Вчені надихнулися пустельгою і розроблять дрон, що протистоятиме поривам вітру

Вчені Університету RMIT (Австралія) та Бристольського університету (Великобританія) запропонували спосіб створення дрона, здатного протистояти поривам вітру та турбулентності. За основу його конструкції вони взяли анатомію австралійської пустельги — ця птаха, здається, без особливих зусиль зависає при поривистому вітрі.

Джерело зображень: rmit.edu.au

Коли піднімається вітер, дронам доводиться приземлятися — це фундаментальне аеродинамічне обмеження. Окрім горизонтальних, існують ще й вертикальні пориви вітру, здатні змінювати підйомну силу в 25–100 разів залежно від форми невеликого крила. На малих висотах, де працюють БПЛА, це найбільш поширений тип збурень, і в умовах зміни клімату ситуація лише погіршуватиметься. Природа, однак, вирішила цю проблему кілька мільйонів років тому.

Майстром стаціонарного польоту в умовах турбулентності є австралійська пустельга, і вченим за допомогою технології захоплення руху в аеродинамічній трубі вдалося точно зафіксувати її маневри в реальній турбулентності. Для корекції свого положення в польоті птаха використовує 22 ступені свободи, тоді як у типового дрона їх всього чотири. Важливий аспект — розподіл ваги: маса тіла пустельги зосереджена в тулубі, що дозволяє їй коригувати траєкторію польоту у відповідь на порив вітру приблизно вдвічі швидше, ніж дрон аналогічного розміру. Нарешті, птаха в умовах турбулентності реагує по-різному, постійно коригуючи положення крил і хвоста, а «природна гнучкість її пір'я та суглобів допомагає поглинати раптові зміни повітряного потоку».

Щоб вийти за межі спостережень і виміряти величину діючих сил, дослідники побудували високоточну роботизовану копію птахи на основі комп'ютерної томографії реальних особин. Робот відтворює рухи крил і хвоста — його протестували в аеродинамічній трубі при поривах вітру зі швидкістю 7 м/с. Найбільш важливими елементами управління польотом є крила та хвіст птахи. Коли вони розправляються одночасно, збільшення підйомної сили виявляється більшим, ніж сума ефектів від двох рухів окремо: крила створюють додаткову підйомну силу, а хвіст запобігає небажаному обертанню. В результаті птаха отримує підйомну силу для протидії пориву вітру і при цьому не змінює свого положення в повітрі. Звичайний дрон, у якого підйомна сила створюється за рахунок регулювання потужності двигуна або кута нахилу керуючих поверхонь, неминуче перекидається.

Хвіст діє також як регулятор стійкості: у розправленому стані він ефективно протидіє будь-якому пориву вітру, що намагається перекинути птаху носом вгору або вниз. Згрупувавшись, птаха стає майже аеродинамічно нейтральною і більш маневреною. Пустельга в реальному часі перемикається між цими двома режимами: зберігає стійкість при утриманні позиції під час пориву вітру або, навпаки, знижує її, коли потрібно змінити напрямок. Жоден сучасний дрон не здатен робити це так швидко.

Нарешті, у птахи є потужна система зворотного зв'язку. Її пір'я в реальному часі виявляють вібрації та точки відриву потоку, а рецептори в суглобах безперервно відстежують структурні навантаження — такої системи зворотного зв'язку немає жодного сучасного БПЛА. Побудувати дрон, здатний ефективно протистояти турбулентності, швидко не вдасться. Стійкість пустельги досягається не за рахунок якогось одного прийому, а завдяки одночасній роботі всіх цих механізмів, і відтворити це в легкій і недорогій платформі — непросте завдання.

У найближчій перспективі дослідники хочуть вивчити, як птаха сприймає навколишнє середовище, зокрема тонкі сигнали турбулентності, які дозволяють їй передбачати пориви вітру. Це може лягти в основу системи прогнозуючого управління. Поки вчені займаються невеликими БПЛА, але в перспективі висновки дослідження можна буде поширити і на більш великі машини. До проєкту також запрошують представників промисловості.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки