В последнее время все большее число исследователей небиологических дисциплин, в первую очередь математиков, физиков и кибернетиков, обращаются к анализу различных сторон организации и работы отдельных систем жизнеобеспечения у животных и растений, поражающих техников высокой экономичностью и эффективностью решения как работающих систем в целом, так и отдельных составляющих их узлов и механизмов.
Конечной целью таких исследований чаще всего является моделирование процессов, подразумевающее выражение языком соответствующей дисциплины самой сущности анализируемого явления.
Легче всего, очевидно, подлежит моделированию процессы и явления, для которых имеется достаточно полное и точное описание конструкции и характера действия отдельных работающих элементов и специфики взаимодействия последних. Однако колоссальное разнообразие видов животных и растений и, соответственно, разнообразие их биологии и экологии, как правило, связано с большим разнообразием конструктивных и функциональных особенностей работающих систем, что для неспециалиста биолога может создавать определенные трудности при выборе наиболее важных для моделирования прототипов.
Очевидно, что в целях развития необходимых для осуществления техническою прогресса бионических исследований специалисты морфологи должны создать морфологические модели перспективных для бионики систем жизнеобеспечения. Морфологическая модель должна характеризовать ведущие стороны организации и способ действия интересующей биоников системы. Основным методом при построении морфологической модели должен быть сравнительно-морфологический анализ системы у представителей прогрессивных направлений эволюции последней с отбором суммы характеристик, свойственных большинству или всем представителям, при несомненном большом разнообразии неучитываемых моделью признаков.
В настоящем сообщении сделана попытка создать морфологическую модель машущей поверхности насекомого, обеспечивающей во время полета формирование аэродинамических сил. Причем не случайно речь идет не просто о крыле насекомого, а о всей машущей поверхности, поскольку для построения модели используются закономерности, присущие машущей поверхности, вне зависимости от того, представлена она только одним (передним или задним) крылом или передним и задним крыльями, сцепленными в единое целое.
Полет и работа летательного аппарата насекомых, как одно из высокоэкономичных решений в животном царстве машущего полета привлекает в настоящее время внимание исследователей различной специализации: энтомологов-морфологов, энтомологов-физиологов, математиков, механиков-конструкторов и других. Чаще всего проводимые различными специалистами работы практически не связаны друг с другом и касаются различных сторон организации и работы летательного аппарата. Примером направленного комплексного анализа может быть выявление и анализ механизмов хлопка и броска при полете мелкого паразитического перепончатокрылого: Вейс-Фо описал явление, Лейтхилл рассчитал, а Кутер и Бэкэр смоделировали его. Дальнейшие исследования других авторов показали, что механизмы хлопка и броска, с помощью которых во время полета создаются аэродинамические силы не известными стационарной аэродинамике способами, должны «работать» и у многих других насекомых, у которых в цикле взмаха машущие поверхности противоположных сторон в верхнем положении сближаются. Создание морфологической модели машущей поверхности, то есть выявление ведущих характеристик, свойственных преобладающему большинству летающих насекомых, будет способствовать выявлению и других способов и механизмов создания в условиях нестационарности положительных аэродинамических эффектов, снижения лобового сопротивления и повышение силы тяги и подъемной силы, т. е. способов максимальной оптимизации взаимодействия машущих поверхностей с воздушным потоком.
Материалом для построения морфологической модели машущей поверхности насекомого послужили результаты сравнительно-морфологического анализа крыльев основных отрядов крылатых насекомых, представляющих независимо развивающиеся с конца палеозоя филетические ряды. При проведении сравнительного анализа основное внимание было обращено на черты сходства по всем рассмотренным показателям при колоссальном разнообразии многих отдельных особенностей строения.
Морфологическая модель машущей поверхности насекомого включает следующие характеристики: форму контура, рельеф, микроструктуру, принципы деформации в цикле взмаха, ведущие кинематические параметры и приспособления, определяющие деформацию и выпрямление машущей поверхности в нужных частях траектории.
На основании проведенного сравнительно-морфологического анализа крыльев различных отрядов крылатых насекомых, имеющих различные конструктивные решения летательного аппарата, выявлены ведущие морфологические характеристики для машущей поверхности насекомого, сумма которых представляется как морфологическая модель.
Морфологическая модель машущей поверхности насекомого включает в основном следующие характеристики: вписывающуюся в треугольник форму контура, желобчатость поверхности, ориентированную от основания в дистальном и заднем направлениях, микрожелобчатость края и возвышенных участков рельефа, наличие трех липий перегиба, по которым закономерно в цикле взмаха машущая поверхность перегибается, паличие приспособлений, определяющих возможность быстрого выпрямления деформированной поверхности с использованием упругих сил, накапливающихся при деформации, закономерное изменение ведущих кинематических параметров.
В целом морфологическая модель машущей поверхности насекомого, хотя она отражает далеко не все многообразие конструктивных и функциональных особенностей работающих крыльев живого насекомого, оказывается достаточно сложной для математического, физического и тем более механического моделирования как единое целое. Машущая поверхность, судя по приведенным выше характеристикам, должна очень сложно взаимодействовать во время полета с воздушным потоком, и вряд ли адекватно может быть описана существующими в современной аэродинамике способами. Например, она свидетельствует о направлении контактов не от передней кромки назад, а от основания к краю; о динамичных контактах со средой, осуществляемых непосредственно у самой поверхности крыльев, которые должны приводить к рассечению потока воздуха на струйки и микроструйки сходного поперечника и доведение последних до самого края. Деформация машущей поверхности обусловливает закономерное изменение направления стенания струек то в дорсальном, то в вентральном направлениях, волнообразную стекающую форму потока и создает условия для направленного вихреобразования. Нестационарность всех характеристик в цикле взмаха не позволяет в полной мере использовать существующие в современной аэродинамике способы определения формирующихся аэродинамических сил, поскольку сам факт нестационарности отдельных параметров должен создавать положительные, не предусмотренные законами аэродинамики аэродинамические эффекты.
Учитывая все сказанное, кажется чрезвычайно важным на первом этапе математического и физического анализа машущего полета насекомых рассмотреть и рассчитать отдельно каждую из предложенных характеристик, в плане поиска для каждой принципов и способов как создания дополнительных аэродинамических сил, так и снижения тем или иным способом лобового сопротивления.
Только после всестороннего анализа каждой из предложенных характеристик рационально переходить к усложнению рассчитываемых задач путем объединения двух и более характеристик и принципов действия. Конечным этапом такого ступенчатого анализа столь сложного явления, как аэродинамическое взаимодействие с потоком нестационарно машущих поверхностей, должно быть математическое и механическое моделирование всего процесса. Но даже и без последнего этапа для целей бионики могут быть использованы отдельные, рассчитанные характеристики с использованием самых различных отраслей техники, требующих создания высокоэкономичных контактов любым способом работающих поверхностей со средой.