Технології
Технології

Схожий на крилатку монокоптер покрутився у польоті і згорнув крило

Єдине крило коптера, який літає, кружляючи у повітрі подібно крилатці, вдалося зробити настільки гнучким, що його можна скрутити. Це на 69 відсотків зменшує коптер у розмірах та при цьому не погіршує його аеродинамічних характеристик, завдяки чому той може розвивати швидкість майже до 2,5 метра на секунду. Як складати коптер, сингапурські інженери продемонстрували у Bioinspiration & Biomimetics.

Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021

Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021

Навіщо потрібен однокрилий коптер?

Останнім часом завдяки мініатюризації електроніки, з'явилася можливість створювати мікролітальні апарати (Micro Air Vehicle, MAV), які не перевищують і сотні грамів у вазі. Вони вважаються більш безпечними для експлуатації у приміщеннях та поблизу людей або тварин. Зазвичай MAV бувають трьох типів: з нерухомим крилом, гвинтовим крилом і крилом, яким можна махати.

MAV із нерухомим крилом підходять для далеких польотів, хоча не підходять для роботи в обмеженому просторі через свою швидкість руху. Для роботи в приміщеннях краще підходять апарати з гвинтовим крилом завдяки своїй маневреності, але вони вимагають декількох приводів і мають меншу ефективність польоту. Втім, до них виріс інтерес інженерів, а зокрема до концепції того, що в дитинстві деякі називали «вертольотиками» — плодів, наприклад, клена, що називаються крилатками. Вони мають плоскі відростки навколо насінини, завдяки чому розкручуються під дією вітру і можуть долати невеликі відстані, а також м'яко приземлятися на землю.

Траєкторія польоту кленового насіння: крилатка повільно опускається додолу завдяки утвореним передньою кромкою вихором. David Lentink / Caltech

Траєкторія польоту кленового насіння: крилатка повільно опускається додолу завдяки утвореним передньою кромкою вихором. David Lentink / Caltech

Навіщо потрібен однокрилий коптер?

Конструкція монокоптерів, як і крилаток, доволі проста - вони складаються з великого крила і частини, схожої на насіння, в якій розміщується більшість електроніки та акумулятор. Це дає змогу використовувати мінімальну кількість деталей, що дозволяє знизити вартість.

І якщо раніше було складно змусити їх рухатися пілотовано, то зараз існує величезна кількість високошвидкісних датчиків, які можуть вимірювати стан монокоптера, що швидко обертається, і використовувати це для керування ним. Втім, одним із недоліків монокоптера є його велика площа, тому у цій роботі інженери Сінгапурського університету технології та дизайну вирішили знайти рішення, що допоможе зробити платформу більш універсальною, але при цьому збереже її льотні характеристики.

Досі зменшення розмірів монокоптерів призводили до обмежених можливостей керування ними, оскільки виникала асиметрія між віссю обертання корпусу літального апарату та віссю обертання двигуна. А використання гнучкого чи напівжорсткого крила не розглядалося як конструкційне рішення, хоча могло б дати змогу змінювати форму коптера.

Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021

Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021

Що пропонують вчені?

Розроблений інженерами монокоптер F-SAM призначений для обертання проти годинникової стрілки (якщо дивитися зверху), хоча за словами вчених, його політ не зміниться від зміни напрямку обертання. Коптер складається з двох основних структур, аналогічних іншим монокоптерам: корпусу і крила. На передній кромці також встановлений двигун, на відміну від інших, де він знаходиться на окремій конструкції, що виступає з основи корпусу.

Так F-SAM став компактнішим, а розміщення компонентів дали змогу наблизити центр ваги до корпусу, що звільнило крило і підвищило ефективність польоту. Один привід забезпечує повне керування напрямком: збільшення дросельної заслінки збільшує обороти літака, змушуючи його набирати висоту. Загальна вага F-SAM складає всього 69 грамів, з яких майже 40 відсотків складає батарея, що забезпечує час польоту близько 16 хвилин.

Крило утворює найбільшу площу конструкції та має найменшу масову частку. Конструкція крила монокоптера вимагає жорсткості, щоб можна було керувати ним у польоті. І хоча монокоптер може літати з використанням гнучкіших матеріалів, наприклад, гнучкого пластику, вони дозволяють крилу вільно повертатися в польоті, що знижує ефективність керування коптером. Тому вчені використовували пластик та бальсове дерево, а крило склали з кількох окремих модулів.

Як справився коптер?

Коптер політав квадратною траєкторією, розвинувши швидкість до 0,2 метра на секунду і при цьому відхилившись від маршруту всього на 0,4 метра. Також коптер підняли на висоту близько 2,1 метра та відключили його двигун, щоб оцінити обертання. І хоча висота була обмежена, він досяг швидкості падіння 3,56 метра в секунду і швидкості обертання 27,93 радіана на секунду за мить до приземлення на підлогу.

Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021

Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021

За словами дослідників, поки розгортати коптер доводиться вручну, втім, вони пропонують створити для нього спеціальне місце для зберігання, з якого дрон зможе автоматично вилітати, самостійно розгортаючи крило. Така конструкція коптера довела свою ефективність у завданні з розповсюдження сенсорів — наприклад, нещодавно прототип розробленого у цій роботі дрона, скидали з літака, а той полетів зі швидкістю 1,43 метра на секунду та зміг перейти до пікірування, щоб пришвидшитися у 17,6 раза. А також схожі на насіння датчики покрутилися і зафіксували забруднене повітря завдяки перенесеним на собі сенсорам.


Фото в анонсі: Shane Kyi Hla Win et al. / Bioinspiration & Biomimetics, 2021