Інженери створили схожого на крилатку робота та скинули його з літака

Схожий на плід клена робот полетів зі швидкістю 1,43 метра на секунду та зміг перейти до пікірування, щоб пришвидшитися у 17,6 раза. Самообертальний пристрій вміє перемикатися між двома режимами польоту - пікірування і авторотація. З ним вчені планують доставляти датчики - прототип вже пережив політ з балкона та літака. Статтю про розробку вчених опублікували у журналі IEEE Xplore.

Shane Kyi Hla Win et al. / IEEE Xplore

Shane Kyi Hla Win et al. / IEEE Xplore

Навіщо вченим запускати такі «вертольотики»?

Плоди дерев, які ми в дитинстві називали вертольотиками і пускали згори, називаються крилатками. Плоскі відростки навколо насінини (придатки) розкручуються під дією вітру і можуть долати невеликі відстані, що сприяє поширенню дерев та цікавому проведенню часу наприкінці літа у парках. І, певно, сприяє винаходам інженерів, які у своїй роботі вирішили використати цей механізм польоту, щоб розповсюджувати різноманітні датчики. Розподіляти безліч датчиків вручну - довго, дорого, а часто і складно через особливості рельєфу або рослинності. Але вони потрібні для досліджень вчених, адже так їм не обов'язково безпосередньо виїжджати «в поле», або військовим чи рятівникам, щоб мати змогу відстежувати зміни на певній території.

Причому у деяких випадках скритність розгортання датчиків має вирішальне значення для успіху місії, тому їх розробляють міцними, щоб ті витримали, до прикладу, падіння з літака. Однак, підвищена міцність або використання фіксуючого пристрою, такого як парашут, значно підвищує вартість таких датчиків, і при цьому позбавляє можливості контролювати місце їхнього падіння. Тому останнім часом вчені все більше звертаються до плодів липи або клену. Така конструкція має механізм авторотації (рухається під дією вітру), а тому може уповільнюватися перед спуском, а також має подобу закрилок, а тому у перспективі може контролювати цей процес і траєкторію руху. До прикладу, насіння клена, розвиваючи швидкість до дев'яти метрів на секунду, здатне досягати майже нульової поступальної швидкості за 150 мілісекунд. Це пояснюють тим, що його конструкція здатна перетворювати поступальну кінетичну енергію в кінетичну енергію обертання, а при цьому вона не потребує електроприводів, обертання гвинтів чи махання крилами.

Перехід від режиму авторотації до пікірування. Shane Kyi Hla Win et al. / IEEE Xplore

Перехід від режиму авторотації до пікірування. Shane Kyi Hla Win et al. / IEEE Xplore

Що вчені скидали з літака?

У своїй роботі дослідники вирішили продемонструвати ще одного кандидата на платформу для розгортання корисних мікронавантажень - одностулкову самообертальну конструкцію з керованим польотом, мінімальною складністю виготовлення та низькою вартістю. Вона складається з корпусу, надрукованого на 3D-принтері, в якому розміщені електронні компоненти, і крил, що вирізали з тонкої коркової деревини. У бортову електроніку такого мікролітального засобу входять мікроконтролер, магнітометр, радіоприймач, GPS-датчик, сервопривід та одноелементна літій-полімерна батарея. Крило сконструювали таким чином, що пряма вузька частина утворює передню крайку, а велика задня частина утворює закрилки. Внутрішні компоненти розташували так, щоб центр ваги знаходився дуже близько до основи крила, а сервопривід далі зовні вздовж крила, що збільшило масу його закінчення та збільшило швидкість обертання в три рази. Загалом пристрій важить 88 грамів та обертається з частотою близько 15 герців, що дає змогу знижуватися зі швидкістю близько п'яти метрів на секунду. Експерименти показали, що вища швидкість обертання збільшує швидкість спуску, а також потребує більше часу, щоб досягти максимальних значень. Тому вченим потрібно було оптимізувати її, аби роботи могли впоратися зі швидким обертанням, а падіння можна було контролювати - покращити кут планування, зменшивши швидкість зниження. Так лишається більше часу для бокового повороту, а також можливість входити у режим авторотації майже відразу після падіння.

AIR Lab / YouTube

Як пролетів прототип?

Щоб пристрій міг виконувати пікірування, а тобто переходити від авторотації та змінювати свої аеродинамічні властивості, потрібно або змінювати положення центру маси, або використовувати додатковий двигун для відхилення повітряного потоку. Однак, вченим вдалося добитися цього всього одним вже встановленим сервоприводом. Він відхиляє закрилки вниз або вгору на 90 градусів та дає змогу або повністю заблокувати крило, або переводить його у режим пікірування в будь-якій точці польоту, при чому за потреби повертаючись до авторотації.

Свій прототип вчені кидали з сьомого поверху у двір, а також запускали на літаку, у якому змінили фюзеляж, щоб можна було нести і випускати три таких пристрої. Так у режимі авторотації вони падали зі швидкістю близько 1,43 метра на секунду, а оберталися із частотою у 4,17 герца. А під час пікірування прискорювалися у 17,6 раза, так і не досягаючи максимальної швидкості, для якої потрібна була більша висота падіння. За словами вчених, у порівнянні з платформами з нерухомим крилом, які падають за недосконалих початкових умов, їхня розробка може швидко увійти в режим авторотації, максимально збільшуючи корисний діапазон польоту. Вразливості до вітру вона не втратила, однак може швидко йому протистояти під час пікірування. Це перша подібна платформа з двома режимами польоту, а у майбутньому її планують покращити рушійну силу для збільшення підйомної сили і, отже, зниження швидкості спуску для збільшення поперечно пройденої відстані.

Датчики вчені планують розносити не лише скидаючи з літака. Наприклад, досліджувати середовище чи проводити рятувально-пошукові операції можна живими тарганами, або скидати сенсори з дронів та метеликів.