Пташині крила надихають на покращення безпеки літаків

Надихаючись польотом птахів, інженери нещодавно покращили характеристики дистанційно керованого літака, додавши ряди прихованих закрилків до крил літака.  Ці закрилки, створені за зразком пір’я, яке птахи розгортають під час певних маневрів, допомагають літаку протистояти звалюванню та покращують стабільність. 

Покращення авіаційних характеристик

Дослідження під керівництвом професора Еймі Вісса з Прінстонського університету свідчить про значне покращення характеристик авіації шляхом використання легких недорогих модифікацій, які не потребують додаткового живлення.

«Ці закрилки можуть як допомогти літаку уникнути звалювання, так і полегшити відновлення керування, коли звалювання все-таки сталося», — сказав Вісса. 

Технологія перегукується з пташиною біологією, зокрема, з прихованим пір’ям, яке птахи використовують під час посадки або проти сильного вітру.  Хоча біологи спостерігали за цими рухами пір’я, жодне дослідження не дало точної кількісної оцінки їхнього аеродинамічного впливу на політ птахів. Однак це дослідження демонструє, як подібні закрилки можуть працювати на літаках.

Закрилки у вигляді птахів підвищують аеродинаміку

Докторський дослідник і перший автор дослідження Гіргіс Седкі описав закрилки як «простий і економічно ефективний спосіб різко покращити польотні характеристики без додаткових вимог до електроенергії». Закрилки імітують приховані пір’я, розгортаючись у відповідь на зміну потоку повітря, без необхідності використання зовнішніх систем керування. При стратегічному розміщенні ці гнучкі закрилки підвищують продуктивність і стабільність літака без складного обладнання.

Краплеподібна форма крил птаха

Принцип конструкції полягає в краплеподібній формі крила, яка прискорює повітряний потік над верхньою частиною, створюючи підйомну силу завдяки комбінації низького тиску вгорі та висхідної сили внизу. 

За певних умов польоту, особливо під крутими кутами, літак може зупинитися, оскільки підйомна сила різко зменшується. Додавши приховані закрилки, дослідники виявили, що вони можуть протистояти падінню підйомної сили, дозволяючи літаку зберігати контроль.

Команда Wissa провела випробування в аеродинамічній трубі на кампусі Прінстона у Форресталі, щоб спостерігати, як ці таємні закрилки впливають на рух повітря навколо крил. 

«Експерименти в аеродинамічній трубі дають нам дуже точні вимірювання того, як повітря взаємодіє з крилом і закрилками», — пояснив Седкі. Установка включала датчики, які фіксують аеродинамічні сили на крилах, а також лазер і високошвидкісну камеру для запису потоку повітря.

Розкриття секретів пташиних крил 

Під час тестування дослідники ідентифікували два механізми аеродинамічного контролю, один із яких, який називається взаємодією шару зсуву, був раніше невідомий. Ця взаємодія відбувається, коли закрилок біля передньої частини крила регулює потік повітря, підвищуючи стабільність. При розміщенні позаду клапани зачіпають другий механізм, додатково сприяючи підйому.

Тестування різних конфігурацій, від одного до кількох рядів закрилків, показало, що п’ятирядна установка збільшила підйомну силу на 45 відсотків і зменшила опір на 30 відсотків. 

«Відкриття цього нового механізму розкрило таємницю, чому птахи мають ці пір’я біля передньої частини крил», — сказав Вісса. 

Додавання більшої кількості закрилків біля передньої частини крила покращило продуктивність, вказуючи на те, що покривне пір’я птахів, ймовірно, відіграє вирішальну роль у їх аеродинамічному контролі.

Від лабораторії до поля: тестування в реальному світі

Після успіху експериментів у аеродинамічній трубі команда перейшла до польових випробувань у кампусі Форрестал у Прінстоні. 

Вони співпрацювали з Натаніелем Саймоном, аспірантом, який спеціалізується на польотах безпілотників, щоб випробувати таємні закрилки на радіокерованому (RC) літаку, обладнаному бортовим комп’ютером.  Саймон запрограмував комп’ютер на повторне викликання умов зриву, дозволяючи команді спостерігати за розгортанням закрилків і їх продуктивністю.

«Круво мати можливість співпрацювати в спільному просторі в кампусі Форрестал і бачити, скільки областей досліджень торкнувся цей проект», — сказав Саймон, описуючи ефективність закрилків у польоті щодо зменшення інтенсивності звалювання. 

Успіх у реальних умовах був аналогічний результатам аеродинамічної труби, підтвердивши, що ці закрилки можуть значно затримати звалювання та стабілізувати політ.

Майбутні програми за межами авіації

Окрім авіації, дослідники вважають, що ці біологічні ідеї можуть принести користь іншим галузям, де модифікація повітряного потоку може покращити продуктивність. 

«Те, що ми виявили про те, як прикриття змінюють повітряний потік навколо крила, можна застосувати до інших рідин та інших тіл, що робить їх застосовними до автомобілів, підводних апаратів і навіть вітрових турбін», — сказав Седкі.

Дослідження також відкриває нові можливості для співпраці з біологами, щоб поглибити наше розуміння покривного пір’я під час польоту птахів. Wissa бачить потенціал для просування як інженерних, так і біологічних досліджень завдяки цим відкриттям. 

«Це сила дизайну, натхненного біотехнологіями. Здатність перенести речі з біології в техніку, щоб покращити наші механічні системи, а також використовувати наші інженерні інструменти, щоб відповісти на питання про біологію», – підсумувала вона. Дослідження опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.