Учёные вдохновились пустельгой и разработают дрон, противостоящий порывам ветра
Учёные Университета RMIT (Австралия) и Бристольского университета (Великобритания) предложили способ создания дрона, способного противостоять порывам ветра и турбулентности. За основу его конструкции они взяли анатомию австралийской пустельги — эта птица, кажется, без особых усилий зависает при порывистом ветре.
Источник изображений: rmit.edu.au
Когда поднимается ветер, дронам приходится приземляться — это фундаментальное аэродинамическое ограничение. Помимо горизонтальных, существуют ещё и вертикальные порывы ветра, способные изменять подъёмную силу в 25–100 раз в зависимости от формы небольшого крыла. На малых высотах, где работают БПЛА, это наиболее распространённый тип возмущений, и в условиях изменения климата ситуация будет только усугубляться. Природа, однако, решила эту проблему несколько миллионов лет назад.
Мастером стационарного полёта в условиях турбулентности является австралийская пустельга, и учёным при помощи технологии захвата движения в аэродинамической трубе удалось в точности зафиксировать её манёвры в настоящей турбулентности. Для корректировки своего положения в полёте птица задействует 22 степени свободы, тогда как у типичного дрона их всего четыре. Важный аспект — распределение веса: масса тела пустельги сосредоточена в туловище, что позволяет ей корректировать траекторию полёта в ответ на порыв ветра примерно вдвое быстрее, чем дрону аналогичного размера. Наконец, птица в условиях турбулентности реагирует по-разному, постоянно корректируя положение крыльев и хвоста, а «естественная гибкость её перьев и суставов помогает поглощать внезапные изменения воздушного потока».
Чтобы выйти за рамки наблюдений и измерить величину действующих сил, исследователи построили высокоточную роботизированную копию птицы на основе компьютерной томографии реальных особей. Робот воспроизводит движения крыльев и хвоста — его протестировали в аэродинамической трубе при порывах ветра со скоростью 7 м/с. Наиболее важными элементами управления полётом являются крылья и хвост птицы. Когда они расправляются одновременно, увеличение подъёмной силы оказывается больше, чем сумма эффектов от двух движений по отдельности: крылья создают дополнительную подъёмную силу, а хвост предотвращает нежелательное вращение. В результате птица получает подъёмную силу для противодействия порыву ветра и при этом не меняет своего положения в воздухе. Обычный дрон, у которого подъёмная сила создаётся за счёт регулировки мощности двигателя или угла наклона управляющих поверхностей, неизбежно опрокидывается.
Хвост действует и как регулятор устойчивости: в расправленном состоянии он эффективно противодействует любому порыву ветра, стремящемуся опрокинуть птицу носом вверх или вниз. Сгруппировавшись, птица становится почти аэродинамически нейтральной и более манёвренной. Пустельга в реальном времени переключается между двумя этими режимами: сохраняет устойчивость при удержании позиции во время порыва ветра или, напротив, снижает её, когда нужно изменить направление. Ни один современный дрон не способен делать это так быстро.
Наконец, у птицы есть мощная система обратной связи. Её перья в реальном времени обнаруживают вибрации и точки отрыва потока, а рецепторы в суставах непрерывно отслеживают структурные нагрузки — такой системы обратной связи нет ни у одного современного БПЛА. Построить дрон, способный эффективно противостоять турбулентности, быстро не получится. Стабильность пустельги достигается не за счёт какого-то одного приёма, а благодаря одновременной работе всех этих механизмов, и воспроизвести это в лёгкой и недорогой платформе — непростая задача.
В ближайшей перспективе исследователи хотят изучить, как птица воспринимает окружающую среду, в том числе тонкие сигналы турбулентности, которые позволяют ей предугадывать порывы ветра. Это может лечь в основу системы прогнозирующего управления. Пока учёные заняты небольшими БПЛА, но в перспективе выводы исследования можно будет распространить и на более крупные машины. К проекту также приглашают представителей промышленности.
© 3DNews
