Интересен тот факт, что в живой природе существует покров, имеющий аналогичную поверхность — это чешуйчатый покров крыла бабочки (далее — ЧПКБ) (рис. 1). По своим функциональным качествам ЧПКБ является поистине уникальным образованием живой природы. Он выполняет следующие функции:
- придает окраску крылу и создает оптические эффекты на его поверхности;
- изолирует тело бабочки, спасая его от переохлаждения;
- уменьшает вибрацию, передаваемую с машущего крыла на тело насекомого;
- уменьшает шум, создаваемый бабочкой в машущем полете;
- увеличивает аэродинамическую силу крыла в планирующем полете;
- защищает крыло от повреждений.
Особо следует отметить следующее свойство: данный покров увеличивает взлетные и маневренные возможности бабочки в машущем полете. Судите сами: бабочки с чешуйчатым покровом крыла в испуганном состоянии способны молниеносно взлетать, совершать зигзагообразные или быстрые спиралевидные движения в воздушном пространстве. Лишение чешуйчатого покрова крыла делает полет насекомого вялым и прямолинейным, а часто и вообще лишает бабочку способности взлетать.
Авиационное покрытие, созданное автором (патент № 2061915) по подобию ЧПКБ, было исследовано в аэродинамической трубе. Опыты показали, что данное покрытие способно решать ряд хронических проблем в вертолетостроении, в частности, — уменьшать вибрацию и шум винта гелиокоптера. Но самое главное — данный покров создает дополнительную аэродинамическую силу, зависящую от коэффициента присоединенных воздушных масс к винту, которая способна увеличить скороподъемность и маневренность летательного аппарата. Справедливость этого утверждения также подтверждается экспериментом, проведенным автором в одной из аэродинамических лабораторий в Израиле.
Отличительной особенностью виндсерфинга. относящегося к группе "wave" (катание в прибое), является то, что спортсмен, быстро изменяя угол атаки паруса и увеличивая тем самым тягу последнего, имеет возможность не только стартовать с воды, разгоняться и маневрировать, но и выполнять на прибойной волне фигуры "воздушного пилотажа" такие, как прыжки. прыжки с зависанием в воздухе и с разворотом корпуса, а также перевороты спиной и др. Однако, как отмечалось ранее, для успешного выполнения этих фигур необходимо иметь высокое значение тяги паруса. Аналогично идее применения чешуйчатого покрова в вертолетостроении, родилась мысль об использовании ЧПКБ на парусе виндсерфера.
Для проверки такой возможности было разработано покрытие, по аэродинамике, геометрии и ориентации подобное ЧПКБ, и сконструирована установка, позволяющая моделировать работу чешуйчатого и гладкого паруса при быстром изменении угла атаки последнего в аэродинамической трубе.
Результаты эксперимента показали, что модель паруса с чешуйчатым покровом на 25% больше испытывает аэродинамическую нагрузку со стороны воздушного потока. а время воздействия данной нагрузки на 65% больше, чем на модель с гладкой поверхностью паруса (рис. 2).
Интересной оказывается причина возникновения у модели чешуйчатого паруса дополнительной силы, именуемой силой, зависящей от коэффициента присоединенных воздушных масс. Оказывается, что чешуйчатый покров увеличивает объем окружающей воздушной среды, который взаимодействует с парусом. Это приводит к тому, что чешуйчатый парус получает больше энергии от ветра по сравнению с таким же но площади, но гладким парусом.
Таким образом, общая аэродинамическая сила F, создаваемая парусом более точно будет описываться уравнением Кармана-Сиркса:
где F1 — подъемная сила, действующая на профиль паруса (описывается формулой Н.Е. Жуковского);
F2 — сила, зависящая от коэффициента присоединенных воздушных масс; для гладкого паруса F2 = 0;
F3 — сила, зависящая от вихревого следа паруса.
Подытоживая все выше сказанное, можно сделать следующие выводы:
1. Применение чешуйчатого покрова типа ЧПКБ на модели паруса виндсерфера приводит к тому, что:
- увеличивается значение аэродинамической силы F, создаваемой моделью паруса после быстрого изменения угла атаки;
- увеличивается время действия аэродинамической силы на модель паруса.
2. Увеличение значения аэродинамической силы F на чешуйчатый парус вызвано возникновением на чешуйчатом покрове силы F2, зависящей от коэффициента присоединенных воздушных масс.
3. Применение чешуйчатого паруса на виндсерфере позволит спортсмену более успешно стартовать, разгоняться, маневрировать и выполнять фигуры "воздушного пилотажа" на прибойной волне.