель шагающего лунного вездехода. Ей еще очень далеко до такой совершенной биологической системы, какой является паук. Но когда бионики познают тайну механизма гидропривода паука и воплотят ее в металл, шагающий вездеход станет замечательным помощником космонавтов в исследованиях неизвестных нам миров.

Попробуем представить себе, как будет выглядеть будущий "лунный паук" — вездеход. Кабина космонавтов герметична и имеет отсек, служащий шлюзом для выхода космонавтов на поверхность Луны. С помощью специальных манипуляторов космонавты могут доставать образцы пород с поверхности Луны, не покидая кабины. Для непосредственных наблюдений за лунной поверхностью передвижная лаборатория снабжена двумя окнами. Из-за отсутствия на Луне рассеянного света предметы, находящиеся в тени, остаются невидимыми. Поэтому "лунный паук" оснащен мощными прожекторами. В системах управления и навигации лаборатории широко используется телевизионная система. С ее помощью будут проводиться исследования лунной поверхности. Но самое главное — ученые наземного центра управления лунной экспедицией смогут видеть на экранах телевизоров то же, что видят космонавты, и смогут контролировать их работу, а в случае необходимости — давать советы относительно маневров лаборатории, исследования различных объектов и т. д.

Подвижная лаборатория, согласно существующим проектам, будет доставлена на Луну заблаговременно (до высадки космонавтов) непилотируемым космическим аппаратом. Лунная кабина с космонавтами на борту совершит впоследствии посадку вблизи лаборатории; при помощи дистанционного управления последнюю приблизят к лунной кабине, и космонавты перейдут в нее.

Теперь — за работу.

Луна создана из того же "теста", что и Земля, из тех же химических элементов. И недра ее таят колоссальные запасы полезных ископаемых. Лунные геологи откроют богатые месторождения серы в трещинах вулканов. Там возможны скопления вулканических пород, богатых свинцом, цинком, хромом и другими промышленно ценными элементами. Размеры нашего соседа достаточно внушительны, и надо полагать, что в его недрах сформировались и алмазы. Когда-нибудь огромный лунный бриллиант заблестит в руках космонавта-геолога...

Вместе с будущими исследователями Луны и других планет от биоников ждут новых машин и покорители "космоса № 2" (так иногда называют земные недра).

Общеизвестен миф, согласно которому при дележе вселенной между богами подводное царство досталось Нептуну, подземное — Плутону. У входа в свои владения сумрачный Плутон поставил громадного трехглавого пса Цербера. Свирепый страж должен был оберегать от простых смертных тайны обиталища теней. Но не тут-то было. Нашелся смельчак — это был знаменитый силач Геркулес, — который победил страшное чудовище и вступил в единоборство с Плутоном. В этом античном мифе отражены наивные представления той эпохи о таинственном мире, расположенном у нас под ногами, и мечты о его покорении человеком.

Минули тысячелетия. На смену мифам, легендам и сказкам пришли научные представления геологии и геофизики. В поисках угля и урана, золота и алмазов человек с помощью построенных им машин вдоль и поперек изрыл покров царства Плутона гигантскими коридорами. Все глубже и глубже ввинчиваются в землю стальные сверла, снабженные алмазными "зубами". Более далекие от поверхности складки земной коры геофизики инспектируют волнами искусственных землетрясений, отзвуки которых воспринимаются чувствительными приборами — сейсмографами. Изучение выброшенных вулканами газов, паров и лавы, определение их состава и относительного содержания разных химических элементов дополняет наши сведения о строении земных недр. И тем не менее подземный мир до сих пор окутан покровом таинственности.

Что мы знаем о резиденции Плутона? В сущности, очень мало. Спустившись на дно глубочайшей шахты мира, вы очутитесь всего в 2,5 км от поверхности земли. Втрое глубже удалось проникнуть бурильщикам нефтяных скважин. Таким образом, в масштабах нашей планеты досконально изученный слой земной коры не превышает по своей толщине слоя краски на глобусе. А дальше — неизвестность. "Космос № 2" — пока еще белое пятно в науке.

Не потому ли писатели-фантасты так оседлали неисчерпаемую тему покорения "подземного космоса"? Они давно уже пробурили Землю насквозь во многих местах с помощью "ракеты-бура" (раскаленной струи газа с температурой более 3000° Ц), специальных ампул со взрывчаткой, подземохода с атомным реактором и т. п.. Однако в реальной жизни дело с землепроходными машинами обстоит несравненно хуже, чем на страницах научно-фантастических романов и повестей.

Подавляющее большинство применяемых ныне землепроходных машин не удовлетворяет потребителей своей производительностью, эксплуатационной надежностью и другими параметрами. Можно без преувеличения сказать, что землепроходных машин, достаточно простых, удобных и прочных, к сожалению, пока еще нет. Они существуют лишь в живой природе. Здесь, если внимательно присмотреться, можно увидеть не одну "землеройную машину", доведенную в процессе эволюции после многовекового отбора до самой высокой степени совершенства. Эти живые "землеройные машины" и служат ныне объектом изучения биоников.

Для копирования в технических системах наибольший интерес представляют приспособления, которыми снабжены личинки почвообитающих насекомых для прокладывания ходов в почве. Природа наделила их хорошо развитым аппаратом для рыхления или раздвигания частиц грунта и специальными приспособлениями для фиксации положения тела.

У одних видов рыхлящие органы располагаются на переднем конце тела и работают как клин и отбойный молоток (при этом отгребание измельченного субстрата осуществляется другими органами); у других — рыхлящий и отгребающий аппараты объединены в систему типа сложного скребка, действующего как одно целое, что характерно для личинок и ряда насекомых с гипогнатическим расположением ротового аппарата, а также для личинок, обитающих в почве или древесине (роль скребка у них играет ротовой аппарат и нижняя поверхность головы). Раздвигание частиц грунта производится либо гидравлическим способом, либо с помощью расширенных, ножницеобразно двигающихся челюстей; функции опорных приспособлений для фиксации положения тела выполняют либо одно или два острия, расположенных на заднем конце тела в плоскости приложения сил рыхлящего аппарата, либо значительное число подушковидных образований, покрытых множеством мелких шипов (эти образования тесно прижимаются к стенкам хода, точно повторяя их неровности).

Тщательное изучение приспособлений, которыми снабжены личинки насекомых для прокладки ходов в почве, и их моделирование может оказать большую помощь при создании новых рыхлящих и движущихся под землей агрегатов (угольные комбайны, приспособления для кротового дренажа и др.).

Приведем еще один пример возможного моделирования оригинальной живой "землеройной машины". Речь идет о копировании весьма совершенного способа передвижения во влажном грунте червей приапулид. Эти крошечные беспозвоночные животные (длиной 10 — 15 мм), живущие неглубоко под морским дном, являются непревзойденными мастерами по прокладке каналов. В своих "туннельных работах" они используют преимущественно гидравлический способ передвижения. Основным буровым инструментом приапулид служит короткий и мощный, похожий на усеянный шипами кактус, выбросной хоботок (на нем размещено более 1500 шипиков). Тело червя снабжено небольшим количеством продольных и кольцевых мышц, а также специальными механизмами, препятствующими обратному движению приапулид в грунте. Технология прокладки туннеля такова. Упираясь в грунт, червь при помощи шипов хоботка пробивает во влажной почве ход, поначалу тонкий. Затем хоботком, раздувающимся поступающей из тела жидкостью, приапулида расширяет и обжимает ход. Расширив и обжав отверстие, червь подтягивается. В это время хоботок сжимается, убирается внутрь, и начинается следующий цикл проходки. При таком передвижении червь обнаруживает большую двигательную силу, в десятки раз превышающую его собственный вес. Ученые подсчитали, что червячок весом до 2 г развивает усилие, в 40 раз (!) превышающее его собственный вес. И вот еще что весьма любопытно. Зоологи полагают, что, вонзив с силой свой хоботок во влажный морской грунт, червь затем поворачивает хоботок на некоторый угол. Таким образом, хоботок с насаженными на него многочисленными шипами работает, как бур.

Ну разве не достойна подражания такая великолепная "гидравлическая машина" для прокладки каналов в грунте? Ведь ее механизм природа оттачивала веками!

Не останутся, конечно, бионики в стороне и от решения такой увлекательной проблемы, как создание подземного корабля для путешествия к центру Земли, для поисков неразведанных богатств — руд, нефти, алмазов. Недавно оригинальную конструкцию "подземо-хода" разработал советский инженер А. Требелев. При расчете своей машины он всесторонне изучил методы "работы" крота — признанного рекордсмена подземных проходок. Модель "железного крота" успешно прошла первые испытания.

Многое могут позаимствовать у природы и судостроители, это поможет им в коренном усовершенствовании существующих и создании новых средств водного транспорта. Ведь ни для кого не секрет, что под натиском более скоростных соперников водный транспорт постепенно утрачивает свои былые позиции. Достаточно сказать, что даже на трансконтинентальных линиях, где еще совсем недавно он считался монополистом, сегодня почти 65% пассажиров отдает, предпочтение авиации и лишь оставшиеся 35% путешествуют на борту океанских лайнеров. Это — закономерное явление: в то время как реактивные самолеты несут пассажиров со скоростями 800 — 900 км/час, могучие корабли меряют океан с "черепашьими" скоростями 50 — 60 км/час. Хороший клипер XIX века мало уступает по скорости самому современному океанскому лайнеру! И всему виной огромное сопротивление, которое испытывают погруженные в воду корпуса судов.

По мере роста скорости это сопротивление увеличивается сначала пропорционально ее квадрату, но затем растет быстрее — пропорционально третьей, четвертой и даже пятой степени скорости. Здесь уже нельзя говорить о борьбе за скорость путем увеличения мощности двигателей: для этого двигательная установка должна была бы занимать весь корабль. Правда, благодаря появлению подводных крыльев, поднявших корпуса судов над водной поверхностью, судостроителям удалось преодолеть заветный рубеж крейсерской скорости на воде, равный 100 км/час. Но корабли на подводных крыльях не до конца избавлены от контакта с водой, а главное, по мере роста размеров судов они заметно утрачивают свои высокие качества.

Неужели же ученые бессильны вырвать корабль из плена воды, победить в единоборстве со стихией, оказавшейся самой неподатливой? Нет, не бессильны!

Изучив особенности строения многих обитателей морей и океанов, обеспечивающие им высокие гидродинамические качества, человек может положить в основу конструкции различных плавающих аппаратов новые принципы. Сошлемся на факты.

После длительных наблюдений и исследований японский ученый профессор Тако Инуи сначала предположил, а затем опытным путем на специально изготовленной модели пассажирского парохода "Куренаи Мару" доказал, что грушеобразная форма головы кита более приспособлена к перемещению в воде, нежели ножевидная форма носовой части современных судов. Этим открытием не замедлили воспользоваться кораблестроители. Они построили океанское судно, напоминающее по своей форме кита. Первые же испытания показали, что по сравнению с обычными судами китообразный корабль весьма экономичен. Мощность его двигателей на 25% меньше, а скорость и грузоподъемность те же!

А вот еще один не менее поучительный пример. Одна из американских подводных лодок носит название "Скипджек". Форма корпуса подводной лодки в точности такая же, как у тунца (рис. 6). Конструкторам удалось добиться хорошей обтекаемости корпуса лодки и значительно повысить ее скорость, а главное — создать очень поворотливое судно. (Поворотливостью называют способность судна к быстрому изменению направления. Это очень важное свойство: ведь большому кораблю для разворота требуется описать полуокружность с радиусом по крайней мере в 4 — 5 длин корпуса.)

Рис. 6. Американская подводная лодка 'Скипджек'. Форма корпуса подводной лодки точно такая же, как и у быстроходной рыбы тунца

Очень часто мы говорим: "плавает, как рыба". Однако это определение весьма неточно, потому что рыбы плавают по-разному. Угри и миноги, например, большой скорости не развивают. Лучшими пловцами среди рыб считаются жители открытых морских просторов — лосось, акула, тунец, скумбрия. Лосось плывет со скоростью 5 м/сек (18 км/час), скорость акул равна 36 — 42 км/час. Не уступают им в скорости и некоторые морские млекопитающие. Кит, в частности, свободно плывет со скоростью 40 км/час. Но все эти рекорды побивает рыба-меч. С завидной легкостью она может развивать скорость, достигающую 130 км/час.

Откуда у рыбы такие силы? Или, быть может, здесь дело не столько в силе, сколько в особом умении?

Эту загадку пытался разгадать не один ученый в течение последних 40 — 50 лет. Были проделаны сотни экспериментов, но проверить, наглядно зафиксировать механизм движения рыбы в воде, установить характер образующихся водяных потоков, вычислить сопротивление, испытываемое движущейся в воде рыбой, силу тяги и мощность, развиваемые ею, так никому и не удалось. Общепризнанным до последнего времени было лишь одно — рыбы передвигаются под водой за счет движений хвоста и отчасти плавников.

Рис. 7. Завихрения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы

И вот совсем недавно секрет скоростного перемещения рыб раскрылся самым неожиданным образом. По сообщению журнала "Мэшин Дезайн" был поставлен такой опыт. Рыб пустили в аквариум, наполненный не водой, а молоком. Молоко позволило проследить движения рыбы, возмущения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы (рис. 7). Было установлено, что при каждом ударе хвоста образуется некоторое возмущение жидкости у жабр, а никак не у хвоста рыбы, как думали раньше. Но это еще не самое главное. Оказывается, что основная "движущая сила" возникает при колебательных движениях туловища рыбы. Животное скользит вдоль пришедших в движение слоев жидкости, и они на глазах превращаются в маленькие "водовороты" — завихрения с вертикальной осью вращения. Когда рыба скользит мимо этих возмущений, они закручиваются еще сильнее и увеличиваются в размере. Когда хвост рыбы по касательной проносится по завихрению, рыба как бы вбирает в себя всю накопившуюся там кинетическую энергию вращения. Создается впечатление, будто рыба плывет, отталкиваясь от водоворотов, что завихрения как бы выталкивают ее вперед. Правильность этих предположений была проверена еще на одном простом, но весьма остроумном опыте. Известно, что, если пойманную в реке рыбу бросить на берег, она будет подпрыгивать и биться о землю. Но вот вбили в доску два ряда гвоздей на одинаковом расстоянии друг от друга и положили рыбу между ними (рис. 8). И она "поплыла" посуху(!), отталкиваясь корпусом и хвостом от гвоздей, словно от водоворотов. Сходство прямо-таки поразительное!

Рис. 8. Форель 'плывет' по доске, в которую в определенном порядке вбиты гвозди. Телом и хвостом рыба упирается в гвозди совершенно так же, как она 'опирается' в воде на завихрения

Ученые полагают, что установленные ими факты могут оказаться весьма полезными при конструировании кораблей. Уж очень заманчива перспектива создания судов, особенно подводных, способных двигаться в воде с легкостью рыбы. Эта проблема сейчас волнует не только кораблестроителей и гидродинамиков, но и биологов, биофизиков и биохимиков. Эта сложная и интересная задача увлекла и математиков.

Однако многие специалисты утверждают, что подводный аппарат, использующий принцип плавания рыб, не сможет развивать скорость, большую 30 узлов^[1]. Опыты показали, что при любой попытке плыть быстрее коэффициент полезного действия плавательного аппарата начинает катастрофически падать.

Как же быть? Выход из тупика подсказал дельфин.

Вы, вероятно, не раз, находясь на отдыхе у моря, видели, как быстро мчатся в волнах стаи дельфинов, развивая порой скорость до 30 узлов, т. е. примерно до 56 км/час. Долгое время ученые и инженеры не могли понять, каким образом дельфинам удается развивать столь большую скорость и без видимого усилия сопровождать быстроходные корабли в течение многих часов и даже дней, ни на шаг не отставая от них. Английский исследователь Грей установил, что для достижения скорости 30 узлов мышцы дельфинов должны быть примерно в 7 — 10 раз мощнее, чем на самом деле... За тщательные экспериментальные и теоретические исследования гидродинамического секрета дельфина принялись советские ученые под руководством академика В. В. Шулейкина. Еще в 1936 г. В. В. Шулейкин, В. С. Лукьянова и И. И. Стей на заседании Отделения математических наук Академии наук СССР сделали доклад о своих изысканиях, проводившихся в специальной башне. Ученые вывели формулы движения одиночного животного и целой стаи и установили, что при движении тело дельфина испытывает меньшее сопротивление со стороны воды, чем тело других обитателей моря. Они провели буксировочные испытания в бассейне и замерили сопротивление воды движению на модели. И тогда ученые столкнулись с почти необъяснимым законами механики фактом: точно воспроизведенная по весу и форме тела модель дельфина, которой сообщалась равная тяга, передвигалась по воде гораздо медленнее, чем живой дельфин.

Рис. 9. Движение в воде обтекаемого тела с твердой оболочкой и движение дельфина

Позднее было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) течение, не переходящее в вихревое (турбулентное), а плывущая подводная лодка, сходная по форме с дельфином, вызывает высокую турбулентность (рис. 9). На преодоление сопротивления воды при наличии турбулентности тратится около ⁹/₁₀ движущей силы лодки.

Рис. 10. Разрез дельфиньей кожи (схема). 1 — эпидермис; 2 — дерма; 3 — жировой пласт; 4 — подкожная мускулатура; 5 — верхний роговой слой эпидермиса; 6 — ростковый слой эпидермиса; 7 — ячейки росткового слоя; 8 — шиловидные сосочки дермы; 9 — подсосочковый слой дермы; 10 — пучки коллагеновых волокон; 11 — пучки эластиновых волокон; 12 — жировые клетки (по В. А. Соколову)

В чем же все-таки секрет необычайно высокой скорости движения дельфина? Оказывается, вся тайна "антитурбулентности" этого животного заключена в структуре его кожи (рис. 10). Эпидермис кожи очень эластичен (по своим свойствам он напоминает лучшие сорта автомобильной резины) и, как показали микроскопические исследования, состоит из двух слоев: тонкого наружного и лежащего под ним росткового, или шиповидного. В ячейки росткового слоя снизу по одному входят упругие сосочки дермы, напоминающие зубцы резиновой щетки для чистки замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы сильнее развиты в тех местах, где ощущается большее давление воды при поступательном движении: в лобной части головы, на передних краях плавников и т. д. Ниже сосочков дермы располагается густое сплетение коллагеновых и эластиновых волокон, пространство между которыми заполнено жиром. Такое строение кожного покрова не только защищает организм дельфина от потерь тепла и повышает силу сцепления эпидермиса с дермой, но и действует, как превосходный демпфер, который вносит затухание в поток и предотвращает развитие турбулентности и срыв потока. Демпфирование достигается тем, что весьма эластичные жировые клетки подкожного слоя способны менять под давлением свою форму и затем восстанавливать ее. Кроме того, отличная буферность кожи достигается упругостью коллагеновых и эластиновых волокон.

Благодаря всем этим свойствам кожи поток, обтекающий тело дельфина, даже при большой скорости движения остается ламинарным, завихрения в нем не возникают. Этот принцип ламинаризации обтекающего потока воды ученые назвали "стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением".

Рис. 11. Расположение гребней под тонким роговым слоем у обыкновенного дельфина (а) и у морской свиньи (6) (по П. Пурвесу)

Вот что пишет по этому поводу А. Г. Томилин.

"В 1963 г. английский зоолог Пурвес обратил внимание на расположение в коже китообразных дермальных гребешков, направленных вдоль струй потока. Для их изучения с поверхности кожи обыкновенного дельфина осторожно удаляли тонкую кожицу рогового слоя и рассматривали гребни под бинокулярной лупой. Оказалось, что на боках тела (кроме их нижней трети) гребни направлены косо вверх и назад под углом в 30° к продольной оси тела животного (рис. 11). На хвостовом стебле гребни были той же ориентации, что и на боках тела, а на грудных и спинном плавниках располагались горизонтально. Ученые предполагают, что расположение дермальных гребней в коже китообразных, способствует ламинаризации потока. У тихоходных морских свиней гребни располагаются иначе, чем у быстроходных дельфинов".

Рис. 12. В момент достижения дельфином критической скорости его кожа собирается в складки, которые сбивают вихревые потоки, возникающие вокруг движущегося тела (по А. Г. Томилину)

Ученые установили также, что на упругой коже китообразных и, в частности, дельфинов постоянно имеется тонкий слой специальной смазки, вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому кожа дельфинов обладает гидрофобным, водоотталкивающим, свойством. Важность этого открытия для ряда областей инженерной практики и прежде всего для водного транспорта трудно переоценить. Дело в том, что гидрофобность способствует образованию в слое воды, ближайшем к поверхности движущегося тела, шарообразных структур из отдельных совокупностей молекул; поэтому гидрофобное тело при перемещении в воде как бы катится по шарикоподшипникам. А, как известно, трение качения значительно меньше трения скольжения.

Китообразные владеют еще одним чрезвычайно интересным способом уменьшения трения при своем движении. Речь идет о так называемом двигательном механизме кожи этих животных. Он вступает в действие тогда, когда дельфины достигают максимальной скорости и возникающие при этом вихревые потоки уже нельзя погасить ни антитурбулентными (демпферными), ни гидрофобными свойствами кожи. Именно в этот критический момент начинается волновое движение самого кожного покрова тела животного (рис. 12). Эти волнообразные складки кожи, пробегающие по туловищу дельфина (они были сфотографированы Ф. Эссапьяном во флоридском океанариуме), гасят вихри, возникающие при высоких скоростях, уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного и дают ему возможность легко мчаться даже в тесном стаде, в котором, казалось бы, вихревые потоки вокруг множества близко плывущих особей должны сделать невозможным стремительное передвижение всего стада.

Что же можно и что уже удалось позаимствовать инженерам из "конструкции" кожного покрова китообразных, чтобы достигнуть в судостроении "дельфиньего совершенства"?

В 1960 г. природный кожный покров дельфина послужил работающему в США немецкому инженеру М. Крамеру образцом для создания опытных демпфирующих покрытий твердых тел в целях снижения гидродинамического сопротивления трения. Первая мягкая оболочка — "дельфинья кожа", получившая название "ламинфло" (от слов "laminar flow" — ламинарное течение), была изготовлена сначала из двух, а затем из трех слоев резины общей толщиной 2,5 мм. Гладкий наружный слой (0,5 мм) имитировал эпидермис кожи дельфина; средний, эластичный, с гибкими стерженьками и демпфирующей жидкостью (1,5 мм) был аналогичен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями, а нижний (0,5 мм) играл роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху могла перемещаться в пространствах между палочками-стерженьками: она играла роль демпфера — гасителя вихрей в пограничном слое воды, ближайшем к корпусу модели (рис. 13).

Уже первые опыты с торпедой и катером, обшитыми мягкой оболочкой "ламинфло", принесли весьма ощутимые результаты — вызываемое турбулентностью торможение снизилось почти наполовину, скорость увеличилась вдвое! Эксперименты, начатые Крамером, продолжили ученые разных стран. Изменялись соотношения элементов покрытия: толщина слоев, размеры и расположение сосочков — стерженьков, вязкость промежуточной жидкости и т. д.

Результаты многочисленных испытаний подтвердили возможность снизить сопротивление воды на 40 — 60%.

Рис. 13. Схема искусственной дельфиньей кожи — 'ламинфло'. А — боковой разрез, Б — разрез по линии аб. 1 — верхняя бесшовная оболочка; 2 — средний слой — эластичная диафрагма с гибкими стерженьками; 3 — нижняя бесшовная оболочка; 4 — корпус модели; 5 — пространство между стерженьками, заполненное демпфирующей жидкостью; 6 — гибкие стерженьки среднего слоя (по М. Крамеру)

Пока еще обшивка "ламинфло" очень далека от того совершенства, которое свойственно естественной коже дельфинов. В природных покровах быстро плавающих дельфинов демпфирование достигается тем, что мягкий жир под давлением эпидермиса и верхней части дермы перемещается в очень малых полостях между весьма упругими волокнами. Само демпфирование в покровах дельфинов осуществляется гораздо совершеннее, чем в искусственной коже "ламинфло", так как природный демпфирующий слой (дерма с сосочками и жировой пласт толщиной в несколько сантиметров) гораздо толще и состоит из более тонких капилляров. Однако продолжающееся изучение специфических особенностей кожи дельфина и непрерывно расширяющийся арсенал средств и возможностей современной химии позволяют надеяться, что со временем удастся создать мягкие синтетические оболочки, по своей структуре и упругости весьма близкие к природному образцу. И тогда подводные лодки, катера, морские и океанские лайнеры, облицованные искусственной дельфиньей кожей, приобретут невиданную ранее быстроходность.

Можно также полагать, что подобные амортизирующие оболочки будут эффективны не только при движении твердых тел в жидкой или газообразной среде (подводные лодки, самолеты), но и при транспортировке жидких, газообразных и даже твердых тел по трубопроводам. Недавно сотрудник Питтсбургского университета (США) Р. Пелт выстлал внутреннюю поверхность трубы материалом, имитирующим дельфинью кожу (роль дельфиньей кожи исполняло покрытие из уретановой смолы на полиэфирной основе), и измерил, насколько снизились потери давления при перегонке жидкости по этой трубе. Оказалось, что они уменьшились на 35%.

Таким образом, нехитрую трубу (если сделать ее достаточно длинной) можно превратить в самый экономичный вид транспорта. Здесь поток грузов может двигаться непрерывно, днем и ночью, без простоев, перегрузок и перевалок, без потерь на "усушку-утруску-усыпку". По трубопроводам, выстланным "дельфиньей кожей", можно будет на сотни и тысячи километров перекачивать воду, горючие газы, спирт, патоку, жидкие удобрения, всевозможные гранулы, смешанные с водой в пропорции "один к одному", кормовую пасту для поросят и коров, помидоры, картофель, фрукты и даже... живую рыбу...

Но вернемся к кораблям голубых дорог и посмотрим, чем еще может помочь бионика в повышении их быстроходности. Ведь в наше время, время стремительного увеличения скоростей в авиации и невиданного ускорения всех наземных видов транспорта, морские и океанские суда, по сути, не затронуты этим всеобщим прогрессом скоростей, и нет сейчас более сложной и более жгучей проблемы на водных магистралях мира, чем повышение скорости пассажирских и грузовых кораблей. Это проблема проблем.

Бионические поиски показывают, что, помимо обшивки судов искусственной дельфиньей кожей, у природы можно позаимствовать еще один весьма эффективный способ повышения быстроходности судов.

А нельзя ли избавиться от волнового сопротивления? Можно, только для этого нужно уйти под воду. "Теоретические расчеты и опыты на моделях показали, — пишет контр-адмирал А. Родионов, — что подводный транспорт имеет ряд преимуществ перед надводным. Так, для подводного транспорта сопротивление воды меньше, чем для надводного. (На глубине около 100 м волн, а значит, и волнового сопротивления уже нет.) Это означает, что мощность энергетической установки на подводном транспорте при прочих равных условиях должна быть меньше, чем у надводного. Подводный транспорт не подвержен влиянию ветра, волн, оледенения. Ему не нужно снижать скорость и отстаиваться в укрытых местах при штормах и ураганах. Продолжительность навигации в замерзающих районах для надводных судов (даже с ледоколами) ограничена. В районах с разреженным льдом они плавают, хотя и самостоятельно, но с малой скоростью. Подводные же корабли очень удобны для плавания в северных морях, так как они легко двигаются подо льдами; холода и туманы, любая непогода им не помеха".

Все эти обстоятельства заставили кораблестроителей и экономистов более глубоко, нежели это делалось раньше, заняться изучением целесообразности строительства грузовых и пассажирских подводных судов, которые во многом обещают быть лучше надводных.

Морской флот ныне является самой мощной в мире транспортной системой, от работы которой зависит благосостояние крупнейших стран и развитие мировых экономических связей. В 1966 г. в одном лишь Атлантическом океане ежедневно в плавании находилось около 4 тысяч судов с грузами. Объем морских перевозок растет из года в год. Вместе с интенсивным ростом грузооборота идет фантастическое увеличение размеров и тоннажа строящихся судов. Еще недавно самым большим судном в мире считался японский танкер "Токио Мару" дедвейтом (общей величиной всех грузов) около 150 000 т. Но он недолго удерживал лидерство среди плавающих в настоящее время кораблей грузового флота. В 1967 г. вступил в строй танкер дедвейтом 205 000 т. Длина нового судна составляет 342 м, ширина 50 м, высота борта 23 м и осадка 17,33 м. Танкер предназначен для перевозки нефти из портов Персидского залива в порты Японии. Но и этот танкер недолго будет крупнейшим судном мира. Четыре японские судостроительные фирмы получили заказ на постройку танкеров дедвейтом от 150 000 до 280 000 т. Ведутся переговоры о строительстве танкера-гиганта дедвейтом 500 000 т.

Несколько иначе обстоит дело с грузоподъемностью подводных судов. Хотя теоретические расчеты и показали, что из всех возможных типов подводных судов наиболее экономичны крупные подводные супертанкеры дедвейтом свыше 100 000 т, однако постройка таких судов пока технически трудно осуществима; поэтому большинство ведущихся ныне проектных разработок производится применительно к танкерам дедвейтом не более 50 000 т.

В настоящее время по заданию правительственных органов, а также частных судовладельческих и судостроительных компаний США, Англии и Японии и некоторых других стран ряд специально созданных проектно-исследовательских организаций выполнил более 50 разработок подводных судов различных типов. В Англии, например, проявляют интерес не только к подводным танкерам, но и к подводным рудовозам, пригодным для круглогодовых рейсов в замерзающие порты Канады. Уже спроектирован атомный подводный рудовоз "Моби Дик" дедвейтом 28 000 т. Его максимальная расчетная скорость хода — около 50 км/час. Корпус рудовоза похож по своей форме на кита. Все грузовые помещения находятся внутри прочного корпуса, в средней части корабля.

А какие движители и двигатели следует ставить на подводные суда?

Некоторые кораблестроители считают, что для скорости ниже 100 узлов еще длительное время пальму первенства будут удерживать суда с винтовыми движителями. Однако здесь имеется одно "но" — заклинивание винта на больших глубинах. Это обстоятельство заставляет ученых вновь заняться попытками использования принципа волнообразного движения рыб при конструировании судов для подводного плавания. Ряд проведенных экспериментов показал, что к. п. д. нового устройства доходит пока что лишь до 16%. Вместе с тем некоторые соображения позволяют надеяться, что при удачной конструкции к. п. д. можно будет значительно увеличить. Результаты исследований, — пишет журнал "Мэшин Дезайн", — пока что скромны. Но перед нами всего лишь первые, нетвердые шаги младенца, который будет расти, мужать и развиваться...

Что касается двигателей, то для подводного транспорта дизели и электромоторы, питающиеся от аккумуляторов, разумеется, не годятся. Их мощности не позволяют строить большие, высокоскоростные суда. Для скорости порядка 100 и более узлов подводные суда, по мнению специалистов, придется снабжать двигателями типа ракетных, прямоточных, с воздушнореактивными моторами или турбореактивными установками. С этим бионики согласны, однако они считают, что создателям будущих подводных судов все же следует заглянуть в "конструкторское бюро" природы, пойти на выучку к некоторым обитателям царства Нептуна. Ведь природа из поколения в поколение совершенствовала "конструкцию" рыб, все лучше приспосабливала их организмы к жизни и передвижению в воде. Человек же относительно недавно научился строить корабли, а тем более подводные суда. И, конечно же, кораблестроителям есть чему поучиться у древнего и мудрого мастера — природы в создании высокосовершенных двигателей и движителей. Достаточно сказать, что, в отличие от существующих технических средств подводного транспорта, у всех подводных обитателей функции двигателя и движителя совмещены в одном мышечном механизме, без промежуточных звеньев, а это, как известно, способствует эффективной отдаче энергии, повышению коэффициента полезного действия, обеспечивает надежность работы системы.

Вот пример. В зоологическом саду во Франкфурте-на-Майне можно увидеть рыбок с необычным строением тела: грудные и брюшные плавники у них деформированы и напоминают согнутые руки, оканчивающиеся длинными пальцами. На "локтях" находятся отверстия, приспособленные для "реактивного" движения. Заглатывая широко раскрытым ртом воду, рыбки под большим давлением выталкивают ее через эти отверстия.

В результате реактивной силы отдачи тело рыбок движется с большой скоростью.

Рис. 14. Кальмар и его реактивный движитель, а) Кальмар — живая ракета; б) пульсирующий реактивный движитель кальмара; в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад (слева) и вперед (справа)

Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам — осьминогам, кальмарам, каракатицам. Наибольший интерес для техников представляет реактивный движитель кальмаров. В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными движителями (рис. 14, а). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Основой его является мантия — мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, образуя своеобразный резервуар (мантийную полость), в который периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 14, б). Объем мантийной полости составляет почти половину объема тела моллюска. При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель (она плотно "застегивается" на специальные "запонки" после забора воды) расположена вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создается за счет выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку), которое расположено на брюшной поверхности кальмара. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки (рис. 14, в), кальмар плывет одинаково хорошо как вперед, так и назад (если он плывет назад, — воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к ее стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперед, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, ее выходное отверстие разворачивается на 180° и клапан занимает изогнутое положение). На забор воды и ее выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.

Инженеры уже создали движитель, подобный движителю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается и выталкивается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же движитель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров, является объектом тщательных исследований биоников? Дело в том, что для передвижения под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Поэтому поисковые работы инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя, подобного воздушнореактивному, т. е. такого, где двигатель и движитель составляют одно целое.

Весомый вклад в решение этой проблемы обещают внести химики. Они ведут работу над синтезом особых веществ, способных гореть в воде, как бензин или керосин в воздухе. Располагая необходимым горючим, творцы нового "подводного" мотора при разработке его конструкции, несомненно, учтут опыт строителей авиационных реактивных двигателей и обязательно воспользуются подсказкой природы, создавшей "живую ракету" — кальмара.

Гидрореактивный движитель кальмара очень экономичен в работе. Отработанный природой на протяжении многих миллионов лет и доведенный ею до высокой степени совершенства, он позволяет кальмару в погоне за косяками рыб, служащих для него основной пищей, легко совершать в океане тысячемильные переходы. Кальмары могут развивать скорость до 70 км/час, причем это, вероятно, не предел. Хотя прямых измерений, насколько нам известно, никто не производил, некоторые исследователи, занимающиеся изучением головоногих моллюсков, считают, что возможная максимальная скорость передвижения кальмаров в воде может достигать 150 км/час.

Кальмаров поистине можно назвать "спринтерами моря". Они способны стартовать из морских глубин в воздух с такой скоростью, что нередко пролетают над волнами более 50 м. Высота полета такой живой ракеты над водой, по свидетельству бывалых моряков, иногда достигает 7 — 10 м. В отличие от подавляющего большинства быстроходных рыб, обладающих малой маневренностью на большой скорости, кальмарам присуща поразительная маневренность в воде, они производят чрезвычайно стремительные повороты не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости,

Изумительной быстроходности и маневренности кальмаров в большой степени способствуют чудесные гидродинамические формы тела животного. Тело у кальмаров мягкое, но упругое, и оно способно существенно деформироваться. Набирая скорость, кальмар вытягивается и сбоку очень похож на профиль самолетного крыла. Его спина становится более выпуклой, чем брюхо. Продольная ось тела при этом совпадает с направлением поступательного движения. Иначе говоря, тело — "крыло" — все время сохраняет нулевой угол атаки. Неодинаковые скорости потоков над и под крылом создают подъемную силу. Перемещаются кальмары, как и другие головоногие моллюски, хвостом вперед, а голова и десять ног-щупалец с присосками служат как бы кормой. При движении щупальца плотно складываются вместе, и вода их хорошо обтекает. Они снабжены продольными килями, которые образуют кормовое оперение корпуса кальмара. Эти необычайно длинные (по сравнению с размерами тела моллюска) кили надежно стабилизируют направление движения кальмара; при их помощи он легко сохраняет и меняет курс.

Таким образом, изучение локомоторного аппарата кальмаров, гидродинамических показателей формы их тела может дать инженерам-кораблестроителям богатый материал для создания высокоманевренной морской ракеты, способной развивать под водой огромную скорость.

Разумеется, моряку и даже специалисту-судостроителю 60-х годов нашего столетия трудно представить себе во всех деталях, какими будут корабли, скажем, через 50 лет.

И все же, читатель, давайте мысленно совершим экскурсию в морской порт 2018 года... У причалов стоят корабли, по форме очень похожие на китов, дельфинов, акул, тунцов и кальмаров. Один из них закончил погрузку, отходит от пирса и направляется в открытое море. Несколько минут, величаво покачиваясь на волнах, плывет, купаясь в лучах заходящего солнца "белый кит" и... исчезает под водой. Пройдет немного времени, и столь же неожиданно он выплывает из глубин океана в другом полушарии...

Теперь посмотрим, что могут позаимствовать инженеры из "патентов" природы для развития современного воздушного транспорта.

Вероятно, раньше всех на Земле начали летать представители растительного царства. Ведь своеобразные "крылья" имеют многие семена деревьев и растений. Так, у семян клена сравнительно большая аэродинамическая поверхность, имеющая вид двух симметрично расположенных лопастей, которые, высыхая, несколько закручиваются. Падая на землю, семена быстро вращаются, аэродинамические силы задерживают падение семени, благодаря чему ветер может отнести его на значительное расстояние. Легкие семена тополя окружены пухом, что дает им возможность в теплые сухие дни подниматься высоко над землей под действием воздушных потоков и долго парить, далеко улетая от родного "дома". У ели и сосны семя снабжено одним прозрачным крылышком-парусом. В зимнее время ветры заставляют семя "под парусом" скользить по насту, словно буер по льду, и оно перемещается на десятки километров от материнского дерева.

В начале нашего века ученые заинтересовались летными свойствами крупного семени одного из тропических растений — цанонии из семейства тыквенных. Семена цанонии подолгу парят в воздухе, поднимаясь и опускаясь в его потоках. По их образцу и были созданы первые планеры и самолеты "летающее крыло". Одно время эти модели были очень популярны, но потом о них почему-то забыли...

Природа создала очень много оригинальных летающих "конструкций". Достаточно сказать, что значительная часть всех известных в настоящее время видов живых существ способна летать. Не говоря уже о птицах и насекомых, природа сделала крылатыми даже многих рыб.

Тот, кому хоть раз довелось видеть полет летучих рыб, вероятно, никогда не забудет это любопытное зрелище. У этих летунов длинные грудные и хвостовые плавники, напоминающие удлиненные крылья. Сильным движением хвоста летучая рыба отталкивается от воды и совершает пологий планирующий полет со скоростью около 30 км/час, поднимаясь на высоту до 3 м. Дальность его около 100 — 150 м, длительность — 10 — 18 сек.

Рис. 15. Быстроходный дельфин хорошо обтекаемой формы и близкие по контурам аэродинамические профили (по С. В. Першину). а) Несимметричный 15%-ный профиль ЦАГИ серии В; 6) и в) вид дельфина сбоку и снизу (экземпляр длиной 2,08 м, весом 56 кг); г) симметричный 15%-ный ламинаризованный профиль НАКА

Законы гидродинамики и аэродинамики имеют много общего, и поэтому изучение строения рыб и способов их передвижения представляет большой интерес не только для конструкторов различных подводных кораблей, но и для авиастроителей. Проведенные в последнее время исследования показывают, что некоторые конструкции и устройства, используемые в современном самолетостроении, можно было бы с успехом позаимствовать у рыб. За примерами далеко ходить не надо. Посмотрев на рис. 15, мы увидим, что контуры тела быстроходного дельфина в вертикальной и горизонтальной проекциях очень сходны с контурами известных аэродинамических профилей, обладающих наибольшей подъемной силой. Оказывается, что и тело акулы обладает такой же (если не большей!) подъемной силой, как и крыло самолета. Вот вам и плавающие рыбы!

Но если говорить об истории полетов человека, то она началась не с копирования летающих "конструкций" растений и рыб, а с изучения полета птиц и насекомых. В дошедших до нас трудах Леонардо да Винчи, Джоана Домиана (около 1500 г.), алхимика Иакова IV Шотландского и других мыслителей прошлого можно найти множество схем, набросков и рисунков летательных аппаратов с машущими крыльями. В них постоянно повторяются крылья различных птиц, насекомых и летучих мышей. По утверждению русских летописцев XVI века, "смерд Никитка, боярского сына Лупатовых холоп", летал с помощью крыльев. В 1699 г. на голубиных крыльях "...поднялся аршинов на 7... и упал на спину, но небольно..." стрелец рязанский Серов. Легенды XVIII века повествуют о крылатых снарядах приказчика Островкова и кузнеца Черная Гроза. Первый сделал крылья на бычьих пузырях, второй придумал крылья из проволоки и перьев и прицепил к ногам хвост. Хранящиеся в филиале Государственного архива Тюменской области документы рассказывают о том, что бежавший из митрополичьего дома бывший иеромонах Федор Мелес, украинец, в 1762 г. построил крылья для полета и "...практикой показал, как может человек совершенно подобию птице по воздуху, куда хочет, летать... и означенный же к летанию способ зделав, он намерен был отсель из Тобольска через те улететь прямо в Малороссию... мог бы скоро перелететь из Тобольска до Малороссии, еже бы способный ветер последовал, всемирно через один день, а не более". Век спустя идея постройки "воздухоплавательного аппарата" возникла у русского моряка, капитана первого ранга А. Ф. Можайского. Проведенное им длительное и тщательное изучение строения крыльев птиц, механики птичьего полета, как известно, завершилось постройкой первого самолета с неподвижно раскрытыми крыльями.

Научившись летать, человек превзошел птицу по скорости полета в 1912 г., по высоте полета — в 1916 г. и по дальности полета — в 1924 г. А вот по экономичности полета даже самые лучшие в мире воздушные лайнеры, переносящие за несколько часов сотни пассажиров через моря и океаны, все еще отстают от птиц. Да еще как отстают!

Возьмем к примеру наши стремительные "ИЛ-18" и "ТУ-114" и прикинем, какой вес этих воздушных гигантов приходится, скажем, на одну лошадиную силу их двигателей. Получается, что у самолетов это соотношение составляет 14 кг, у орла в пересчете на мощность его живого "двигателя" оно равно 70 кг, у обыкновенного аиста — даже 135 кг. Вот и выходит, что летательный механизм аиста почти в 10 раз экономичнее, чем у самых совершенных самолетов.

Экономичность полета пернатых проявляется особенно наглядно во время их длительных миграций. Чибисы, например, перелетают из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрывая расстояние в 3500 км без остановки. Почти фантастическим кажется перелет кроншнепов, гнездящихся на Аляске и зимующих на островах Таити, на Гавайских островах и т. п. Весь путь протяженностью в 9500 км (более 3000 км над морем), они, видимо, проделывают без отдыха. Некоторые буревестники гнездятся на островах Тристак-да-Кунья, отстоящих от ближайшей суши на 2400 км, и при этом проделывают путь в одну сторону более 10 000 км. Птицы летят без отдыха как над водными пространствами, так и над пустынями. За время своего "беспосадочного" перелета они проделывают огромную мышечную работу. Так, например, перелет мелких певчих птиц через Сахару длится 30-40 час. За это время каждая пернатая путешественница при 4 — 5 взмахах крыльев в секунду поднимает и опускает их около 500 тысяч раз!

Пройдя строжайший естественный отбор и вместе с тем совершенствуясь в полете на протяжении многих миллионов лет, птицы превзошли созданные людьми первоклассные летательные аппараты и в маневренности. Этому прежде всего способствуют прекрасные аэродинамические формы птиц. Клюв, голова, шея плавно выгнуты в полете, ноги поджаты и почти не выступают из корпуса, напоминая убранное шасси самолета. Известна, например, порода голубей, которые во время полета неоднократно перекувыркиваются, или авторотируют, не теряя при этом равновесия. Виртуозно летает альбатрос. Он может летать несколькими способами: махая крыльями, паря в восходящем потоке воздуха и подпрыгивая на встречных "волнах" (двигаясь с порывами ветра). И все это благодаря совершенной аэродинамической форме крыльев. Сокол сапсан в горизонтальном полете развивает скорость около 90 км/час, но, увидев жертву, он немедленно бросается на нее с высоты и, пикируя, достигает скорости 360 км/час. Промахнувшись, он короткой дугой, без взмаха крыльями снова поднимается в небо. Попутно небезынтересно отметить, что пикирование сапсана долго не давало покоя всем ученым, пытавшимся разрешить проблемы бомбометания с пикирования. Некоторые фигуры высшего пилотажа выполняют и ласточки, полет которых отличается значительной быстротой (до 120 км/час!) и маневренностью. Хорошо летают летучие мыши. В полете они мастерски маневрируют, а некоторые из них даже могут "висеть" в воздухе на одном месте. Такими же способностями обладают жаворонок, зимородок и пустельга. Но, пожалуй, пальму первенства в маневренности следует отдать самым маленьким представителям пернатого мира — колибри. Эти птички-невелички (весом от 2 до 6 2 при длине туловища 15 — 20 мм) с оперением, которое можно сравнить с блеском драгоценных камней, носят романтичные, красивые названия, вроде "ТО-пазовый колибри", "эльф украшенный", "орлиный клюв", "синяя борода"; в погоне за насекомыми они развивают на спринтерских дистанциях скорость до 100 км/час. Некоторые виды колибри поднимаются в горы до высоты 4000 м и выше, где из позвоночных животных встречаются лишь одни могучие кондоры. Стремительная в полете птичка-невеличка может останавливаться в воздухе и, не переставая работать крыльями, подолгу "висеть" неподвижно в одной точке, словно крохотный вертолет. Она может даже летать "боком" и "задним ходом". Такая высокая маневренность полета достигается большой частотой взмахов крыльев (более 50 взмахов в секунду) и тем, что колибри машут крыльями не вертикально, как все птицы, а горизонтально (это позволяет им, в частности, летать хвостиком вперед!).

Разве не заманчиво творцам современных воздушных лайнеров, располагая столь блестящими примерами природы, довести экономичность и маневренность своих кораблей до уровня, достигнутого птицами? На сей счет, нам думается, двух мнений быть не может.

Но прежде чем изложить, как этого можно достичь, необходимо, хотя бы кратко, рассмотреть механическую схему полета птиц.

Рис. 16. Разложение сил, действующих на крыло птицы во время полета. R — сила полного сопротивления воздуха; Р — подъемная сила; Q — сила лобового сопротивления; Q' — сила тяги; G — вес птицы; ab — хорда крыла; а — угол атаки. I — птица летит на неподвижно распростертых крыльях, используя приобретенную ранее скорость; V — направление полета птицы. II — птица летит с помощью взмахов крыльями; направление взмахов вертикально и совпадает с силой тяжести (или имеет строго противоположное направление); V — истинное направление движения крыла, определяемое в результате вертикального движения крыла относительно туловища и горизонтального движения вместе с туловищем

Для простоты представим себе сначала, что птица, работая крыльями, приобрела уже известную скорость и теперь использует ее, продолжая полет на неподвижно распростертых крыльях. При этом птица испытывает сопротивление движению со стороны воздуха, которое мы изобразим в виде силы R, называемой силой полного сопротивления воздуха. Ее можно разложить по известному правилу параллелограмма на две составляющие: силу Р, направленную по вертикали, и перпендикулярную ей силу Q (рис. 16, I). Первая сила Р направлена вверх и стремится поднять крыло, поэтому ее называют подъемной силой. Если подъемная сила равна весу птицы, то высота полета не изменяется, птица летит горизонтально. Если же сила Р больше веса птицы, последняя поднимается вверх; если она меньше веса, то происходит потеря высоты, птица снижается. Сила Q тормозит поступательное движение и называется силой лобового сопротивления.

Если сила лобового сопротивления больше силы тяги, то движение замедляется, в противном случае движение ускоряется, и, наконец, в случае равенства сил тяги и лобового сопротивления скорость движения остается постоянной.

Откуда же возникает сила тяги? При взмахе крыла вниз составляющие силы распределяются несколько по-иному, чем в только что разобранном случае. Сила Р по-прежнему направлена вверх и уравновешивает силу тяжести, а перпендикулярная ей сила Q' направлена вперед и создает тягу. Разложение сил при всевозможных положениях крыла показывает, что сила тяги может возникать и при поднимании крыла (рис. 16, II). Определяющим моментом в этом случае служит знак так называемого угла атаки, т. е. угла между хордой крыла и направлением набегающего на него воздушного потока.

Итак, чем больше подъемная сила по сравнению с лобовым сопротивлением, тем эффективнее полет, тем выше так называемое качество летательного аппарата. В свете сказанного всю историю авиации, в сущности, можно свести к решению следующей важнейшей задачи: увеличить подъемную силу и уменьшить вредное лобовое сопротивление. Главными способами борьбы с лобовым сопротивлением до последнего времени были "зализывание" форм самолета и уменьшение угла атаки.

Но можно ли уменьшать угол атаки до бесконечности? Нет! Существует определенный предел, ниже которого полет самолета становится невозможным. Но это в том случае, когда крыло неподвижно. А если заставить его двигаться подобно птичьему? Оказывается, что тогда можно достичь максимума подъемной силы и свести к минимуму лобовое сопротивление!

Таким образом, для резкого повышения экономичности полета современных самолетов нужно прежде всего перейти к машущему полету. Но осуществить его, а главное — достичь желаемого эффекта — задача далеко не простая даже в наш XX век, век, казалось бы, безграничных возможностей науки и техники.

Лет двадцать пять тому назад много говорили и писали в Германии о некоем Эрихе фон Хольсте, который изготовил несколько механических птичек. Они были маленькие, совсем как настоящие, и, представьте себе, летали! Окрыленный успехом, Эрих фон Хольст задался целью построить орнитоптер — летательный аппарат с машущими крыльями. За Хольстом последовали многие изобретатели различных стран. Строили махолеты, или, как их еще называют, птицелеты, самых различных конструкций. Один из таких махолетов весил больше полутонны, площадь его крыльев достигала 30 м², они делали от 25 до 90 взмахов в минуту. По расчетам, такой орнитоптер способен был поднять не одного, а даже нескольких пассажиров. Однако взлететь ему так и не удалось: не хватило подъемной силы. Другие махолеты, едва оторвавшись от земли, неизменно тотчас же падали...

Почему же зарубежные изобретатели потерпели в своих первых попытках создания махолета неудачу? Все дело в том, что Хольст и его последователи пытались слепо копировать природу, забывая, а быть может, попросту не зная того, что законы, характерные для полета птиц, не подходят для больших летательных аппаратов с машущими крыльями. Одно дело — аэродинамика обычного самолета с неподвижным крылом, другое дело — аэродинамика машущего крыла. Несмотря на то, что человечество начало изучать полет птиц со времен Леонардо да Винчи, до сих пор тайна этого феномена еще полностью не разгадана.

Раскрыть секреты феноменальной подъемной силы птичьего крыла, постигнуть закономерности полета пернатых, переложить их на инженерный язык, взять у летающих "конструкций" живой природы все самое выгодное, найти новые законы для постройки махолетов — этим сейчас увлечены бионики многих стран. Правда, далеко не все инженеры-авиастроители разделяют идею перспективности машущего полета, однако число приверженцев махолетов с каждым годом непрерывно растет. Только в одной Москве их около тысячи.

Вот уже более 15 лет в столице нашей родины работает Комитет машущего полета Федерации авиационного спорта СССР. Инженеры и рабочие, летчики и биологи, кинематографисты и орнитологи, математики и скульпторы в тесном содружестве с учеными Института морфологии животных им. А. Н. Северцева АН СССР — доктором наук Г. С. Шестаковой и кандидатами наук Т. Л. Бородулиной, В. Э. Якоби, И. В. Кокшайским исследуют механику и аэродинамику полета птиц, строят модели орнитоптеров, сооружают различные испытательные стенды для изучения механизма действия крыльев и т. п. И если бы вам, читатель, довелось солнечным октябрьским утром 1962 г. побывать на одном из подмосковных аэродромов, то вы бы увидели первые результаты упорного и кропотливого труда этого большого коллектива энтузиастов машущего полета...

По бетонной дорожке, плавно взмахивая гибкими крыльями девятиметрового размаха, мчался необычный летательный аппарат. Сильная струя воздуха, отбрасываемая машущими крыльями, заставляла никнуть траву по краям дорожки. Набрав скорость 25 — 30 км/час, аппарат начал подпрыгивать. А еще через несколько секунд его колеса повисли в воздухе. Аппарат летал над аэродромом недолго, так как программа испытаний была рассчитана только лишь на проверку тяги и подъемной силы. Однако первый же экспериментальный полет показал, что даже при очень небольшой скорости — вдвое меньшей, чем требуется самолету, — махолет с маломощным моторчиком в 18 л.с. легко отрывается от земли.

Спустя полтора года, точнее, 19 апреля 1964 г., на стадионе "Динамо" в Москве были проведены соревнования нескольких моделей аппаратов с машущими крыльями. Присутствующие на соревнованиях воочию убедились, что полет на таких аппаратах абсолютно безопасен, так как махолет может садиться при нулевой поступательной скорости. А если вдруг в воздухе откажет двигатель? Это не страшно: махолет плавно спланирует на распластанных крыльях.

Итак, за последние годы в нашей стране несомненно достигнуты определенные успехи в моделировании полета птиц. Но это отнюдь не значит, что проблема машущего полета уже решена и мы можем завтра приступить к созданию орнитоптеров, которые будут более экономичными и маневренными, чем самые лучшие современные самолеты. Для эффективного моделирования полета птиц необходимо не только убедиться в том, что наша модель обладает теми или иными свойствами или особенностями, но и разработать методы расчета заранее заданных технических характеристик устройства, а также методы их синтеза, обеспечивающие достижение требуемых в поставленной задаче показателей. Иными словами, чтобы успешно моделировать полет птиц, необходимо располагать теорией их полета. А такой теории, к сожалению, пока нет.

Разработка теории машущего полета — задача чрезвычайно трудная. Не говоря уже об очень большой сложности физической схемы исследуемого процесса, здесь, в отличие от аэродинамики обычного самолета с неподвижными крыльями, приходится сталкиваться с массой новых величин и функциональных зависимостей, которые следует соответствующим образом учитывать. Например, рассматривая машущее крыло, мы встречаемся с такими новыми по сравнению со случаем неподвижного крыла показателями, как угловая скорость, число взмахов, амплитуда взмаха, ускорение в разных фазах взмаха; переменными становятся такие бывшие константами в случае неподвижного крыла величины, как установочный угол, угол атаки, сами аэродинамические силы в разных фазах взмаха и т. д. Отсюда неизбежно вытекают сложность в осуществлении экспериментальных исследований и затруднения в теоретическом обобщении их результатов.

Однако в наше время имеется немало совершенных технических средств и методов, позволяющих в значительной степени облегчить или даже обойти ряд трудностей, встречающихся при исследовании различных летных показателей птиц. Достаточно упомянуть, например, радары, используемые для определения высоты полета птиц, скоростные кинокамеры, применяемые для определения частот, амплитуд и скоростей взмахов крыльев, телеметрическую аппаратуру, используемую для измерения физиологических показателей летящей птицы, и др. Благодаря этой технике надежность и точность экспериментальных исследований в последнее время значительно повысились. Очень многое дает при изучении закономерностей полета птиц применение методов сравнительных исследований (разумеется, в том случае, когда внимание в равной степени обращено на морфологию, физиологию и экологию сравниваемых биологических объектов). В природе существует огромное многообразие типов полета птиц. Это многообразие определяется не только количеством видов птиц, но и тем, что каждый вид может использовать несколько типов полета. При сопоставлении птиц разных видов, различающихся теми или иными особенностями полета, выявляется взаимосвязь между изменением искомых параметров или конструктивных особенностей летательного аппарата. Конкретными примерами успешного применения упомянутого подхода могут служить выяснение значения аллометрии крыльев птиц и расшифровка механизма бессрывного обтекания, связанного с управлением пограничным слоем.

До реактивной авиации мы практически не управляли пограничным слоем воздуха, обтекавшим крылья. Ставили, правда, закрылки на аэродинамические гребни, чтобы воздушные потоки не перетекали по крылу. Но ведь у птиц нет никаких "аэродинамических гребней". Как они управляются без этих приспособлений? Ведь пограничный слой возникает и у птичьих крыльев.

Для объяснения этого появилась очень смелая и, можно даже сказать, дерзкая гипотеза: птицы обладают "чувством потока", активно управляют пограничным слоем. Они умеют направлять поток в любую нужную им сторону. Однако для того, чтобы гипотеза стала достоверной научной истиной, нужны веские, убедительные доказательства. Их поисками занялась Т. Л. Бородулина. Она обследовала и сравнила строение крыльев многих хороших и плохих летунов и установила следующее:

"Плавность обтекания птицы потоком воздуха при полете в большой степени зависит от микроструктуры перьев. У быстро и много летающих птиц лучи второго порядка (или бородочки) имеют широкую основную часть в виде тонкой пластинки, переходящую в длинную тонкую нить (пенулу). В месте перехода обычно бывает несколько шипообразных зубцов. Благодаря такому строению перьев происходит дробление воздушного потока по телу птицы на многочисленные мельчайшие потоки и бессрывное и плавное их стекание, что имеет существенное значение для уменьшения лобового сопротивления. Кроме того, пластинки основной части луча второго порядка расположены под положительным углом атаки к направлению полета и можно предположить, что это обеспечивает отсос части воздуха, препятствует отрыву ламинарного слоя и образованию турбулентных потоков.

Рельеф поверхности крыла — бороздчатый, что обеспечивает требуемое направление потоков воздуха, обтекающих крыло. На верхней стороне крыла у всех птиц бородки расположены более или менее веерообразно: они расходятся к заднему краю крыла, что увеличивает скорость прохождения потоков воздуха по крылу. На нижней же стороне бородки направлены иначе. У птиц с быстрым полетом (например, у уток) линии рельефа на нижней стороне крыла S-образно изогнуты и сходятся к основанию крыла. Это вызывает торможение потоков воздуха или их завихрение на нижней поверхности крыла. Вследствие различия скоростей прохождения воздушных потоков сверху и снизу крыла увеличивается подъемная сила последнего.

Предварительное продувание крыла с наклеенными шелковинками убедило нас в том, что на нижней поверхности крыла воздушные потоки отклоняются соответственно направлению бородок".

В настоящее время учеными изучено 14 различных характеристик живого крыла (влияние структуры перьев, уравновешивание крыла в движущемся потоке и др.). Дальнейший успех в разрешении множества вопросов, связанных с практическим осуществлением машущего полета, сейчас, очевидно, в значительной мере будет зависеть от того, насколько биологам, аэродинамикам, математикам, физикам и механикам удастся совместить результаты, добываемые при морфо-экологическом исследовании птиц, с современными теоретическими представлениями аэродинамики.

Однако уже сегодня ясно, что формула крыла орнитоптера не будет похожей на формулу крыла птицы. Иначе крыло махолета должно было бы иметь бороздки. По-видимому, кое-какие особенности будут отличать и другие элементы крыла. Некоторые ученые утверждают, что будущий птицелет "...будет тем полнее отвечать требованиям человеческой практики, чем меньше он будет представлять собою точную копию птицы...". Но не будем забегать слишком далеко вперед, строить прогнозы о том, что будет и чего не будет в махолете от летательного аппарата птицы. Сегодня, нам думается, важно другое: наметился путь, идя по которому ученые, несомненно, разгадают тайну полета птиц. И когда будет создана стройная физическая теория машущего полета, адекватная высокой сложности явления, инженеры, безусловно, построят махолеты — неприхотливые, экономичные, маневренные машины. Человек будет летать, как голубь или альбатрос, а может быть, и лучше.

Помимо изучения полета птиц у человека имеется еще один путь решения проблемы машущего полета.

Старинная восточная легенда рассказывает о мудреце, который сделал летательную машину с машущими крыльями, похожую на огромное насекомое. Когда мудрец узнал, что враги хотят похитить машину, он сжег ее. Так навеки была потеряна тайна конструкции механической стрекозы. Эта и многие другие легенды повествуют о том, что еще в далекой древности зародилась идея постройки летательного аппарата по принципу насекомого — энтомоптера^[2]. Однако до последнего времени интересные особенности полета насекомых сравнительно мало привлекали внимание инженеров — конструкторов летательных аппаратов. Объяснить это можно лишь одним: полет насекомых — очень сложный процесс. Он таит в себе сотни загадок, ответ на которые еще не найден. Так, например, согласно чаконам современной аэродинамик майский жук летать не должен. Однако, ниспровергая всю нынешнюю теорию полета и сбивая с толку специалистов по аэродинамике, это насекомое все же летает. Для того чтобы летать, майский жук при среднем весе 0,9 г должен иметь коэффициент подъемной силы (относительная величина, пропорциональная подъемной силе) от 2 до 3, фактически же у этого насекомого коэффициент подъемной силы меньше 1!

Известно, что коэффициент подъемной силы наиболее совершенных крыльев, созданных самолетостроителями, колеблется от 1 до 1,5. Следовательно, крыло жука, хотя и кажется несовершенным, обеспечивает сравнительно большую подъемную силу. Этим обстоятельством заинтересовались ученые Нью-Йоркского университета. Для изучения полета майского жука они сконструировали в натуральную величину искусственное крыло (чтобы точно воспроизвести работу крыла, исследователи долго и внимательно анализировали кинопленку, на которой методом скоростной съемки был заснят полет жука). Экспериментальная установка позволяла измерять смещение крыла величиной 0,000025 см. Недавно руководитель проводимых исследований Леон Беннет заявил: "Если мы сумеем определить аэродинамику полета майского жука, мы или обнаружим какое-то несовершенство в современной теории полета насекомого, или откроем, что майский жук обладает каким-то неизвестным нам способом создания высокой подъемной силы".

Однако оставим в покое майского жука и обратимся к другим летающим насекомым, которых в природе насчитывается более 350 000 видов. ...