Китайские инженеры разработали орнитоптер RoboFalcon2.0 со сложной кинематикой, имитирующей движения крыльев птиц.
С помощью системы тяг, рычагов и двух вспомогательных сервоприводов вращение основного двигателя при каждом взмахе преобразуется в три типа движения крыльев – махи вверх и вниз, отклонение вперед и назад и в складывание по ширине. Благодаря этому орнитоптер может управлять тягой и тангажом при взлете и на малых скоростях. В ходе испытаний 800-граммовый махолет продемонстрировал стабильный взлет с места, сообщает TechXplore.
В большинстве существующих сегодня орнитоптеров применяется упрощенная кинематика крыла с одной степенью свободы, когда крыло движется только вверх и вниз. Подобные конструкции крыльев можно встретить как в небольших махолетах размером с колибри, так и в более крупных моделях. Однако настоящие птицы, а также летучие мыши, используют более сложную ассиметричную кинематику. Они держат крылья полностью расправленными при махе вниз, а при движении вверх подгибают и складывают, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление. Кроме этого, при взлете и посадке на каждом взмахе их крылья смещаются вперед относительно туловища, направляя воздушный поток вперед и вниз, что резко повышает подъемную силу на низких скоростях.
Инженеры под руководством Ан Ченя (Ang Chen) из Северо-западного политехнического университета в китайском городе Сиань решили воссоздать эти особенности движений крыла в орнитоптере и разработали летательный аппарат, который может не только планировать, имитируя движения птиц, но и самостоятельно взлетает с места, используя взмахи крыльями для создания тяги. В 2022 году они представили первую версию орнитоптера RoboFalcon, который мог стабильно летать и маневрировать в воздухе, но не умел взлетать. В новой работе инженеры доработали механизмы крыльев. RoboFalcon2.0 имеет размах крыльев 1,2 метра и массу 800 грамм. Оба его крыла состоят из трехсегментного карбонового скелета, имитирующего кости плеча, предплечья и кисти. Снаружи крылья покрыты прочной полиэфирной мембранной тканью.
В движение крылья приводятся одним электродвигателем, который через тяги синхронно качает их вверх и вниз с максимальной частотой до 7,5 герца. В каждом цикле крыло складывается по ширине при движении вверх и наоборот расправляется во время движения вниз, а также может изменять свою стреловидность смещаясь вперед и назад. За это отвечают два дополнительных механизма, подключенных к основному машущему узлу через систему тяг и шарниров. В конструкцию каждого из них встроены дополнительные сервоприводы, которые могут изменять положения рычагов. За счет этого можно контролировать насколько сильно крыло расправлено или сложено, и то, насколько оно смещается вперед или назад во время каждого взмаха. Таким образом орнитоптер может имитировать кинематику крыльев птиц и летучих мышей: максимально смещает крылья вперед во время маха вниз для создания максимальной подъемной силы, и складывает при движении вверх для уменьшения сопротивления.
Чтобы лучше понять, как эти движения влияют на полет, авторы выполнили компьютерное моделирование и провели серию тестов в аэродинамической трубе. Они изучили три режима полета: зависание на одном месте, медленный полет со скоростью пять метров в секунду и полет в крейсерском режиме со скоростью до семи метров в секунду. Оказалось, что отклонение крыльев вперед при махе вниз приводит к усилению вихря на передней кромке крыла. Из-за этого над крылом образуется дополнительная область низкого давления, что приводит к увеличению подъемной силы. Кроме этого, изменение стреловидности сильно влияет на тангаж: более выраженный сдвиг крыльев вперед смещает также точку приложения аэродинамических сил вперед относительно центра тяжести махолета, что можно использовать для управления.
Разработчики сначала протестировали компьютерную модель орнитоптера в симуляторе MuJoCo. Модель успешно выполняла взлет с последующим переходом в горизонтальный полет, стабильно удерживая угол тангажа на скоростях до трех метров в секунду. Затем последовали реальные летные испытания RoboFalcon2.0. Орнитоптер разместили на земле на опорах под углом 45 градусов и привязали его для безопасности длинной страховочной стропой к потолку помещения, где проходили испытания. Махолет успешно выполнял взлет и начинал набирать высоту, сохраняя большой угол тангажа. Однако при наборе скорости свыше трех метров в секунду угол становился слишком большим, и орнитоптер терял управление. Чтобы решить эту проблему, инженеры сместили центр тяжести немного вперед, переместив вперед аккумулятор. Это создавало дополнительный пикирующий момент, уменьшающий чрезмерный подъем носа вверх, и после взлета аппарат переходил в стабильный горизонтальный полет, развивая скорость шесть метров в секунду.
В будущем авторы работы планируют добавить для управления на малых скоростях использование движений хвоста, который в проведенных испытаниях не применялся как активный орган управления. Хвост будет помогать регулировать избыточный подъем носа на низкой скорости при взлёте и посадке, а также использоваться для стабилизации и маневрирования на больших скоростях. Также инженеры планируют добавить механическую связь между хвостом и системой разворота крыла, чтобы они автоматически работали согласованно при переходе от взлета к горизонтальному полету и обратно.
Автор: Андрей Фокин