Исследователи разрабатывают крылья, которые могут изменять свою форму, подобно крыльям птиц, чтобы обеспечить устойчивость полета небольших самолетов и дронов даже при сильных порывах ветра и посадке на ограниченные площадки.
Оптимальная форма крыла, обладающая минимальным полным сопротивлением при фиксированном коэффициенте подъемной силы и отвечающая заданным геометрическим и аэродинамическим ограничениям, определяется на основе глобального метода поиска и численных решений полных уравнений Навье–Стокса.
Если удастся решить задачу непрерывного изменения формы крыльев в трех координатах, то появится возможность создавать конструкции самолетов и беспилотных летательных аппаратов, способных летать с меньшим сопротивлением, более стабильно и безопасно, расходуя меньшее количество энергии для полета.
Однако создать такие аппараты с изменяющимися формами крыльев сложно — обычно исследователям удается только приблизиться к имитации полета птиц с наличием некоторых гибких поверхностей.
Идея поиска решений, вдохновленных биологией, состоит в том, чтобы попытаться понять, как это происходит в природе, учитывая, что у нее были миллионы лет, чтобы адаптироваться к определенным условиям. Как только это удастся детально изучить, появится возможность создать летательные аппараты (ЛА) с высокими летными данными.
Новое исследование по изучению эволюции крыльев птиц в полете и их моделированию, проведенное инженерами из Мичиганского университета, предполагает создать крылья ЛА, которые могут изменять свою форму так же легко, как крылья птиц.
Такие конструкции могут иметь значительные преимущества прежде всего для небольших самолетов и дронов.
У птиц, одно трехмерное изменяющееся крыло может выполнять широкий спектр задач. Тот факт, что только два сустава обеспечивают такой широкий диапазон управления, является многообещающим для проектирования самолетов. В зависимости от условий полета птицы могут легко изменять форму крыльев, которые могут изгибаться в разных плоскостях. И эту систему управления необходимо реализовать на ЛА.
Инженеры использовали компьютерное моделирование, чтобы выявить преимущества трехмерного изменения формы крыльев. Их исследования охватили все варианты, которые птицы создают своими крыльями во время скольжения, рассмотрев их с помощью комбинаций положений суставов «локоть» и «запястье». Они протестировали каждый из них в моделировании планирующего полета и определили положения, в которых полная трехмерная трансформация крыла может оказаться наиболее полезной для ЛА. Точность моделирования была подтверждена с помощью испытаний в аэродинамической трубе моделей, напечатанных на 3D-принтере. Полученные результаты – обнадеживают.
Одна из сильных сторон разрабатываемого трехмерного изменения формы крыла — устойчивость при порывах ветра. Ведь птицы, изменяя форму своих крыльев, могут сохранять ориентацию и высоту, несмотря на сильный ветер, а это будет очень полезно для небольших и легких ЛА.
Исследователи утверждают, что если изменение крыла с такими углами сочленения позволяет птицам спускаться под более крутыми углами, то это можно перенести и на летательные аппараты с 3D-трансформацией крыльев, вследствие чего они могут использовать более короткие пути захода на посадку.
Показав, что всего два шарнира в крыле могут помочь управлять самолетом в различных маневрах, команда исследователей намеревается спроектировать реальное крыло, которое сможет достичь такого трехмерного изменения.
Преимущество разрабатываемых крыльев в том, что ЛА будут легко приспосабливаться к условиям полета и им для этого не нужны громоздкие поверхности управления. Кроме того, они будут более рационально использовать энергию во время полета. Будем надеяться, что в ближайшее время появятся многофункциональные дроны и другие ЛА с крыльями с изменяющейся формы, которые смогут летать подобно птицам.