Железные «птицы». Физики из РФ смоделировали БПЛА с «машущими» крыльями

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) построены по вертолётной или самолётной схеме. И у тех, и у других есть недостатки: они шумные, прожорливые в плане энергии и не очень манёвренные.

Иное дело - птицы. Те летают тихо, экономно и могут мгновенно разворачиваться на месте. Неудивительно, что инженеры давно пытаются построить орнитоптер — аппарат, который машет крыльями, словно живая птица.

Учёные из МФТИ вместе с коллегами рассчитали, как именно должен работать такой беспилотник, чтобы создавать тягу. И выяснили неожиданное: даже простое плоское крыло без всякого профиля может тянуть аппарат вперёд. Если махать с нужной частотой.

В чём сложность

Крыло птицы — это не просто плоскость, которая двигается вверх-вниз. Оно одновременно опускается и поднимается, поворачивается вокруг своей оси, складывается и меняет форму. Такое сложное поведение не вписывается в традиционные методы расчёта, применимые в аэродинамике.

Чтобы смоделировать полёт птицы, нужно рассчитать, как воздух обтекает её в полёте. А ведь она всё время машет крыльями, и та поверхность, что соприкасается с воздухом, постоянно меняется — она движется. Это сильно усложняет задачу. Чтобы хоть как-то её решить, разработчики идут на хитрости (их мы опустим, это технические нюансы), но в результате фундаментальные законы сохранения (массы и энергии) выполняются не точно, а лишь приближённо. И точность расчёта падает.

Учёные из МФТИ и ЦНИИ РТК пошли другим путём. Они использовали так называемые деформируемые расчётные сетки. Такая сетка при модерировании растягивается и сжимается вместе с крылом, сохраняя постоянное число ячеек. В таком случае физические законы сохранения выполняются точно, а не приближённо.

Что именно считали

Прототипом для модели послужил механический орнитоптер, разработанный в МФТИ. Крылья в нём сделаны из непроницаемой ткани, натянутой на направляющие спицы. Размах — чуть более 90 сантиметров.

Для расчёта учёные заменили крылья поверхностями нулевой толщины, а корпус аппарата не рассматривали вовсе. Остались только плоскости крыльев и хвостового оперения. Нулевая толщина заодно исключила известный в аэродинамике эффект Кноллера-Бетса, при котором тягу создаёт сам колеблющийся профиль конечной толщины. Таким образом, любая тяга в расчёте станет результатом исключительно движения крыла.

Сложное маховое движение свели к сумме двух простых вращений. Взмах — колебание плоскости крыла вокруг продольной оси аппарата с амплитудой 15 градусов. Крутка — вращение крыла вокруг его собственной оси с амплитудой 5–7 градусов.

Скорость потока задали равной 20 метрам в секунду — примерно так летят мигрирующие птицы. Например, утки или гуси. Угол атаки, под которым крыло встречает поток, перебирали в трёх вариантах.

Что выяснилось

При частоте взмахов 4 герца подъёмная заметно колебалась, но в среднем оставалась такой же, как у неподвижного крыла. А вот сопротивление воздуха было меньше, чем у неподвижной модели, и лишь на короткое время в течение каждого взмаха оно становилось отрицательным — то есть превращалось в слабую тягу, которая тянула аппарат вперёд.

При частоте 8 герц картина поменялась. Колебания стали сильнее, средняя подъёмная сила осталась прежней, а вот продольная поменяла знак: вместо сопротивления за весь период взмаха появилась тяга 0,206 ньютона. Иными словами, крыло перестало тормозить аппарат и начало его толкать.

Вторая серия расчётов показала: чем больше угол атаки, тем сильнее тяга.

А третья серия изучала влияние на подъемную силу амплитуды крутки крыла — то есть насколько сильно крыло закручивается вокруг своей продольной оси во время взмаха.

Чем это поможет конструкторам

Общий вывод исследования оказался полезным для конструкторов. Колебания крыла вверх-вниз почти не добавляют подъёмной силы — её по-прежнему создаёт угол атаки. Зато эти же колебания дают продольную тягу, которая зависит только от того, как крыло движется.

Результаты моделирования позволяют конструкторам разделить две задачи. Чтобы аппарат держал нужную высоту, достаточно менять наклон всего корпуса (тангаж) - его нос должен быть чуть поднят или опущен. А чтобы он летел с нужной скоростью, нужно подбирать частоту и амплитуду взмахов крыльев. И то, и другое (режим махового полёта) можно оптимизировать в расчёте, а не перебирать на испытательном стенде.

Отсюда и практический вывод: плоское крыло без аэродинамического профиля способно создавать продольную тягу даже при небольших амплитудах взмаха и крутки. Отказ от сложного профиля в пользу ткани, натянутой на спицы, не лишает конструкцию тяги.

«Птицы остаются для нас образцом энергоэффективности и манёвренности, — говорит Виктор Казанцев, заведующий лабораторией нейробиоморфных технологий МФТИ. — Чтобы приблизиться к птице, нужно понимать, какой вклад в силы даёт каждый элемент взмаха. Теперь у нас есть расчётная модель, которая отвечает на этот вопрос количественно».

Следующий шаг — параметрические исследования и оптимизация режимов махового движения. А значит, робоптицы могут стать проще. И, возможно, ближе к небу.