Тайна полёта птеродактиля: крылья бегущей волны

Кстати, нужное натяжение перепонки было бы весьма проблематично обеспечить, если, в полётном положении крыла, кости его передней кромки были бы вытянуты почти по струночке — как это обычно предполагают. На основе Рис.1, нам представляется полётная конфигурация скелета, схематически изображённая на Рис.2. Крылья были нужны птеродактилям не для того, чтобы поражать их размахом современных исследователей, а для того, чтобы летать. И как раз дугообразные, вынесенные вперёд передние кромки крыльев позволяли, на наш взгляд, решить сразу несколько технических проблем. Во-первых, легко обеспечивалось, на всей площади крыла, нужное натяжение перепонки — с возможностью его регулирования. Во-вторых, создавалось соотношение между длиной и шириной крыла, близкое к оптимальному для генерации бегущей волны. В-третьих, изящно решалась проблема центровки: птеродактилю было достаточно поднять шею и отвести голову немного назад — и проекция центра масс оказывалась на первой трети крыла. Мы вновь имеем дело с гениальным техническим решением!

Теперь сделаем некоторые элементарные оценки параметров крыльев бегущей волны. Пусть отношение характерной длины крыла l к его характерной ширине d есть 2.5, пусть площадь крыла есть S=0.8×ld. Частота f колебаний передней кромки крыльев птеродактиля не могла превышать нескольких герц. Пусть на характерной ширине крыла d укладывается одна длина бегущей волны, тогда её скорость v движения по перепонке есть v=fd. Статическая реактивная тяга, развиваемая крылом бегущей волны, покоящимся относительно воздушной среды, есть Fстат=mv/t, где m — масса воздуха, отбрасываемая назад за время t, равное d/v. Учитывая т.н. присоединённую массу отбрасываемого воздуха, будем считать, что m»rS(d/5), где r — плотность воздуха, и, таким образом, Fстат»(1/5)rSv2. Как мы увидим ниже, эта статическая тяга слишком мала, и полёт на ней нереален. Однако, динамическая тяга Fдин крыла бегущей волны отнюдь не уменьшается по мере роста его скорости в воздушной среде — как у аппаратов на винтомоторной тяге — а, наоборот, поначалу растёт. Это связано с тем, что набегающий воздух образует упорядоченные вихревые трубки в вогнутостях перепонки, как это схематически изображено на Рис.3.

Рис. 3.

Вопреки представлениям классической аэродинамики [5] — которая утверждает, что образование вихрей, например, при отрыве потока с крыла, является вредным эффектом, поскольку при этом аэродинамическое сопротивление увеличивается, а подъёмная сила уменьшается — образование вихревых трубок в вогнутостях крыла бегущей волны является эффектом полезным. Воздушный вихрь имеет значительно большую инертность и упругость, чем такая же масса незакрученного воздуха, и поэтому «отталкивание» от вихрей гораздо эффективнее. При малых скоростях движения крыла бегущей волны происходит следующее: чем больше скорость, тем мощнее образуются вихри, и, соответственно, тем больше динамическая тяга. Но, при равенстве скорости полёта и скорости бегущей волны v, очевидно, динамическая тяга равна нулю. Поэтому существует некоторая оптимальная (крейсерская) скорость полёта, при которой динамическая тяга максимальна. Будем считать, что крейсерская скорость Vкр=0.75v, и что на крейсерской скорости Fдин=3Fстат. Для оценки полётного веса, который способны нести крылья бегущей волны, нам потребуется ещё оценка относительного снижения при свободном планировании. Действительно, при свободном планировании вес аппарата уравновешен подъёмной силой, а аэродинамическое сопротивление уравновешено силой тяги, работу которой совершает сила тяжести при снижении аппарата. Для этой работы силы тяжести можно записать упрощённое выражение MgDh=MVDV, где M — масса аппарата, g — ускорение свободного падения, h — высота полёта, V — скорость полёта. Тогда сила тяги, обусловленная силой тяготения при свободном планировании, есть