Полёты наяву
много гитикМелкие виды летающих животных обычно тратят больше энергии на единицу массы, чем крупные. Для среднего размера птицы вроде голубя удельные затраты составляют порядка 7,5 кДж на кг·км. У крупных парящих птиц они значительно ниже. Странствующий альбатрос – один из самых эффективных летунов в природе – используя динамический парящий полёт на океанических ветрах, способен тратить всего около 0,5 кДж на кг·км. Где-то между ними — мигрирующая монарховая бабочка. Несмотря на крошечные размеры, она использует восходящие потоки воздуха и ветер, чтобы экономить силы. По оценкам, монарх имеет удельную эффективность порядка 4–6 кДж/кг·км в дальнем перелёте. Абсолютно же по запасу энергии монарховая бабочка вне конкуренции: она может пролететь до сотен километров на эквивалент всего 1 кДж собственной энергии за счёт парения. Это в тысячи раз эффективнее самолёта.
Мелкие насекомые и птицы при активном махании крыльями – самые энергоёмкие летуны. Колибри тратят огромную мощность на зависание: их мышечная система развивает ~130 Вт на 1 кг массы. Научное сравнение показало, что при зависании лучшие колибри всё ещё превосходят микровертолёты по эффективности, хотя и всего на четверть.
У крупных птиц (гуси, альбатросы) стоимость транспортировки может быть менее 1 кДж/кг·км, у средних (утки, голуби) несколько кДж/кг·км, у мелких пташек двузначные числа, а у насекомых ещё выше. Это связано с тем, что мелкие крылья работают менее аэродинамично, и относительные потери энергии на взмах крылом, трение и т.п. выше. Крупные же планирующие птицы могут развивать высокий аэродинамический КПД (большое отношение подъём/сопротивление) и использовать парение.
Для современных самолетов в крейсерском режиме перевозка человека с багажом (в среднем около 90 кг) обходится по энергозатратам примерно, как у мелких птиц, но если добавить к этому вес самого лайнера и запаса топлива, то эффективность Боинга-747 сравнима с показателями альбатроса.
Вертолёты тратят на перемещение груза в 5-6 раз больше энергии, чем крупный самолет, а квадрокоптеры и дроны ещё менее эффективны из-за небольших размеров. Но, например, при доставке пиццы электрический дрон затратит меньше энергии на путь туда и обратно, чем небольшой автомобиль.
Дирижабли не превосходили по эффективности самолёты своей эпохи, если включить в расходы выпуск водорода при посадке: взлёт был почти беззатратным, но огромный размер оболочки создавал существенное лобовое сопротивление воздуха и снижал возможную скорость.
Перспективные аппараты вроде солнечного Airbus Zephyr S показывают эффективность примерно в 100 раз выше, чем у альбатроса. Но это достигается экстремально малой массой, большими солнечными крыльями и очень медленным полётом в разреженной стратосфере.
Сконструированный в 1979 году сверхлёгкий педальный самолёт MacCready Gossamer Albatross, перелетевший Ла-Манш на человеческой мускульной энергии, имел энергоэффективность ниже, чем у птиц, но вполне приемлемо с учётом ограничений мышечной мощности.
Современные проекты eVTOL (электрических аэротакси с вертикальным взлётом) по энергетике пока уступают самолётам из-за тяжелых батарей.
Самые энергозатратные фазы полёта: взлёт и набор высоты. В режиме набора высоты авиалайнер расходует в 2,5–3 раза больше топлива, чем в горизонтальном полёте. Отчасти это компенсируется экономией горючего в режиме посадки. У птиц планирование на посадку не требует активной работы крыльями, однако манёвры, повороты, порывы ветра могут повышать расход энергии. Птицы вынуждены тратить дополнительные калории на частые взлёты и зависания при кормёжке (для мелких воробьиных это ощутимая нагрузка) – короткие перелёты с частыми остановками очень невыгодны энергетически. Есть птицы, которые летают лучше альбатроса по расходу энергии, но не могут взлететь сами (парящие планеры типа кондоров – им нужен восходящий поток для старта). Аналогично, инженер может сделать планер с невероятной эффективностью, но он будет неспособен перевозить полезный груз или быстро перемещаться.
В реальных условиях птицы остаются эталоном экономичного полёта – особенно если учитывать их способность использовать внешние источники энергии и выполнять сложные задачи без топлива. Технологии постепенно догоняют: новые материалы, солнечная энергия, биомиметический дизайн крыльев позволяют снизить расход. Но каждый выигрыш в эффективности часто требует жертвовать скоростью, тягой или грузом.
Что почитать по теме (EN):
Hummingbirds vs. helicopters: Stanford engineers compare flight dynamics
Составлено с помощью ChatGPT. Ссылки проверены вручную.