До недавних пор специалисты ломали голову, какое аэродинамическое воздействие оказывают контурные перья птичьего оперения, которые, словно черепица, покрывают основание маховых и рулевых (хвостовых) перьев в несколько рядов сверху и снизу крыльев и хвоста, образуя, таким образом, плотно закрытые поверхности.
Теперь ясно, что в будущем их принцип может сделать самолёты более безопасными. Как показали эксперименты в аэродинамической трубе, они, которые лишь пассивно перемещаются потоком воздуха, увеличивают подъёмную силу и предотвращают остановку потока на больших высотах.
В моделях самолётов копии сделанных из тонкого пластика перьев задерживали "сваливание" и увеличивали подъёмную силу на 45% — без каких-либо затрат энергии или дополнительных технологий управления.
Будь то планер Лилиенталя, орнитоптер да Винчи или первый моторизованный летательный аппарат, пионеры авиации основывали свои технологии на аэродинамических принципах птичьих крыльев. Эта модель актуальна по сей день. Об этом свидетельствуют, например, форма крыльев, выдвижные посадочные закрылки и недавно добавленные winglets — "крылышки" на их концах. Все они в сходной форме встречаются у пернатых.
Но есть одна особенность крыльев птиц, точная функция которой остаётся неясной: покровные перья. Они закрывают переднюю часть верхней и нижней части крыла и не принимают активного участия при полёте. Однако во время определённых манёвров эти перья пассивно поднимаются под действием воздушного потока:
"Замечено, что некоторые из этих рядов перьев способны вставать во время полёта, особенно в ответ на порывы ветра или при приземлении", — объясняют Гиргис Седки (Girguis Sedky) и его коллеги из Принстонского университета.
Чтобы выяснить, имеют ли покровные перья крыльев птиц аэродинамическую функцию и какую, учёные исследовали это в аэродинамической трубе. Для этого они создали несколько моделей крыльев, к которым прикрепили одну или несколько подвижных тонких пластиковых планок с одной стороны в разных положениях. Как и скрытые перья, эти копии могли пассивно реагировать на потоки воздуха и вставать или ложиться.
"Эксперименты в аэродинамической трубе предоставляют нам точные данные измерений о том, как воздух взаимодействует с этими моделями крыльев и их закрылками, — добавляет Седки. — Это позволяет нам определить, что происходит физически".
Оказалось, что перья-закрылки, хотя и перемещаются лишь пассивно, оказывают существенное влияние на лётные характеристики и подъёмную силу крыла. В частности, пластиковые предкрылки в области переднего крыла увеличивают подъёмную силу крыльев и уменьшают трение, вызываемое турбулентными потоками на поверхности крыла. Это также снижает риск срыва потока при более крутых углах атаки крыла или при более низких скоростях полёта.
"Чем больше таких закрылков вы добавите в переднюю часть крыла, тем больше будет положительный эффект", — заверяет старшая автор Эйми Висса (Aimy Wissa).
Особенно эффективными оказались перья-закрылки, которые закрепили к вершине крыла в два-пять рядов один за другим.
"Пятирядная версия улучшила подъёмную силу на 45 процентов и снизила трение на 31 процент", — сообщает исследовательская группа.
Более детальный анализ показал, что кроющие перья вмешиваются в потоки воздуха вокруг крыла посредством двух разных механизмов. В передней части пассивно подвижные ламели предкрылки создают непосредственно перед собой зону отрицательного давления, что обеспечивает дополнительную подъёмную силу. В кормовой части закрылки блокируют восходящий поток воздуха, что затем ослабляет подъёмную силу.
Поможет ли эта недавно открытая функция птичьих перьев быть полезной и для самолётов? Чтобы выяснить это, учёные оснастили модель самолёта пассивно движущимися лопастями крыла. Затем они заставили самолёт с дистанционным управлением выполнить несколько, иногда рискованных, манёвров в воздухе, включая набор высоты под крутым углом, что может привести к ужасному сваливанию.
Палубные закрылки действительно дали эффект: дистанционно управляемый самолёт был более устойчив в воздухе и в "сваливание" вошёл лишь позже и менее резко.
"Включение палубных закрылков увеличивает максимально возможный угол набора высоты и задерживает сваливание, одновременно увеличивая устойчивость самолёта.
По факту это означало, что неконтролируемые спуски или другие потенциально опасные ситуации происходили реже.
"Эти предкрылки помогают самолёту избежать сваливания и облегчают восстановление управления после такого сваливания", — объясняет Висса.
По мнению исследователей, такие пассивные закрылки могут стать простым и сравнительно недорогим методом повышения безопасности самолётов или БПЛА. Закрылки, спроектированные на основе перьев крыла, не требуют ни активного управления, ни электричества.
"Это просто лёгкие, гибкие панели, которые при правильной форме и размещении могут значительно улучшить характеристики и устойчивость самолёта", — констатирует Висса.
Как объясняет исследовательница, проведённые эксперименты дали два результата: помогли выяснить, для чего нужны покровные перья птичьих крыльев, и показали новый способ усовершенствования самолётов.