W projektowaniu latających maszyn przeróżnego typu trzeba zwykle iść na kompromisy. Jeśli konstrukcja ma być zwrotna, to zwykle płaci się za to stabilnością. Jeśli ma być stabilna, to trudniej zagwarantować jej szybkie reakcje w ciasnej przestrzeni, przy podmuchach i w pobliżu przeszkód. W praktyce oznacza to więcej elektroniki, bardziej agresywne sterowanie i mniejszy margines na błąd.
Najnowsze badanie z udziałem ptaka drapieżnego pokazuje, że natura rozwiązuje ten spór inaczej – nie wybiera raz, tylko zmienia “tryb” w trakcie jednego przelotu. Właśnie ten mechanizm przyciąga dziś uwagę zespołów rozwijających bezzałogowce. Zwłaszcza tam, gdzie liczy się lot w terenie z przeszkodami, a nie tylko przelot po prostej.
Jastrząb zmienia charakterystykę lotu zależnie od otoczenia
Zespół z University of Oxford i University of California, Davis sfilmował jastrzębia Harrisa podczas szybowania między żerdziami. W torze lotu ustawiono dwa miękkie słupki, żeby wymusić wąski “przesmyk”, a sam ptak, chcąc nie chcąc, musiał zmienić swoją sylwetkę. Potem z nagrań odtworzono kolejne konfiguracje skrzydeł i ogona, przygotowano modele (druk 3D z żywicy) i sprawdzono je w tunelu aerodynamicznym. Pozwolił to oddzielić wrażenia z wideo od pomiarów aerodynamicznych, czyli tego, co faktycznie “robi” powietrze z daną geometrią.
Czytaj też: 1600 ton i akumulatory litowo-jonowe. Włosi budują okręt podwodny nowej generacji
Wedle zebranych danych niestabilny układ chętniej “ucieka” z ustawienia, więc łatwiej go szybko obrócić i gwałtownie zmienić tor lotu. Z kolei stabilny układ sam z siebie tłumi odchylenia, więc lepiej trzyma kurs i zwykle wymaga mniej ciągłych korekt. Naukowcy opisują to wprost, porównując niestabilność do cechy wspierającej manewrowość (jak w myśliwcach), a stabilność do cechy wspierającej spokojny, równy lot.
Kluczem tych wszystkich obserwacji jest to, że ptak w locie przez przesmyk przechodzi między tymi stanami. To sugeruje, że część problemów manewrowania można rozwiązywać nie tylko sterami i algorytmem, ale samą geometrią. Tyle że zmienianą szybko, celowo i pod konkretną sytuację.
Co dokładnie zmienia schowanie skrzydeł u jastrzębia?
W materiałach towarzyszących publikacji pojawia się konkret liczbowy: podczas przejścia przez przesmyk ptak przechodzi od konfiguracji rozłożonej, bardziej “nerwowej”, do konfiguracji schowanej, bardziej stabilnej. W samej publikacji opisano zmianę efektywnego marginesu statycznego od około -25% do 19% cięciwy odniesienia. To ogromny skok jak na jeden manewr i właśnie dlatego temat zrobił się głośny. Warto też podkreślić drugi wątek z opisu badania: zależność między momentem pochylającym a siłą nośną dla konfiguracji “rozłożonych” ma charakter nieliniowy. W praktyce takie nieliniowości są często tym, co daje elastyczność zachowania w różnych warunkach lotu, ale jednocześnie utrudnia przewidywanie i sterowanie, gdy próbujemy przenieść zjawisko do maszyny o innej skali i innych ograniczeniach.
Czytaj też: Nowy pocisk Rosji był wielką zagadką. Nowe informacje zrzuciły tajemniczą otoczkę z Izdielije 30
Najbardziej oczywisty adresat tych odkryć to stałopłaty bezzałogowe, które zyskują na zasięgu i efektywności energetycznej, ale zwykle gorzej sprawdzają się w ciasnych przestrzeniach niż wielowirnikowce. Jeśli jednak geometria płatowca potrafiłaby na chwilę zwiększyć stabilność (na przykład na etapie “przeciskania się”), a po minięciu przeszkody wrócić do konfiguracji wspierającej zwrotność, to samo w sobie otworzyłoby zupełnie nowe pole kompromisów konstrukcyjnych.
Czytaj też: Modernizacja wojskowego dziadka trwa. Silniki starsze niż piloci odchodzą na emeryturę
Oczywiście to nie jest żaden gotowy przepis na nowego, rewolucyjnego drona. Po pierwsze, model w tunelu aerodynamicznym nie ma piór, elastyczności tkanek ani drobnych aktywnych korekt, które ptak wykonuje bez przerwy. Po drugie, przeniesienie efektu do małej maszyny wymaga dopilnowania skali aerodynamicznej i mechaniki samego przechodzenia między trybami, a to może oznaczać masę, złożoność, awaryjność i koszty serwisu. Ciekawe jest więc, czy w ogóle to odkrycie wpłynie na przyszłość dronów, a potencjalnie nawet myśliwców.
Źródła: ucdavis.edu, royalsocietypublishing.org
