Автор: Рыженко Аделина Евгеньевна

Возраст: 16

Место учебы: МАОУ гимназия №93

Город, регион: Республика Башкортостан,г. Уфа

Историко-исследовательская работа "Какие рекорды зафикированы у мускулолетов? "

План: ​

1. Введение

2.Основная часть

2.1 Воздушные велосипеды

2.2 Мускулолет. Миф или реальность?

2.3 Попытки создания

2.4 Разработки стали первыми рекордами

2.5 Три типа мускулолетов

2.6 Особенности мускулолетов " самолетной схемы"

2.7 Некоторые модели

2.8 Теоритическая часть

2.9 Рекорды

3.Заключение

1.Введение
    Люди всегда стремились к небу. О полетах мечтали еще во времена античности. Достаточно вспомнить миф о Дедале и Икаре. Свои варианты разнообразных летательных аппаратов предлагал известный изобретатель Леонардо да Винчи, оставивший нам чертежи. Со временем человек построил самолеты, вертолеты, космические корабли. За чудесами прогресса легенда об Икаре потускнела, так и не дав людям настоящего ощущения полета, который зависел бы от человека. Совершать полеты, опираясь исключительно на силы своего организма сложно, но можно. Для этого люди придумали необычный летательный аппарат — мускулолет.

2. Основная часть
2.1 Воздушные велосипеды
     Мускулолет – это гибрид самолета  и велосипеда. А точнее, летательный аппарат, который,как и обычный винтовой самолет, приводится в движение винтом. Но винт этот крутит не двигатель внутреннего сгорания, а сам человек-пилот с помощью педалей велосипеда. Частота вращений примерно 90 оборотов за минуту. Аппараты могут быть выполнены в виде самолета, вертолета и махолета. Наибольшее распространение получили мускололеты, выполненные по схеме самолета.
          Для полета на мускололете не нужна выдающаяся мускулатура икр и квадрицепсов. Оторваться от земли и лететь на качественном мускулолете способен любой человек средней мышечной развитости. Чтобы максимально облегчить труд пилота-велосипедиста, мускулолет собирают из максимально легких материалов. Поэтому мускулолеты - очень хрупкие «создания». Весят всего килограмм 30. Имеют длинные крылья - размах до 35 метров. Огромный винт - до 2-х метров в диаметре. Все это очень легко сломать при разгоне и приземлении. Зато в воздухе мускулолет парит как птица. При отсутствии ветра разгоняется до 45 километров в час. А если ветер дует в спину, скорость мускулолета достигает рекордных 90 километров в час! И при этом мускулолет не требует никакого топлива. А это означает, что этот летательный аппарат не наносит прямого вреда окружающей среде.

2.2  Мускулолет. Миф или реальность?
    История попыток человечества сравняться с птицами уходит корнями во времена столь древние, что сплетается с мифами. Первые попытки человека взлететь описаны в мифе о Дедале и Икаре. По сути, именно они и создали первый махолет, создав крылья из воска и птичьих перьев, дабы выбраться из критского лабиринта. Немолодой Дедал успешно справился с испытанием первого мускулолета, а Икар же от переизбытка юношеских сил превысил допустимый потолок, за что и поплатился жизнью.
     Взлететь на чем-то подобном, согласно преданиям, пробовал и некий холоп Никита, пытавшийся совершить полет с колокольни Александровской слободы в 16 веке. За эту свою попытку он поплатился жизнью.
     Леонардо да Винчи (1452–1519) развивал эту идею начиная с 1475 года и до самой смерти, посвятив ей множество своих рисунков. На них мы находим и результаты наблюдений за полетом птиц, и разнообразные конструкции летательных аппаратов — и геликоптеров, машущих крыльями, и орнитоптеров, немного похожих на современные вертолеты, Только с архимедовым винтом вместо пропеллера, и с вертикальным положением «пилота», и с горизонтальным, и с ручным приводом, и с ножным. Существует его рисунок, который историки относят к 1475 году, где изображен диковинный агрегат с несущим винтом из накрахмаленного полотна, натянутого на проволочный каркас.Вращать его, за неимением в то время иных двигателей, полагалось самим пилотам. Вера в осуществимость машущего полета была столь сильна, что крупнейший ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи смог осознать бесплодность этих попыток и создал несколько объектов летательных аппаратов с машущими крыльями.

 В
    Наверное, многим знакома пророческая фраза Н. Е. Жуковского: «Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.» Однако мало кто знает, при каких обстоятельствах Николай Егорович высказал эту мысль. А обстоятельства весьма занятны.
В 1890 году французский изобретатель Дельпра сконструировал воздушный велосипед. Его изобретение заинтересовало Жуковского. Он выполнил ряд расчетов. Более того, отдыхая летом во Владимирской губернии, в селе Орехово, профессор испытывал построенные им крылья, разгоняясь на велосипеде, чем немало удивлял местных жителей. Проблема так увлекла ученого, что он подготовил специальный доклад и выступил с ним на 10-ом съезде русских врачей и естествоиспытателей в 1898 году. Жуковский утверждал:”Для того чтобы поднять свой вес, не считая веса аппарата, Дельпра должен был работать с силой 4,6 лошади, что далеко превосходит ресурсы человека... Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов в 72 раза слабее птицы... Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.” Казалось, приговор великого ученого обжалованию не подлежит. Но разум человеческий, отыскивая непроторенные тропы, позволил обойти преграды, воздвигнутые матушкой-природой.
    Совершим маленький экскурс в аэродинамику. Сравним (чисто внешне) сверхзвуковой истребитель и спортивный планер. Что их прежде всего отличает друг от друга? У истребителя совсем маленькие крылья, у планера, наоборот, длинные и большие. Когда самолет летит горизонтально, подъемная сила его крыльев равна весу самолета, а тяга двигателя – сопротивлению воздуха полету. Для того чтобы маленькие крылья тяжелого истребителя создавали достаточную для компенсации большого веса подъемную силу, нужна большая скорость. Но с увеличением скорости возрастает сопротивление воздуха, и его должна компенсировать большая мощность двигателя. Спортивные планеры имеют очень малый вес и огромное крыло. Это позволяет им летать на очень малой скорости. Малая скорость – малое сопротивление воздуха. Поставим на планер воздушный винт (пропеллер) и заставим его вращаться с такой скоростью, чтобы тяга, им создаваемая, компенсировала это небольшое сопротивление воздуха. Планер полетит горизонтально. Конструкторы подсчитали (да уже и проверили на практике), что, используя современные сверхлегкие материалы, можно построить легкий (30-40 килограммов) летательный аппарат с большим крылом (размах 20-25 метров) и летать со скоростью 20-25 километров в час, а то и меньше. Поставив на такой летательный аппарат воздушный винт диаметром 3-3,5 метра и вращая его со скоростью около 100 оборотов в минуту, можно полностью компенсировать сопротивление воздуха полету. Вот теперь и вырисовывается самое интересное: тренированный спортсмен способен вращать трехметровый легкий винт с указанной выше скоростью с помощью простого велосипедного педального привода в течение десятков минут. Стало быть, создание летающего велосипеда – мускулолета – реально.

2.3 Попытки создания
    Первые попытки конструирования и изготовления мускулолетов (в том числе и махолетов, крылья которых работают по образу и подобию машущего крыла птицы) относятся ко второй половине XIX века. Мы уже упомянули француза Дельпра. Можно назвать и русские фамилии: И. Быков, И. Ювинальев, Н. Митрейкин. Естественно, все они потерпели конфуз. 
    Историки авиации первой удачей считают мускулолет «Авиэт», сконструированный французским велогонщиком Габриэлем Пуленом. Впервые он был испытан 9 июля 1921 года. Прикрепив к 17-килограммовому велосипеду два больших крыла, Габриэль смог разогнаться до скорости 40 км/ч. Однако аппарат Пулена был не летающим, а скорее, подпрыгивающим велосипедом. Когда он разгонялся до определенной скорости, крылья поднимали машину с седоком в воздух, после чего аппарат, не обладающий никакой тягой, планировал к земле. 
    В 1935 году в германской компании Юнкерс (Junkers) был создан прообраз современных мускулолетов самолетного типа, получивший название Mufli. Он имел тянущий винт, на который передавался крутящий момент от велосипедных педалей. Но поскольку в момент разгона мышечные усилия передавались не колесам, а винту, поднять в воздух такую машину не удавалось. Mulfi « выстреливали» в воздух при помощи катапульты из резиновых канатов. Такой мускулолет поднимался в небо не более 100 раз. В 1935 году он смог пролететь 235 метров, а в 1937 году рекорд был доведен до 712метров.

     Рождением действительно летающих машин мы обязаны двум людям: британскому промышленнику Генри Кремеру и американскому инженеру Полу Маккриди.

2.4  Разработки стали первыми рекордами
    В 1959 году Кремер объявил приз в 5000 фунтов стерлингов спортсмену, который с помощью только мускульной силы пролетит не менее одной мили (1600 метров) на высоте не менее трех метров по маршруту в виде «восьмерки». В желающих завоевать заманчивый приз недостатка не было. Первым реальным шагом на пути к завоеванию приза стал полет 9 ноября 1961 года спортсмена-велосипедиста Дерека Пиггота. Сконструированный и построенный им мускулолет «Сьюмпак» пролетел 45 метров. «Сьюмпак» разгонялся до взлетной скорости, как обычный велосипед. После взлета усилия пилота, вращающего педали, передавались уже не на велосипедные колеса, а на воздушный винт, установленный за сидением (выше него). Максимальным достижением Пиггота стала дистанция в 550 метров.
В том же 1961 году другой английский мускулолет – «Паффин-1» – пролетел 785 метров. На машине «Паффин-2» в 1965 году были предприняты робкие попытки развернуться в полете. В 1972 году английский мускулолет «Юпитер» впервые пролетел более одного километра, а мускулолет «Лайвер-паффин» поднимался в воздух почти сотню раз за год.
Дело двигалось чрезвычайно медленно, пока конструированием мускулолетов не занялся инженер из Калифорнии доктор Пол Маккриди, чемпион мира и трехкратный чемпион США по планерному спорту. Изучив свойства современных материалов, он пришел к выводу, что можно создать мускулолет, который потребует мощности не 4,6 лошадиных силы, как рассчитал в свое время Жуковский, а всего лишь в одну треть лошадиной силы, что близко к возможностям человека.
Маккриди строит мускулолет «Госсамер Кондор». К сентябрю 1976 года уникальный аппарат готов. Он весит около 32 килограммов при размахе крыльев, превышающем 29 метров. Крылья обтянуты мейларовой пленкой. Пилот, используя велосипедный педальный привод, вращает воздушный винт диаметром 3,7 метров.
Завоевать приз Кремера Маккриди поручил 24-летнему велосипедисту и планеристу Брайану Аллену. Для выполнения призового полета конструктор подыскал на территории США специальное место, где в течение года преобладает безветренная погода. Аллен помимо тренировочных полетов – а их было более четырехсот – придерживался специального режима тренировок и диеты, позволяющих максимально сократить вес тела без потери его «мощности».
Задуманное удалось полностью. В 7 часов 30 минут утра 23 августа 1977 года Аллен стартовал. «Госсамер» перелетел стартовый ограничитель высотой три метра, аккуратно обогнул контрольные вешки, выполнив пресловутую «восьмерку», затем поднялся на высоту трех метров для прохода финишного ограничителя (всю дистанцию длиною более двух километров Аллен прошел на высоте чуть более одного метра) и совершил отличную посадку. Рекордный полет занял семь с половиной минут.
Вручая приз победителям спустя 18 лет после его учреждения, Генри Кремер объявил новый приз, уже в 100000 фунтов стерлингов, тому, кто на мускулолете преодолеет Ла-Манш. Задача резко усложнилась: вместо двух километров – тридцать пять (а значит, вместо семи с половиной минут – около двух часов полета), вместо безветренного климата пустыни Мохава – злой и непредсказуемый климат Ла-Манша. Впереди «замаячили» новые восемнадцать лет. Но Маккриди с энтузиазмом взялся за решение и этой задачи.
Созданная за 3 месяца Маккриди новая модель мускулолета «Госсамер Альбатрос» (Gossamer Albatross) весила при тех же размерах всего лишь 30 кг. При этом «Альбатрос» был значительно «облагорожен» с точки зрения аэродинамики. «Хвостовое» оперение у него находится впереди.  Все эти новшества позволили сократить число оборотов воздушного винта, потребное для взлета и для полета, что, в свою очередь, уменьшило нагрузку на мышцы и потовые железы пилота. Так, Маккриди и Аллен получили за этот перелет самый большой в истории авиации приз.

В конце 1987 года греческий велосипедист Канеллос Каннелопулос получил приглашение выехать в США и принять участие в тренировках по проекту «Дедал». Шла подготовка к перелету по маршруту Дедала и Икара – через Критское море из Ираклиона, на Крите, на остров Санторин. Для этой цели был выбран мускулолет «Дедал», спроектированный и построенный американской фирмой «Юнайтед Текнолоджис». Этот относительно тяжелый аппарат (32 килограмма) имел размах крыльев 35 метров. Мускулолет позволял развивать скорость до 40 километров в час. Машина была спроектирована по последнему слову техники. На ней был даже установлен портативный радиоприемник.
Ранним апрельским утром 1988 года на аэродроме Ираклиона Каннелопулос начал крутить велосипедные педали, заставившие вращаться 3,5-метровый винт «Дедала». Он крутил педали без остановки почти четыре часа и пролетел до острова Санторин 116,5 километров. Полет проходил в основном на высоте около пяти метров. Мускулолет сопровождали несколько быстроходных катеров, экипажи которых были готовы в любой момент помочь пилоту. Интересно отметить такие факты: вес пилота вдвое превышал вес его летательного аппарата, а самый большой страх Каннелопулос, по его признанию, испытывал при посадке в кабину «Дедала»: одно неосторожное, резкое движение грозило поломкой какой-нибудь детали (что, кстати, не раз случалось на тренировках). Каннелопулос установил мировой рекорд, который, надо думать, не скоро будет перекрыт. Но, самое главное, он воплотил мечту, запечатленную в древнегреческом мифе.

2.5 Три типа мускулолетов
Аппараты могут быть выполнены в виде самолета, вертолета и махолета. 
    Одной из разновидностей  мускулолетов можно считать аппараты "вертолетной схемы"  . Как видно из названия, такие аппараты не имеют крыла, а подъемная сила создается винтом, аналогичным вертолетному. В принципе, КПД вертолетного винта больше, чем самолетного.в се это выглядит довольно оптимистично, но... пока что  ни один мускулолет вертолетного типа не продержался в воздухе и минуты.
Орнитоптер   (махолет)   -воздушное судно тяжелее воздуха, которое поддерживается в полёте в основном за счёт реакций воздуха с его плоскостями, которым придаётся маховое движение

 
В соответствии с Приложением 7 к Конвенции о международной гражданской авиации орнитоптеры входят в группу воздушных судов тяжелее воздуха, оснащённых силовой установкой.Хотя в истории известно множество попыток создания орнитоптера на мускульной тяге, но до сих пор не создано ни одного такого аппарата. Основная проблема в создании пилотируемого орнитоптера на мускульной тяге заключается в недостаточно высоком отношении вырабатываемой человеком мощности в течение длительного времени к суммарной массе аппарата и самого пилота. Проще говоря, современный человек не настолько силён и вынослив, чтобы поднять с помощью искусственных крыльев свой вес от земли и продержаться в воздухе хотя бы несколько секунд.
    Большинство летающих  на данный момент мускулолетов построено по так называемой "самолетной схеме", т.е. имеют обычное самолетное крыло, но с очень большим размахом (28..34 метра), воздушный винт (спереди или сзади) диаметром 1.5 - 2 метра и привод с педалями как у велосипеда.

Существует несколько действующих образцов мускулолетов, наиболее известные из них следующие: ""SkyCycle", "Light Eagle", "Airglow", "Velair" и "Pelargos".

2.6 Особенности мускулолетов «Самолетной схемы»

    В основном вся воздушная армада мускулолетов будто бы сошла с одного конвейера. И это при том, что мускулолеты самолетного типа делают в целом ряде стран: в Австралии, Новой Зеландии, Греции, Германии, Австрии, Великобритании, США, Канаде, Южной Африке, Сингапуре, Японии.  Все более менее летающие на данный момент мускулолеты построены по « самолетной схеме», т.е имеют обычное самолетное крыло, но с огромным размахом, воздушный винт и привод с  педалями как у велосипеда.
Существует несколько действующих образцов мускулолетов, наиболее известные из них следующие: "Daedalus 88", "SkyCycle", "Gossamer Albatross", "Muscular 2", "Light Eagle", "Airglow", "Velair" и "Pelargos".  Все они подозрительно схожи между собой, как братья-близнецы. Может быть,конечно, самолеты лишь такой конструкции взлетать за счет мощности 200-300 Вт, развиваемой человеком, а может быть они все просто скопированы с первого “взлетевшего”. Ведь не секрет, что подобными проектами занимаются группы студентов успешных университетов, очень хорошо контактирующих друг с другом. На данный момент, конструкция мускульных самолетов отработана до такой степени, что  как сказано на одном англоязычном сайте, посвященному этой тематике,« Если вы рассчитали мускулолет, то он обязательно взлетит».
Так в чем же особенности « самолетной схемы»?
    1)Огромный размах крыльев (28-34м). Он служит для повышения аэродинамического качества и уменьшения индуктивного сопротивления. Площадь крыла тоже в пределах 35..44 кв.м, т.е ширина крыла примерно 1м. Крылья, изготовленные из легких материалов и имеющие тончайшее покрытие, весьма хрупки и гибки. В связи с этим при взлете и приземлении мускулолета помощники пилота придерживают крылья, чтобы они не касались земли.
   2) Сверхмалый вес конструкции — 30-40 кг за счет использования стеклопластика,корбона и кевларовых растяжек. 
   3) Тянущий (спереди) или толкающий (сзади) винт диаметром 1.5 — 2 м. Чем больше винт (и соотв. медленнее скорость вращения), тем больше его КПД, поэтому используются воздушные винты большого диаметра. При этом толкающий винт потребляет примерно на 10% больше мощности, т.к. перед ним есть область затенения кабиной пилота, а кроме того, тянущий винт за счет струи воздуха обдувает крыло и тем самым создает дополнительную поъемную силу. Как правило, пилот вращает педали с частотой 90 об/мин, а винт через цепную передачу, аналогичную велосипедной цепи, вращается с частотой 160-180 об/мин. Это позволяет наиболее рационально снимать полезную мощность с человека,КПД такой передачи около 95%
   4) Закрытая кабина

2.7Некоторые модели
Мускулолет Light Eagle 

    Мускулолет Light Eagle – прототип рекордного  Daedalus, на нем проводилось множество экспериментов и практических измерений. Построен в 1986 году в США.  
Вес пустого – 40.02кг
Вес взлетный- 105.3 кг
Размах крыльев- 34.2 м
Площадь крыла – 29.7 кв.м

Мускулолет Airglow 

Основной материал –углеволоконные трубки, для покрытия использовался кевлар, корбон, материал Rohacell и Styrofoam. Управление через проволочную систему.
Вес пустого- 32 кг
Размах крыльев – 25м
Площадь крыла- 22.5 кв.м.
Скорость полета- 8.2 м/с
Минимальная необходимая мощность – 225 Вт

Мускулолет Sky Cycle

Вес пустого- 39кг при размахе 23 м
Стандартный вес пилота- 50 кг
Длина фезюляжа- 7.8
Диаметр пропеллера – 3.0м

2.8  Теоритическая часть
Во время полета на летательный аппарат воздействуют 4 основных силы (ветер и другие факторы не учитываем) : Тяга, лобовое сопротивление, подъемная сила и вес.
Подъемная сила рассчитывается по формуле:

Где Y-подъемная сила (Н)
Су- коэффициент подъемной силы
р- плотность воздуха на высоте полета (кг/м³)
V- скорость набегающего потока (м/с). Так как рассматривается ситуация без ветра, то V будет равна собственной скорости летательного аппарата.
S-характерная площадь (м²)
    В свою очередь тяга (а значит и скорость) обеспечивается работой, совершаемой пилотом. Это и является основным ограничивающим фактором для мускулолётов и в дальнейшем эту работу следует считать константой.  При увеличении тяги и сохранении постоянной высоты, тяга превосходит сопротивление воздуха. Аппарат при этом ускоряется. В следствии чего сопротивление увеличивается и вновь уравновешивает тягу. Аппарат стабилизируется на постоянной, но более высокой скорости. Возьмём мощность человека равной 125 Вт (оценки разнятся, но это значение можно считать даже несколько завышенным). Так как работу в полёте совершает не сам пилот а пропеллер, предположим что энергия человека передаётся ему без потерь (что в реальности естественно недостижимо) и возьмём КПД пропеллера равным 86% (по доступным мне данным это максимально возможное на данный момент значение). Соотнести тягу и мощность можно по следующей формуле:
мощность(Вт) = Тяга(Н) * Скорость (м/с)
Итого доступная мощность будет равна 107,5 Вт.
Для того, что бы аппарат взлетел, подъемная сила должна превзойти вес. Для упрощения будем использовать ИСО, в которой P=mg (P-вес, m- масса, g-ускорение свободного падения)
Лобовое сопротивление возрастает с увеличением скорости.
Минимальную силу, необходимую для преодоления сопротивления воздуха можно рассчитать по формуле:

 р- плотность воздуха на высоте полета (кг/м³)
V- скорость набегающего потока (м/с). Так как рассматривается ситуация без ветра, то V будет равна собственной скорости летательного аппарата.
А - характерная площадь (м²)
Cd- коэффициент лобового сопротивления

2.9 Рекорды мускулолетов

    В 1961 году в Великобритании был изобретен очередной мускулолет. Он был разработан и построен группой аспирантов Саутгемптонского университета и на испытаниях 9 ноября на аэродроме Лашем смог пролететь 68 м.
    В 1977 году в США этот своеобразный рекорд был побит новым мускулолетом «Госсамер Кондор», разработанным доктором Полом Маккриди. Мускулолет имел размах крыла 29,26 м и вместе с пилотом велосипедистом-гонщиком Брайеном Алленом весил 94 кг. За 7 минут 27 секунд этот аппарат смог преодолеть по воздуху 1600 м.
    В 1979 году доктор Маккриди разработал новый мускулолет «Госсамер Альбатрос». На этом аппарате Брайен Аллен смог пе¬релететь, ни много ни мало, пролив Ла-Манш. Он вылетел из Фолкстоуна (графство Кент) в 5 часов 51 минуту и преодолел 36 км, приземлившись в 8 часов 40 минут во Франции на мысе Гри Не.
    Полёт по замкнутому кругу длиной 58,66 км в 1987 году Glen Trernmi (США) на «Light Eagle», в том же году и на том же мускулолёте единственная женщина-пилот Lois McCallin (США) пролетела 15 км за 37 минут.
    Мировой рекорд — перелёт на расстояние 115 км за 3 часа 54 минуты 59 секунд по стопам легендарного Дедала с острова Крит на материк совершил греческий велосипедист-спортсмен K. Канеллопулос на мускулолёте «Daedalus 88» 23 апреля 1988 года. Аппарат имел размах крыльев 34,75 м, а площадь крыла составила 35,0 м².

3.Вывод
    Мускулолеты "самолетной схемы" доказали реальную возможность многочасового полета человека за счет собственных мускулов, причем спортивная подготовка для этого совсем необязательна (большинство полетов совершено обычными людьми, не спортсменами, в их числе также были замечены представительницы прекрасного пола).  Мускулолеты это спорт,необычное увлечение,хобби. Все что угодно,но только не будущее авиации.Все  полеты эти не долгие,на небольшой высоте и при идеальной погоде. Таким образом,пассажиров на нём не перевезёшь, в частном порядке скорость большую и высоту не наберёшь. для практических целей такие аппараты неприменимы из-за своей хрупкости и дороговизны.
По большей части сейчас мускулолеты бьются уже не за рекорды, а просто соревнуются между собой. Каждый год на всех материках, за исключением лишь Антарктиды, проходят разнообразные открытые национальные чемпионаты, в которых участвуют десятки летательных аппаратов. Мероприятия эти являются очень зрелищными и обычно привлекают большую аудиторию.

Список используемой литературы:•Журнал « Вокруг света»