Кіріспе
Қанаттарының қағылу қозғалысын пайдаланып, көтерілу күшін жасайтын ұшақтар, көбелектер туысы. Орнитоптер (грек тілінен – ornis, орнит – «құс» және pteron – «қанат») – қанаттарын қағып ұшатын ұшақ. Ұшқыштар құстардың, жабырқақтардың және жәндіктердің қанаттарымен ұшуын имитациялауға тырысты. Машиналар пішіні жағынан әр түрлі болғанымен, көбінесе олар ұшатын жануарлардың мөлшерімен жасалады. Ірі, экипажды ұшқыштар да жасалды, олардың кейбіреулері сәтті болды. Экипажды орнитоптерлер әдетте қозғалтқыштармен немесе ұшқышпен басқарылады.
the genus of butterflies
An ornithopter (from Greek ornis, ornith 'bird' and pteron 'wing') is an aircraft that flies by flapping its wings. Designers sought to imitate the flapping wing flight of birds, bats, and insects. Though machines may differ in form, they are usually built on the same scale as flying animals. Larger, crewed ornithopters have also been built and some have been successful. Crewed ornithopters are generally powered either by engines or by the pilot.
Ерте тарих
Кейбір ертедегі экипажды ұшу әрекеттері қанатты ұшуды жүзеге асыруға бағытталған болуы мүмкін, бірақ, ықтимал, тек сырғанау ғана мүмкін болды. Олардың ішінде 11 ғасырдағы католик монахы Эилмер Малмсберидің (12 ғасырда жазылған) және 9 ғасырдағы ақын Аббас ибн Фирнас (17 ғасырда жазылған) жасаған ұшу әрекеттері бар. Роджер Бэкон 1260 жылы жазған еңбегінде ұшудың технологиялық құралын қарастырған алғашқылардың бірі болды. 1485 жылы Леонардо да Винчи құстардың ұшуын зерттеуді бастады. Ол адамдардың тым ауыр екенін, және қанаттарын тек қолдарына бекітіп ұшуға жеткіліксіз күшті еместігін түсінді. Сондықтан ол ұшқыштың тақтаға жатып, қолмен басқарылатын рычагтар, аяқ педальдары және шкивтер жүйесі арқылы екі үлкен, жарғақты қанатты жұмыс істейтін құрылғыны суреттеді. 1841 жылы "Воеводинадан Белградқа келген" Манойло атты темірші шебер (саяхатшы) орнитоптер ("құс қанаты сияқты қанатты") деп сипатталған құрылғымен ұшуға тырысты. Билік өкілдері оған Сент-Михаил соборының қоңырау мұнарасынан ұшуға рұқсат бермегендіктен, ол жасырын түрде Думрукхананың (импорттық салық бас кеңсесі) төбесіне көтеріліп, қар үйіндісіне түсіп, аман қалды. Ұшуға қабілетті алғашқы орнитоптерлер Францияда жасалды. 1871 жылы Жобер кішкентай құс моделін қозғау үшін резеңке лентаны қолданды. Альфонс Пено, Абель Хюро де Вильнёв және Виктор Татин де 1870 жылдары резеңкемен жұмыс істейтін орнитоптерлер жасады. Татиннің орнитоптері, бәлкім, қанаттардың белсенді бұрылысын пайдаланған алғашқы құрылғы болды және, әрине, ол 1889 жылы Пишанкорт ұсынған коммерциялық ойыншықтың негізі болды. Гюстав Труве ішкі жануды бірінші болып қолданды, ал оның 1890 жылғы моделі француз ғылым академиясына көрсеткенде 80 метр қашықтыққа ұшты. Қанаттарды Боурдон түтігін іске қосқан оқ-дәрі заряды қозғалтты. 1884 жылдан бастап Лоренс Харгрейв резеңке ленталармен, пружиналармен, бумен немесе қысылған ауамен жұмыс істейтін көптеген орнитоптерлер жасады. Ол үлкен, тұрақты қанаттың қозғалысын қамтамасыз ететін кішкентай шапшаң қанаттарды пайдаланды; бұл жаңалық берілісті азайту қажеттілігін жойды, осылайша құрылысты жеңілдетті. Э. П. Фрост 1870 жылдары орнитоптерлер жасады; алғашқы үлгілер бу қозғалтқыштарымен қуатталды, содан кейін 1900 жылдары адамға арналған ішкі жанумен жұмыс істейтін үлкен құрылғы жасалды, бірақ ол ұшпады. 1930 жылдары Александр Липпиш және нацистік Германияның Ұлттық Социалистік Ұшқыштар корпусы ішкі жанумен жұмыс істейтін орнитоптерлер сериясын құрастырып, сәтті ұшты, Харгрейвтің кішкентай қанаттары туралы түсінігін пайдаланды, бірақ әдістемелік зерттеулер нәтижесінде аэродинамикалық жақсартулар жасады. 1930 жылдары жұмыс істеген Эрих фон Холст, резеңке ленталармен жұмыс істейтін орнитоптерлермен жұмыс істеуде үлкен тиімділік пен реализмге қол жеткізді. Ол құстардың бүгілген қанатының әрекетін жақынырақ еліктеуге арналған бүгілетін қанаты бар орнитоптердің алғашқы табысына қол жеткізді, бірақ бұл құстардың қанаттары сияқты нақты өзгермелі қанат емес еді. 1960 жылы Персиваль Спенсер экипажы жоқ орнитоптерлер сериясын ұшырды. Олар ішкі жану қозғалтқыштарын пайдаланды, ал ұшақтардың қанаттарының ұзындығы 8 футқа (2 м) дейін жетті. 1961 жылы Персиваль Спенсер мен Джек Стивенсон алғашқы ұшқан, қашықтан басқарылатын орнитоптерді ұшырды, оны Спенсер орнипланы деп атады. Орнипланның қанаттары кең, салмағы 4 кг. Ол екі жазықтықты құрастырған, бұл фюзеляждың тербелісін азайтуға мүмкіндік берді.
Экипажмен ұшу
Экипажбен басқарылатын орнитоптерлер екі негізгі санатқа бөлінеді: ұшқыштың бұлшық күшімен (адаммен басқарылатын орнитоптерлер) және қозғалтқышпен қозғалатындар. 1894 жылы Германияда авиацияның алғашқы дамушысы Отто Лилиенталь көпшілік назарына ілігіп, сәтті ұшуларымен танымал болды. Лилиенталь құстардың ұшуын да зерттеді және осыған қатысты тәжірибелер жүргізді. Ол орнитоптер құрастырды, бірақ оның толық дамуына 1896 жылдың 9 тамызында планер апатында болған қайғылы оқиға кедергі келтірді. 1929 жылы Александр Липпиш (Мессершмитт Me 163 Komet ұшағының конструкторы) жасаған адам күшімен басқарылатын орнитоптер, сүйреу арқылы ұшырылғаннан кейін белгілі бір қашықтыққа ұшты. Сүйреу қолданылғандықтан, кейбір адамдар ұшақтың өздігінен ұша алатынына күмән келтірді. Липпиш ұшақ шын мәнінде ұшып бара жатқанын, ұзаққа созылған сырғанау емес екенін мәлімдеді. (Бұл мәселені шешу үшін биіктік пен жылдамдық уақыт бойынша дәл өлшенуі қажет.) Кейінгі адам күшімен басқарылатын орнитоптерлердің көпшілігі де сүйреу арқылы ұшырылды, ал ұшулардың ұзақтығы адамның бұлшық еттерінің уақыт өте келе шаршауына байланысты қысқа болды. 1942 жылы Адалберт Шмид Мюнхен Лаймда адам күшімен басқарылатын орнитоптерде ұзаққа созылған ұшу жасады. Кейіннен осы ұшаққа Sachs мотоциклінің қозғалтқышы орнатылды. Қозғалтқышпен жабдықталған ұшақ 15 минутқа дейін ұша алды. Шмид кейіннен Grunau Baby IIa планері негізінде 1947 жылы ұшқан орнитоптер құрастырды. Екінші ұшақтың сыртқы қанаттарының бөліктері қағылып тұрды. Француз инженері Рене Рио үш онжылдық бойы қанатты орнитоптерлерді жасауға өмірін арнады. 1905 жылы ол алғашқы үлгілерін ойлап тапты. 1909 жылы ол кішірейтілген үлгісі үшін Лепин байқауында алтын медаль жеңіп алды. 1913 жылы ол ұшқыштан тапсырыс алған үлгіні – Dubois Riout-ты әзірлеуде жұмыс істеді. Сынақтар 1916 жылы тоқтатылды. 1937 жылы ол Riout 102T Alérion-ды аяқтады, ол 21 ғасырдың екінші онжылдығына дейін пилоттық қанатты орнитоптердің ең табыстысы болды. Алайда, жел тоннеліндегі сынақтардың нәтижелері жобаны жалғастыруға қолайлы емес екенін көрсетті. 2005 жылы Ив Руссоға авиация саласына қосқан үлесі үшін FAI жүйзелеп берген Пол Тиссандье дипломы табысталды. Руссо 1995 жылы қанаттарын қағып, адамның бұлшық күшімен алғашқы ұшуын жасауға тырысты. 2006 жылдың 20 сәуірінде, 212-ші әрекетінде, ол Аэро-клубтың өкілдерінің куәгерлігімен 5 шақырым қашықтықты ұшып өтті. 213-ші әрекетінде желдің күйісқак соққысынан қанаты сынды, нәтижесінде ұшқыш ауыр жарақат алып, парализге ұшырады. Торонто университетінің аэроғарыштық зерттеулер институтының профессоры Джеймс ДеЛауриер басқаратын команда бірнеше жыл бойы қозғалтқышпен жабдықталған, пилотты орнитоптерде жұмыс істеді. 2006 жылдың шілдесінде Торонтодағы Даунсвью паркіндегі Бомбардье әуежайында профессор ДеЛауриердің машинасы, UTIAS Ornithopter No.1 реактивтік көмекпен ұшып, 14 секунд бойы ұшты. ДеЛауриердің сөзіне сүйенсек, реактивтік қозғалтқыш ұзаққа созылған ұшу үшін қажет болды, бірақ қанаттардың қағуы негізгі жұмысты атқарды. 2010 жылдың 2 тамызында сол мекеменің Тод Райхерт Snowbird деп аталған адам күшімен басқарылатын орнитоптерді ұшырды. Қанаттарының ені белгілі бір шамадағы ұшақ көміртек талшығынан, балса ағашынан және көбіктен жасалған. Ұшқыш қанаттардың астындағы шағын кабинаға отырып, аяқтарымен штанганы басып, қанаттарды жоғары-төмен қозғалтатын сымдар жүйесін басқарды. Көлікпен сүйреліп, әуеге көтерілгеннен кейін, ол шамамен 20 секунд бойы ұшты. Мұндай ұшулар бұрын да жасалған, бірақ деректерді жинаудың жақсаруы орнитоптердің өздігінен ұшуға қабілетті екенін растады.
Еркексіз орнитоптерлерге арналған өтініштер
Қолдануға арналған құралдар құстар мен жәндіктерге ұқсастығын пайдаланады. Колорадоның парктері мен жабайы табиғат басқармасы осы машиналарды құрып кету қаупі төнген Гуннисон шалғын торайының санын сақтау үшін қолданды. Оператор басқаратын жасанды бүркіт құстарды зерттеу үшін ұстауға мүмкіндік беру үшін оларды жерде ұстап тұрады. Орнитоптерлерді құстар мен жәндіктерге ұқсатуға болады, сондықтан оларды әуеде барлау сияқты әскери мақсаттарда пайдалануға болады, бұл жаулардың қадағалауда екенін сезбеуге мүмкіндік береді. Кейбір орнитоптерлерде бейнекамералар орнатылған, олардың кейбіреулері тар кеңістікте маневр жасай алады. 2011 жылы AeroVironment ықтимал тыңшылық миссиясы үшін үлкен құсқұсқа ұқсайтын, қашықтан басқарылатын орнитоптерді көрсетті. Пол Б. МакКреди (Госсемер Альбатросының авторы) басқарымындағы AeroVironment 1980 жылдардың ортасында Смитсониан институты үшін алып птерозавр Quetzalcoatlus northropi-нің жартылай масштабты радиобасқарылатын моделін жасады. Модель IMAX фильмі «Қанатта» басты рөлде ойнау үшін жасалған. Модельдің қанаттарының ені кең болды және күрделі компьютерлік автопилотты басқару жүйесімен жабдықталған, сияқты алып птерозавр да ұшу кезінде тұрақты түзетулер жасау үшін нейромыстық жүйесіне сүйенді. Зерттеушілер қазіргі конструкциялардағы қозғалтқыштар мен тісті дөңгелектерді жануарлардың ұшу бұлшықтарын жақын түрде еліктеу арқылы жоюға үміттенеді. Джорджия Техникалық институтының Роберт С. Микельсон микромасштабты қанат қағып ұшатын аппараттарда пайдалану үшін химиялық бұлшық етті әзірлеп жатыр. Микельсон осы типтегі орнитоптер үшін «энтомоптер» терминін қолданады. SRI International қанатты ұшу үшін де қолданылуы мүмкін полимерлік жасанды бұлшық еттерді әзірлеп жатыр. 2002 жылы Швециядағы Чалмерс технологиялық университетінің Кристер Вольф және Питер Нордин ұшу техникасын үйренген қанатты робот жасады. Балса ағашынан жасалған дизайн тұрақты күйдегі сызықтық эволюциялық алгоритм деп аталатын машиналық оқыту бағдарламалық қамтамасыз ету технологиясымен басқарылды. Табиғи эволюциядан шабыттанған бағдарламалық қамтамасыз ету берілген міндетті қаншалықты жақсы орындайтыны туралы кері байланысқа жауап ретінде «эволюциялайды». Зертханалық жабдықтармен шектелгенімен, олардың орнитоптері максималды тұрақты көтергіш күш пен көлденең қозғалыс үшін мінез-құлықты дамытты. 2002 жылдан бері профессор Тео ван Холтен тікұшақ сияқты құрылған орнитоптермен жұмыс істеп келеді. Бұл құрылғы «орникоптер» деп аталады және негізгі ротор реакциялық моменті болмайтындай етіп құрастырылды. 2008 жылы Амстердамның Схипхол әуежайы соколовшы Роберт Мустерс жасаған шынайы көрінетін механикалық бүркітті пайдалана бастады. Радиобасқарылатын робот құс ұшақтардың қозғалтқыштарына зиян келтіруі мүмкін құстарды қорқыту үшін қолданылады. 2012 жылы Твенте университетінің еншілес компаниясы RoBird (бұрын Clear Flight Solutions) әуежайлар мен ауыл шаруашылығы және қалдықтарды басқару салалары үшін жасанды жыртқыш құстарды (RoBird® деп аталады) жасауды бастады. Адриан Томас пен Алекс Каччиа 2015 жылы Animal Dynamics Ltd компаниясын құрды, ол квадрокоптерлерден гөрі артық өнім беретін құрттың механикалық аналогын әзірлеуге бағытталған. Бұл жұмысты Қорғаныс ғылымы және технологиялық зертханасы, британдық Қорғаныс министрлігінің ғылыми бөлімі, және АҚШ Әуе күштері қаржыландырады.
Әуесқойлық
Әуесқойлар өз орнитоптерлерін жасап, ұшыра алады. Бұл модельдер жеңіл салмақты, резеңке ленталармен қозғалатындардан бастап, радиобасқарылатын үлкен модельдерге дейін болады. Резеңке лентамен қозғалатын модельдің дизайны мен құрылысы салыстырмалы түрде қарапайым болуы мүмкін. Әуесқойлар осы модельдермен ең ұзақ уақыт ұшуға бәсекелеседі. Бастапқы модельдің дизайны мен құрылысы қарапайым болуы мүмкін, бірақ жетілдірілген бәсекелестік үлгілерін жасау өте нәзік және қиын. Рой Уайт 21 минут 44 секундтық ұшу уақытымен резеңке лентамен жұмыс істейтін, жабық алаңдағы ұлттық рекордты ұстап тұр. Коммерциялық, еркін ұшуға арналған резеңке лентамен қозғалатын ойыншық орнитоптерлер көптен бері қолжетімді. Бұлардың алғашқысы 1879 жылы Парижде «Тим Берд» деген атпен сатылды. Кейінгі модельдер де «Тим Берд» деген атпен сатылды (G de Ruymbeke, Франция, 1969 жылдан бері). Коммерциялық радиобасқарылатын үлгілер Персиваль Спенсердің 1958 жыл шамасында жасаған қозғалтқышты «Seagulls» және Шон Кинкейдтің 1990 жылдардың соңынан бүгінгі күнге дейінгі жұмыстарынан туындады. Қанаттар көбінесе электр қозғалтқышымен қозғалады. Көптеген әуесқойлар өздерінің жаңа қанаттары мен механизмдерін тәжірибелеп көруді ұнатады. Бұл хоббиге олардың табиғи ортасында нағыз құстармен қарым-қатынас жасау мүмкіндігі де зор қуаныш сыйлайды. Құстар көбінесе қызығушылық танытып, ұшып бара жатқан модельді іздейді немесе зерттейді. Кейде RC құстарға жыртқыш құстар, қарғалар және тіпті мысықтар шабуыл жасайды. WowWee компаниясының «Dragonfly» сияқты соңғы, арзан модельдері нарықты арнайы хоббистерден жалпы ойыншықтар нарығына дейін кеңейтті. Әуесқойлар үшін пайдалы ресурстарға Натан Хронистердің жазған «The Ornithopter Design Manual» кітабы және осы модельдерді жасау және ұшыру туралы көптеген ақпараттарды қамтитын «The Ornithopter Zone» веб-сайты жатады. Орнитоптерлер сонымен қатар Американың жалпыұлттық ғылым олимпиадасының бұрынғы іс-шараларының бірі ретінде де қызығушылық тудырды. «Ұшқан құс» іс-шарасы нақты талаптарға сәйкес өздігінен қозғалатын орнитоптерді жасауды талап етті, ұшу уақыты мен салмағы бойынша ұпайлар берілді. Орнитоптер нағыз құсқа ұқсаса, қосымша ұпайлар да берілді.
Аэродинамика
Құстар көрсеткендей, қанат қағу арқылы ұшатын аппараттар, тұрақты қанатты ұшақтармен салыстырғанда маневрлеуге және энергияны үнемдеуге артықшылықтар ұсынады, сондай-ақ тік ұшып-қону мүмкіндігін де береді. Бұл артықшылықтардың кішкентай өлшемде және төмен ұшу жылдамдықтарында ең жоғары болатыны айтылған, бірақ мұндай тұрақсыз ағындардың күрделі, сызықтық емес сипатынан туындайтын, қанат қағудың толыққанды аэродинамикалық теориясын жасау әлі де шешілмеген мәселе болып қалып отыр. Ұшақтар мен тікұшақтардан өзгеше, орнитоптердің негізгі қанаттары айналудың орнына қағу немесе тербелу қозғалысын жасайды. Тікұшақтар сияқты, қанаттар көтерілу және итеру күшін бірдей қамтамасыз етеді. Теориялық тұрғыдан алғанда, қанатпен жоғары қаққанда шабуыл бұрышын нөлге келтіруге болады, осылайша ол ауадан оңай өтеді. Көбінесе қанаттың желбезек пішінді бөліктері көтерілу және итеру күшін бірге тудырады, сондықтан қарсылық тудыратын құрылымдар ең аз мөлшерде болады. Бұл екі артықшылық тиімділіктің жоғары деңгейіне мүмкіндік береді.
Қанаттың құрылысы
Егер болашақта ұшақ құрамында ұшатын моторизацияланған орнитоптерлер "экзотикалық", қиялға салынған, нақты емес ұшақтардан шығып, ұшақ отбасының кіші мүшелері ретінде адамдарға қызмет ете бастаса, конструкторлар мен инженерлерге қанатты жобалау мәселелерін ғана емес, оларды қауіпсіз және сенімді етуге қатысты көптеген басқа да мәселелерді шешу қажет болады. Осы мәселелердің кейбіреулері, мысалы тұрақтылық, басқарылу және беріктік, барлық ұшақтар үшін қажет. Орнитоптерлерге тән басқа да мәселелер туындайды; қанат қағып-қағып ұшатын конструкцияны оңтайландыру олардың бірі ғана. Орнитоптердің қанаттары алға итермелеуші күшті және ұшу бағытына перпендикуляр күшті (ауада ұстайтын) қамтамасыз етуі керек. Бұл күштер соғу әсеріне және ұшақтың салмағына қарсы тұру үшін жеткілікті күшті болуы керек. Леонардоның орнитоптерлік жобалары құстарды зерттеуінен туындады және аэродинамикалық көтеру үшін қажетті алға жылжуды қамтамасыз ету үшін қанат соғу қозғалысын пайдалануды көздеді. Алайда сол кездегі материалдарды қолдану арқылы бұл аппарат тым ауыр болып, ұшу үшін жеткілікті көтеру немесе итермелеу күшін өндіру үшін тым көп энергия қажет ететін еді. Альфонс Пено 1874 жылы қуатты орнитоптер идеясын ұсынды. Оның құрастырылуының қуаты шектеулі және басқару мүмкін болмады, сондықтан ол балаларға арналған ойыншыққа айналды. 1960 жылдары түрлі өлшемдегі қуатты, пилотсыз орнитоптерлер ұшуға қол жеткізіп, ұшуды жалғастыра алды, механикалық қанатты ұшудың нақты мысалдарымен қамтамасыз етті. 1991 жылы Харрис пен ДеЛауриер Торонтода (Канада) алғашқы қозғалтқышпен жабдықталған, қашықтан басқарылатын орнитоптерді ұшырды. 1999 жылы осы жобаға негізделген пилоттық орнитоптер ұшты, ол тегіс асфальттан ұшып, ұдайы ұшуға қабілетті болды. Қанат соғу ұшу кезінде кедергіні арттырады және бұрандалы ұшақтарға қарағанда тиімді емес. Кейбір конструкциялар төменгі соққыда жоғары соққыға қарағанда көбірек қуат жұмсау арқылы тиімділікті арттырады, бұл көптеген құстарға тән. Ұшу үшін қажетті иілгіштік пен ең төменгі салмақты қамтамасыз ету үшін инженерлер мен зерттеушілер көміртек талшығы, фанера, мата және қабырғаларды қажет ететін қанаттармен эксперимент жасады, сондай-ақ қатты және мықты артқы жиекті жасады. Кез келген массаның құйрық бөлігінен артқа орналасуы қанаттың жұмысын нашарлатады, сондықтан мүмкіндігінше жеңіл материалдар мен бос кеңістік қолданылады. Қанат беті үшін материалды таңдау да кедергіні азайту және қажетті пішін сақтау үшін маңызды. ДеЛауриердің тәжірибелерінде екі бетті аэродинамикалық қабатты тегіс аэродинамикалық бет бір бетті аэродинамикалық қабаттан гөрі көтеруді өндіруде тиімдірек болды. Басқа орнитоптерлер ұшқанда құстар мен жартастар сияқты әрекет ете бермейді. Әдетте құстар мен жартастардың жұқа және иісті қанаттары болады. Қанаттары жұқа орнитоптердің шабуыл бұрышы шектеулі, бірақ олар бір көтеру коэффициенті үшін ең төменгі кедергі көрсеткішін қамтамасыз етеді. Көлбеулер қанатын толық жайып ұшса да, мұндай ұшу орнитоптер үшін мүмкін емес. Егер орнитоптердің қанаты толық созылып, бұрылып, кішкентай қозғалыстар жасаса, ол тұрақсыздыққа әкеледі, ал егер ол үлкен қозғалыстармен бұрылып, қағып, жел диірмені сияқты әрекет етеді, бұл тиімсіз ұшу жағдайын тудырады. "Fullwing" деп аталатын инженерлер мен зерттеушілер тобы орташа көтеруі 8 фунттан асатын, орташа итермелеуі 0,88 фунт және қозғалтқыштың тиімділігі 54% болатын орнитоптер жасады. Қанаттар төмен жылдамдықтағы жел туннелінде сыналып, аэродинамикалық өнімділігі өлшенді, нәтижесінде қанаттың соғуы жиілігі неғұрлым жоғары болса, орнитоптердің орташа итермелеу күші соғұрлым жоғары екені анықталды.
Көркем шығармаларда
Орнитоптерлер көркем әдебиетте бірнеше рет бейнеленген, соның ішінде Фрэнк Герберттің «Дюна» сериясында, онда олар Атрейдтер үйі Арракис планетасының шөлді климатында қолданатын басты әуе көлігі түрі болып табылады.