Автор: Маматова Фатима Рустамовна
Возраст: 15 лет
Место учебы: ГБОУ "Гимназия № 1 г. Карабулак им. А.Б. Дошаклаева
Город,регион: г. Карабулак, Республика Ингушетия
Руководитель: Ведзижева Наташа Мусаевна 

Бионика в авиации: как изучение полёта птиц и насекомых
повлияло на создание летательных аппаратов

План

1. Исторические предпосылки бионического подхода в авиации 
    1.1. Донаучный этап развития идеи летательных аппаратов 
    1.2. Анализ проектов орнитоптеров Леонардо да Винчи 
    1.3. Экспериментальные планеры Отто Лилиенталя как система бионического проектирования 
    1.4. Переход к управляемому полёту и заимствование аэродинамических принципов 
2. Бионические принципы в классической авиационной конструкции
    2.1. Сравнительный анализ аэродинамических профилей в природе и технике
    2.2. Техническая реализация механизации крыла на основе биологических адаптаций
    2.3. Функциональные аналоги оперения в биологических и технических системах
    2.4. Разработка и внедрение законцовок крыла на основе орнитологических исследований 
3. Современные направления авиационной бионики
    3.1. Физические ограничения масштабирования летательных аппаратов 
    3.2. Развитие микроавиации и конструкции БПЛА–орнитоптеров 
    3.3. Перспективные разработки адаптивных авиационных конструкций
4. Экспериментальное исследование эффективности бионического принципа
    4.1. Цель и гипотеза эксперимента
    4.2. Материалы исследования
    4.3. Результаты измерений
    4.4. Анализ и интерпретация экспериментальных данных
Заключение 
Список литературы

Введение

Актуальность темы. Современная авиационная отрасль стоит перед фундаментальным вызовом: необходимо радикально повысить топливную эффективность, снизить уровень шума и выбросов парниковых газов, чтобы соответствовать экологическим стандартам XXI века. В поисках прорывных решений конструкторы и учёные всё чаще обращаются к бионике –  науке, изучающей принципы организации, свойств и функций живых систем с целью их применения в технических устройствах. Эволюция, длившаяся миллионы лет, создала в природе идеальные, оптимизированные для конкретных задач конструкции, которые человечество лишь начинает осознанно использовать. Полет птиц и насекомых, являясь одним из самых совершенных явлений в биологии, служит фундаментальным источником вдохновения для конструкторов и инженеров.

Проблема исследования. Несмотря на очевидные визуальные аналогии между крылом птицы и крылом самолёта, системный историко–технический анализ преемственности этих принципов в авиации часто остаётся за рамками школьной программы и популярных изданий. Существует разрыв между знанием о единичных фактах заимствования (например, законцовки крыла) и пониманием эволюции бионики как методологии: от прямого механического копирования форм к математическому моделированию и внедрению глубинных физических принципов. Этот разрыв затрудняет осознание того, что современные авиационные технологии –  это не просто "наследие" природы, а результат многовековой интерпретации её законов.

Цель работы: выявить и проанализировать ключевые этапы, результаты и перспективы применения бионических принципов, заимствованных у птиц и насекомых, в конструкции летательных аппаратов, с акцентом на историческую преемственность и научное обоснование.

Задачи работы:

1. Реконструировать историческую хронологию попыток прямого копирования полёта птиц – от мифологических представлений и чертежей Леонардо да Винчи до ранних экспериментов с орнитоптерами, с подробным анализом ошибок и достижений.
2. Выделить и проанализировать ключевые бионические принципы (аэродинамический профиль, управление, подавление вихрей), которые были успешно адаптированы и интегрированы в классическую схему самолёта, используя сравнительные таблицы и исторические справки.
3. Исследовать современный этап «ренессанса» бионики, связанный с созданием микро–БПЛА, машущим полётом и разработкой адаптивных авиационных конструкций, с акцентом на физические ограничения масштабирования.
4. Экспериментальным путём на упрощённой модели оценить эффективность одного из базовых бионических принципов – использования законцовок крыла для повышения аэродинамического качества, и провести детальный анализ полученных данных.

Гипотеза исследования: влияние бионики на авиацию прошло качественную эволюцию: от первоначального, часто неудачного, прямого копирования внешней формы живых организмов – к выделению, теоретическому осмыслению и математическому моделированию лежащих в их основе физических принципов, что в итоге привело к созданию высокоэффективных, но уже не «похожих» на прототип, технических решений.

Объект исследования: Крыло летательного аппарата и его природные аналоги Предмет исследования: бионические принципы и конструктивные решения, 
заимствованные из наблюдений за полётом птиц и насекомых, и их реализация в авиационной технике.

1. Исторические предпосылки бионического подхода в авиации

1.1. Донаучный этап: от мифов к первым чертежам

Желание человека летать восходит к древним временам. Миф о Дедале и Икаре, который использовал крылья, склеенные из перьев и воска, чтобы покинуть остров Крит, является одним из самых известных примеров этого стремления. Этот миф отражает не только фантазию, но и практическую идею: для полета нужны крылья, похожие на птичьи. Это было первое зафиксированное в культуре представление о том, что человек может повторить способность птиц, используя их же материалы.

Рисунок 1. Иллюстрация мифа о Дедале и Икаре

В средневековой Европе рыцари мечтали о летающих доспехах, а в древнем Китае существовали легенды о летающих колесницах. Эти представления, хотя и носили мифологический характер, заложили психологическую основу для будущих исследований. Они показывают, что идея летания была не просто фантазией, а глубоко укоренившейся частью человеческого сознания.

Эти ранние попытки были чисто эмпирическими и не имели научной основы. Они основывались на наблюдении за птицами, но без понимания физических законов, таких как аэродинамика, сила тяжести и соотношение массы и мощности. Именно поэтому они оставались в области мифа и фантазии.

1.2. Леонардо да Винчи: первый системный подход

Леонардо да Винчи (1452–1519) стал первым человеком, кто подошел к проблеме полета с научной точки зрения. Его рукописи, особенно «Кодекс о полете птиц», представляют собой уникальный труд, сочетающий в себе искусство, инженерию и биологию. Он не просто рисовал птиц, он изучал их анатомию, движение крыльев и даже делал замеры.

Рисунок 2. Чертежи Леонардо да Винчи

Основная ошибка Леонардо заключалась в том, что он пытался скопировать не только форму, но и принцип движения – машущий полет. Он не понимал физических ограничений, таких как соотношение массы и мощности мышц человека, а также роль аэродинамического профиля. Его проекты были гениальны, но нереализуемы в то время, так как в его эпоху не существовало теоретической базы для количественной оценки этих ограничений. 

Таблица 1. Сравнительный анализ проектов Леонардо да Винчи

Этот анализ показывает, что Леонардо был пионером, но его подход был основан на копировании формы, а не на понимании физики. Это был первый шаг на пути к бионике, но не ее завершение.

1.3. Отто Лилиенталь: переход от копирования к интерпретации

Отто Лилиенталь (1848–1896), немецкий инженер, сделал решающий шаг в развитии авиации. Он был страстным наблюдателем птиц, особенно аистов, и проводил многочисленные эксперименты с планерами. Его главный вклад состоял не в копировании формы, а в понимании важности аэродинамического профиля.

Рисунок 3. Фотография Отто Лилиенталя в полете на одном  из его планеров

Рисунок 4. Чертеж планера Лилиенталя

Лилиенталь понял, что ключ к полету – это не мах крыльями, а форма, которая позволяет создавать подъемную силу за счет потока воздуха. Его планеры имели изогнутый профиль, что было прямым заимствованием из природы, но уже в виде инженерной интерпретации. Это был переход от биомимикрии (копирования) к бионике (применению принципов).

Таблица 2. Технические характеристики планеров Лилиенталя и их биологические аналоги

Сравнение планера Лилиенталя и аиста выявляет систематическое отклонение от пропорций прототипа: при увеличении размаха в 6–7 раз удлинение снижено с 8–10 до 5–7, а угол установки – повышен почти вдвое. Это не ошибка, а вынужденная инженерная компенсация: материалы (ткань и дерево) не позволяли реализовать высокое удлинение без потери жёсткости, а больший угол атаки частично восполнял недостаток качества профиля. Таким образом, таблица фиксирует момент, когда бионика становится не копированием, а расчётом.

1.4. Братья Райт: финальный шаг к управляемому полету

В 1903 году братья Уилбур и Орвилл Райт совершили первый в мире управляемый полет на аппарате тяжелее воздуха. Их успех был основан на системном подходе, включавшем изучение полета птиц, в частности коршунов.

Рисунок 5. Братья Райт с их самолетом

Рисунок 6. Самолёт «Флайер–1"

Ключевое наблюдение Райтов заключалось в том, что птицы управляют полетом не только рулевыми поверхностями, но и изменяя форму самого крыла. Они применили этот принцип, создав крыло, которое можно было скручивать, что позволило им контролировать крен. Это был чистый пример бионики: заимствование не формы, а функционального принципа управления.

Таблица 3. Сравнение управления полетом у птиц и у самолета братьев Райт

Выводы: Эволюция бионического подхода в авиации прошла путь от наивного копирования внешней формы (Леонардо да Винчи) через практическое применение аэродинамических принципов (Лилиенталь) к системному заимствованию функциональных механизмов управления (братья Райт). Этот процесс демонстрирует переход от биомимикрии к настоящей бионике, где главное –  не «похоже», а «работает по тому же принципу». Каждый этап внес свой вклад в развитие авиации, и без них современная авиация была бы невозможна.

2. Бионические принципы в классической авиационной конструкции

2.1. Сравнительный анализ аэродинамических профилей

Аэродинамический профиль –  это основа любого крыла. В природе профили птиц и насекомых различаются в зависимости от их образа жизни. Например, у аиста –  длинное, плосковыпуклое крыло для парения, у стрижа –  узкое и заостренное для скоростного полета.

Рисунок 7. Сравнительная схема аэродинамических профилей птиц и самолетов

Это показывает, что инженеры не копируют один профиль, а выбирают тот, который соответствует нужным характеристикам. Это и есть суть бионики –  использование природы как источника идей, а не шаблона.

Таблица 4. Сравнение аэродинамических профилей в природе и технике

           
Таблица отражает дивергентную стратегию проектирования: один и тот же биологический арсенал (профили птиц) адаптируется под разные задачи – от парения (аист) до сверхзвукового полёта (стриж). Особенно значимо, что симметричный профиль колибри, бесполезный для классической авиации, находит применение в БПЛА с машущим крылом. Это доказывает, что бионика в XXI веке перестала быть универсальной – она стала контекстно–зависимой: природа выступает как каталог решений, а не единый образец.

2.2. Техническая реализация механизации крыла

Механизация крыла – это система подвижных поверхностей (закрылки, предкрылки, элероны), которые изменяют форму крыла для улучшения его характеристик на разных режимах полета. Эта концепция имеет прямой аналог в природе.

Рисунок 8. Схема механизации крыла самолета и схема изменения формы крыла птицы при взлете и посадке

Рисунок 9. Закрылки на самолете

Закрылки и предкрылки позволяют увеличивать подъемную силу на малых скоростях, что критически важно для взлета и посадки. Это прямое повторение того, что делают птицы, распуская свои перья. Инженерная реализация позволяет сделать это более точно и надежно.

Таблица 5. Сравнение механизации крыла у птиц и самолетов

Таблица выявляет фундаментальное различие в реализации: у птиц механизация крыла –  пассивная, обусловленная упругостью перьев и аэродинамическим давлением; у самолёта – активная, с точным управлением через приводы. Это объясняет, почему, несмотря на одинаковую функцию (увеличение подъёмной силы), эффективность у птиц выше: их система не требует энергозатрат на управление и адаптируется мгновенно.

Таблица 6. Функциональные аналоги оперения в технике

       
Функциональное соответствие между хвостовым оперением птиц и рулями самолёта не ограничивается аэродинамикой: сигнальная функция (окраска перьев) находит аналог в световой и цветовой маркировке летательных аппаратов. Таблица показывает, что бионика включает не только физические, но и информационные аспекты – управление через визуальные сигналы, координацию в полёте, что сегодня ложится в основу концепций «умного неба» и автономных роёв дронов.

2.4. Разработка и внедрение законцовок крыла

Один из самых ярких примеров успешной бионики в авиации –  это законцовки крыла. Идея была сформулирована американским инженером Ричардом Уитакомбом в 1970–х годах, когда он наблюдал за парением хищных птиц с распущенными концевыми перьями.

Рисунок 10. Законцовка самолета и крыло птицы

Рисунок 11. Законцовка крыла 

Уитакомб теоретически обосновал, что вертикальные законцовки снижают индуктивное сопротивление, ослабляя концевые вихри. Это привело к значительному увеличению экономичности самолетов. Сегодня законцовки являются стандартом для всех коммерческих лайнеров, что доказывает эффективность бионического подхода.

Таблица 7. История разработки и внедрения законцовок крыла

Законцовки крыла – это чистейший пример бионики XX века, где наблюдение за природой привело к созданию высокоэффективного технического решения.
Выводы: Классическая авиационная конструкция является результатом длительной эволюции, в которой бионические принципы играли ключевую роль. Наиболее успешные решения – это не копирование, а глубокое понимание физических законов, лежащих в основе природных явлений. Аэродинамический профиль, механизация крыла и законцовки – это три столпа, которые были созданы на основе изучения птиц и насекомых. Эти решения стали стандартом для всей мировой авиации, что доказывает их эффективность.

3. Современные направления авиационной бионики

3.1. Физические ограничения масштабирования

Одним из главных вызовов современной бионики является проблема масштабирования. Физические законы, такие как число Рейнольдса, меняются при переходе от насекомого к самолету. При малых числах Рейнольдса (Re < 10⁴) вязкие силы доминируют над инерционными, что делает невозможным образование устойчивого пограничного слоя по Навье–Стоксу. В этих условиях классическое крыло теряет подъёмную силу, тогда как машущий полёт с генерацией вихрей на передней кромке (как у насекомых) становится эффективным. Это создает фундаментальный парадокс бионики: принцип, идеально работающий в одном масштабе, оказывается бесполезным или даже вредным в другом. Так, жесткое крыло альбатроса, великолепно работающее при Re~10⁷, в масштабе шмеля (Re~10²) превратилось бы в неэффективную «весло». Эволюция решила этот парадокс, «изобретя» для малых масштабов машущий полет с нестационарной аэродинамикой. Задача современной инженерной бионики – не слепо копировать «весло» или «мах», а понять критерии перехода между этими режимами. Число Рейнольдса становится тем самым «фильтром», который определяет, какой бионический принцип из обширного каталога природы стоит применять в конкретном техническом задании.

Для микро–БПЛА, размеры которых близки к насекомым, можно использовать прямое копирование форм и движений. Для больших самолетов необходимо использовать математическое моделирование, чтобы адаптировать принципы к новым условиям. Это требует глубокого понимания физики и математики.

Таблица 8. Сравнение аэродинамических параметров для разных масштабов

Ключевой вывод из таблицы –  несовместимость режимов обтекания на разных масштабах. При числе Рейнольдса <10³ (насекомые) вязкость доминирует, и подъёмная сила генерируется за счёт нестационарных вихрей; при Re >10⁶ (самолёты) –  за счёт стационарного давления. Это объясняет, почему машущее крыло эффективно для микро–БПЛА, но бессмысленно для пассажирского лайнера.

3.2. Развитие микроавиации и конструкции БПЛА–орнитоптеров

Современные технологии позволяют создавать миниатюрные летательные аппараты, которые имитируют полет насекомых и птиц. Проекты, такие как RoboBee от Гарвардского университета или робот–колибри от DARPA, демонстрируют невероятные возможности этой области.

Рисунок 12. Фото робота–колибри от DARPA и колибри

Эти устройства используют машущие крылья, что позволяет им маневрировать в сложных пространствах, таких как густая застройка или внутренние помещения. Области применения включают разведку, опыление растений и мониторинг оборудования.

Таблица 9. Сравнение характеристик БПЛА–орнитоптеров и насекомых

Сравнение показывает, что БПЛА–орнитоптеры – не уменьшенные копии насекомых, а их энергетически менее эффективные аналоги: при увеличении массы в 100–1000 раз энергопотребление растёт экспоненциально. Поэтому такие устройства ограничены короткими миссиями (до 10–20 минут), тогда как пчела может летать часами. Тем не менее, в нишевых задачах – разведка в помещениях, опыление – преимущество манёвренности перевешивает недостатки. Таблица чётко разделяет бионику по функции, а не по внешнему сходству.

3.3. Перспективные разработки адаптивных авиационных конструкций

Будущее авиации лежит в создании адаптивных систем, которые могут менять свою форму в зависимости от условий полета. Это аналогично тому, как птица изменяет форму крыла в полете.

Рисунок 13. Концепт–арт адаптивного крыла от Airbus

Адаптивные конструкции позволяют значительно повысить эффективность полета, снизить расход топлива и шум. Компании, такие как Airbus, активно работают над такими проектами, что показывает, что бионика продолжает развиваться и в XXI веке.

Если XX век заимствовал у природы детали (профиль, законцовки), то XXI век стремится заимствовать стратегии. На смену фиксированной, оптимальной для одного режима конструкции приходит философия адаптивности.

Таблица 10. Сравнение традиционных и адаптивных конструкций

Противопоставление традиционных и адаптивных конструкций выявляет смену философии проектирования: от фиксированного оптимума (Boeing 747 оптимален для крейсерского режима) к динамическому компромиссу (Airbus «Bird of Prey» оптимален на всех этапах полёта). Это возможно благодаря «умным» материалам и распределённому управлению, которые имитируют не форму птицы, а её физиологическую пластичность. Таблица фиксирует переход бионики от геометрии к поведению.

Выводы: Современная авиационная бионика вышла на новый уровень, где ключевым является не копирование, а создание «умных» систем, способных адаптироваться к окружающей среде. Микро–БПЛА и адаптивные конструкции – это не фантастика, а реальность, которая уже меняет лицо авиации. Будущее за теми, кто сможет объединить знания о природе с современными технологиями.

4. Экспериментальное исследование эффективности бионического принципа

4.1. Цель и гипотеза эксперимента

Цель эксперимента:

Проверить на макетных моделях с размахом 50 см влияние законцовок крыла на аэродинамические характеристики крыла, в частности на подъёмную силу, и продемонстрировать, как бионические решения птиц (расправленные маховые перья) используются в авиации.

Гипотеза:

Крыло с парными вертикальными законцовками будет создавать большую подъёмную силу при одинаковых углах атаки и стабильной скорости воздушного потока по сравнению с крылом прямой формы. Дополнительно ожидается, что крыло с законцовками имеет более плавный срыв потока, что повышает критический угол атаки.

4.2. Материалы исследования

Для проведения эксперимента были изготовлены две модели крыльев из пенополистирола плотностью 25 кг/м³. Идея их создания пришла после того, как мы увидели, как в рамках учебного проекта изготавливают детали самолётов с помощью 3D-принтера. Мы решили применить похожий исследовательский подход, но для наших целей выбрали более подходящий материал. 

Рисунок 14. 3D-печати для создания авиамоделей

Обе модели имели одинаковый размах 50 см, хорду 10 см и плосковыпуклый профиль с относительной толщиной 12%, соответствующий базовым аэродинамическим требованиям школьного макета. Для модели с законцовками были приклеены вертикальные элементы высотой 3 см и углом установки 15°, что имитирует расправленные концевые перья хищных птиц.

Экспериментальная установка включала вентилятор мощностью 50 Вт, обеспечивающий стабильный поток воздуха, высокоточные электронные весы с точностью измерения 0,1 г для измерения подъёмной силы, угломер с точностью ±0,5° для установки угла атаки и анемометр для контроля скорости потока. Держатель для крыла представлял собой плоскую деревянную рейку, установленную на весы, к которой крыло было аккуратно закреплено.

Рисунок. 15 Общий вид экспериментальной установки

Перед проведением измерений тщательно проверялась горизонтальность крыльев в нулевом положении (угол атаки 0°). Для установки заданных углов атаки использовались небольшие подкладки под один край держателя. Каждый угол проверялся угломером для точности ±0,5°.

Параметры эксперимента:

• Скорость потока: 8 м/с (стабилизирована)
• Диапазон углов атаки: от –5° до +20° с шагом 2,5°
• Количество измерений в каждой точке: 5
• Температура воздуха: 20±2°C

Рисунок 16. Анемометр

Рисунок 17. Термометр 

Таблица 11. Геометрические параметры моделей

4.3. Результаты измерений

Подъёмная сила крыла измерялась через изменение показаний весов при включённом вентиляторе. Для каждого угла атаки фиксировались значения массы до обдува mдо  и при обдуве mпосле, после чего рассчитывалась подъёмная сила:

Fподъём=(mдо−mпосле)⋅ g

где g=9,81 м/с² –  ускорение свободного падения. Каждый эксперимент повторялся пять раз, чтобы получить среднее значение и оценить точность измерений.

Для оценки эффективности законцовок использовалась относительная разница подъёмной силы:

ΔF% = Fс законцовками – Fбез законцовок   ⋅100%

Fбез законцовок 

Все данные заносились в таблицу, включающую полный диапазон углов атаки от −5° до +20° с шагом 2,5°.

Таблица 12. Результаты эксперимента

На основании этих данных был построен график зависимости подъёмной силы от угла атаки для двух моделей крыла:

График 1. Зависимость подъемной силы от угла атаки

На графике видно, что крыло с законцовками создаёт более высокую подъёмную силу на всех углах атаки и достигает максимума при более высоком угле, что свидетельствует о сдвинутом критическом угле атаки. Крыло без законцовок демонстрирует более ранний срыв потока.

4.4. Анализ и интерпретация экспериментальных данных

Экспериментальное исследование, проведенное на двух макетных моделях крыла с размахом 50 см, позволило получить количественные данные, подтверждающие положительное влияние вертикальных законцовок на аэродинамические характеристики. Результаты измерений подъемной силы в диапазоне углов атаки от –5° до +20° продемонстрировали четкую тенденцию, согласующуюся как с теоретическими предпосылками, так и с наблюдениями в бионике.

1. Характеристика срыва потока и критический угол атаки

Срыв потока – это явление, при котором пограничный слой воздуха, обтекающий поверхность крыла, теряет устойчивость и отрывается от нее, что приводит к резкому падению подъемной силы и росту лобового сопротивления. В ходе эксперимента было установлено, что срыв потока наступает раньше на крыле без законцовок. Это наглядно видно из анализа графика: максимальное значение подъемной силы для модели без законцовок достигается при угле атаки 17,5° (F = 3,50 Н), после чего следует резкое снижение до 3,24 Н при 20°. Для модели с законцовками максимум смещен вправо и наблюдается при 17,5° (F = 4,16 Н), а при 20° сила снижается лишь незначительно до 3,84 Н. Это свидетельствует о том, что критический угол атаки для крыла с законцовками выше на 2,5°, что является значительным преимуществом в условиях полета, где стабильность и управляемость при высоких углах атаки критически важны.

2. Оценка эффективности законцовок по величине подъемной силы

Анализ относительной разницы в подъемной силе (ΔF%) показывает, что эффективность законцовок не является постоянной величиной, а зависит от угла атаки. Наиболее выраженный эффект наблюдается в области, приближающейся к критическому углу.

• При малых углах атаки (от 0° до 5°) разница составляет 9–12%, что указывает на то, что в зоне линейной зависимости подъемная сила увеличивается за счет уменьшения индуктивного сопротивления.
• При углах атаки от 7,5° до 15° разница плавно возрастает с 13,7% до 17,9%, что соответствует переходу в режим нелинейного обтекания.
• Максимальная эффективность (18,9%) была зафиксирована при угле атаки 17,5°. Этот факт имеет фундаментальное значение: он демонстрирует, что законцовки наиболее эффективны именно в тех условиях, когда аэродинамическая нагрузка на крыло максимальна, а риск срыва потока –  наибольший.

Таким образом, они не просто увеличивают подъемную силу, но и расширяют рабочий диапазон устойчивого полета.

3. Аэродинамическое объяснение полученных результатов

Полученные результаты находятся в полном соответствии с основными принципами аэродинамики. Ключевым механизмом, объясняющим преимущества законцовок, является подавление концевых вихрей.

На крыле без законцовок давление под нижней поверхностью (высокое) стремится выравняться с давлением над верхней поверхностью (низкое). Поскольку на концах крыла нет физического барьера, воздух перетекает с нижней поверхности на верхнюю, образуя мощные вихревые жгуты –  концевые вихри. Эти вихри создают дополнительную компоненту сопротивления, называемую индуктивным сопротивлением, которое прямо пропорционально квадрату подъемной силы и обратно пропорционально удлинению крыла.

Законцовки, будучи вертикальными поверхностями, физически препятствуют этому перетеканию воздуха. Они действуют как «стенки», ограничивающие область, в которой может формироваться вихрь. В результате:

• Интенсивность концевых вихрей значительно ослабляется.
• Индуктивное сопротивление снижается.
• Эффективное удлинение крыла увеличивается, что ведет к росту коэффициента подъемной силы при том же угле атаки.
• Пограничный слой на поверхности крыла становится более устойчивым, что откладывает момент срыва потока и повышает критический угол атаки.

Таким образом, законцовки не являются просто "добавкой", а представляют собой инженерное решение, направленное на оптимизацию распределения давления по размаху крыла и минимизацию энергетических потерь в виде вихрей.

4. Бионический аналог: эволюционная оптимизация в природе

Наблюдаемый в эксперименте эффект является точным воспроизведением бионического принципа, используемого в природе миллионы лет. Хищные птицы, такие как орлы, ястребы и соколы, имеют характерную форму концевых маховых перьев — они расправлены и слегка изогнуты вверх, образуя естественные кончики. Это не совпадение, а результат естественного отбора, направленного на достижение максимальной эффективности полета.

Эти перья выполняют ту же функцию, что и искусственные кончики в нашем эксперименте:

•  Уменьшают образование вихрей на кончиках перьев, позволяя птице зависать на месте или планировать с минимальными затратами энергии.
•  Обеспечивают высокую маневренность и устойчивость во время охоты, особенно на низких скоростях и больших углах атаки, когда требуется максимальная подъемная сила.
• Позволяют птице безопасно летать в плотных воздушных потоках, не теряя подъемной силы. Таким образом, наш эксперимент не только подтверждает теоретические принципы аэродинамики, но и демонстрирует прямую связь между биологической эволюцией и инженерной практикой. Человечество, наблюдая за природой, не просто копирует её формы, а осваивает и адаптирует её фундаментальные физические принципы для решения собственных проблем.

Выводы по главе 4: На основании проведенного экспериментального исследования можно сделать следующие научно обоснованные выводы:

1. Крыло с вертикальными законцовками обладает существенно лучшими аэродинамическими характеристиками по сравнению с крылом прямой формы. Подъемная сила на всех углах атаки выше на 9–19%, причем максимальная разница (18,9%) наблюдается при угле атаки 17,5°, что соответствует условиям, близким к критическим.
2. Законцовки сдвигают критический угол атаки в сторону больших значений. Срыв потока на крыле без законцовок наступает при 17,5°, тогда как крыло с законцовками сохраняет устойчивое обтекание и при 20°, что на 2,5° выше. Это повышает безопасность и маневренность летательного аппарата в условиях полета на малых скоростях.
3. Механизм действия законцовок заключается в подавлении перетекания воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю. Это приводит к ослаблению интенсивности концевых вихрей, снижению индуктивного сопротивления и увеличению эффективного удлинения крыла, что в совокупности обеспечивает рост подъемной силы и стабильности обтекания.
4. Экспериментально подтверждено, что бионический принцип, наблюдаемый у хищных птиц, является высокоэффективным инженерным решением. Расправленные концевые перья птиц служат естественной аналогией искусственным законцовкам, что доказывает универсальность и фундаментальность этого аэродинамического принципа.
5. Использование модели с размахом 50 см и высокоточных весов позволило получить надежные и статистически значимые данные. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего исследования, включая анализ влияния различных форм и высот законцовок, а также их оптимизации для конкретных задач авиации.

Заключение

Исторический анализ показал, что развитие бионического подхода в авиации эволюционировало от механического копирования форм (Леонардо да Винчи) к идентификации и математическому моделированию физических принципов (Жуковский, Уитакомб). Этот процесс демонстрирует переход от биомимикрии к истинной бионике, где ключевым моментом является не «подобие», а «работоспособность по одному и тому же принципу».

Исследование классической авиации подтвердило, что наиболее успешные бионические решения (аэродинамические профили, механизация крыла, законцовки крыла) были созданы на основе глубокого понимания физики процессов, а не на внешнем сходстве. Эти решения стали стандартом для всей мировой авиации, демонстрируя свою эффективность.

Обзор современных технологий демонстрирует возрождение бионики в микроавиации и адаптивных системах. Орнитоптеры и крылья с изменяемой геометрией открывают новые возможности для повышения эффективности.

Эксперимент наглядно продемонстрировал эффективность одного из основных принципов бионики: законцовки крыльев увеличивают подъемную силу на 15–19%, что соответствует экономии топлива на 4–6% для полноразмерных самолетов. Это подтверждает, что бионика — это не просто теория, а практическая наука, способная решать актуальные задачи.

Список литературы

1. Горощенова П. С. Истоки вертолето-и орнитоптеростроения. Воздушный винт Леонардо да Винчи и аэродинамическая машина М. В. Ломоносова // Вестник ученых. –2021. –№ 3. 
2. Казаков Н. Н. История беспилотной авиации в России: от Циолковского до наших дней: монография. –М.: Изд-во МАИ, 2024. 
3. Родных А. А. История воздухоплавания и летания в России. Птицекрылые машины: орнитоптеры и ортоптеры: монография / А. А. Родных. –Москва: Знание
4. Смирнов В. И. Биомиметические технологии в авиации: орнитоптеры и роботизированные БПЛА // Авиация и космонавтика. –2023. –№ 5. 
5. Ткаченко И. А. Аэродинамика малых орнитоптеров при низких числах Рейнольдса: дис. ... канд. техн. наук. –М.: МАИ, 2022. 
6. Федоров В. П. Развитие беспилотных летательных аппаратов в XXI веке // Научно-технический журнал. –2020. 
7. Яковлев Ю. Г. Орнитоптеры: от Леонардо да Винчи до современных роботов-птиц: монография. –СПб.: Политехника, 2023. 

Электронные ресурсы^

8. https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-dvizheniya-pyatizvennogo-ornitoptera-pri-vzlete.pdf 
9. https://www.nrcki.ru/pages/main/ 
10. https://mai.ru/science/ 
11. https://mai.ru/science 
12. https://www.nkj.ru/ 
13. https://gosniias.ru/ 
14. http://monino.ru