Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Мини-орнитоптер получил эффективную передачу и хвостовые рули

Yao-Wei Chin et al. / Science Robotics, 2020

Инженеры из четырех стран разработали небольшой X-образный орнитоптер массой 26 грамм с управляемым хвостом и энергоэффективной механической передачей. Эксперименты показали, что новая передача позволяет увеличить энергоэффективность полета на 40 процентов по сравнению с пропеллером, закрепленном на таком же моторе. Конструкция хвоста и крыльев позволяет аппарату летать вертикально и горизонтально, а также резко разворачиваться, рассказывают авторы статьи в Science Robotics.

Большинство малых беспилотников с возможностью вертикального взлета и посадки (VTOL) имеют конструкцию мультикоптера. Этот тип аппаратов хорошо исследован и для него есть много алгоритмов управления, также мультикоптеры механически довольно просты. Но инженеры работают и над альтернативами, причем не только с конструкцией самолетного типа, но и с конструкцией орнитоптера, который летит, махая крыльями, подобно птицам (хотя часто в них используется четыре крыла, расположенные в виде буквы X).

Исследования с моделированием показывают, что орнитоптер — это аэродинамически более выгодная схема. На практике же в орнитоптерах используется многоэлементная механическая передача между мотором и крыльями, которая из-за трения и наклонов шестерней имеет меньшую эффективность, чем простое крепление винта на вал мотора в мультикоптерах.

Инженеры из Австралии, Китая, Сингапура и Тайваня под руководством Ги Кеонг Лау (Gih-Keong Lau) из Национального университета Цзяо Тун улучшили конструкцию механической передачи для орнитоптеров, чтобы повысить ее эффективность. В целом аппарат имеет стандартную конструкцию с X-образными крыльями из полимерной пленки и тонкими несущими элементами по краям и в центре, придающие крыльям жесткость. Крылья приводятся в действие одним мотором.

От других передовых миниатюрных орнитоптеров, таких как DelFly или KUBeetle-S, новый орнитоптер заметно отличается хвостовым оперением, причем подвижным: обе плоскости могут наклоняться в нужную сторону, работая как рули высоты и направления.


Главные улучшения механической передачи касаются стабилизации вала двигателя и крыльев с помощью подшипников и полимерной рамы. Это позволяет крутящимся валам оставаться на своей изначальной оси почти без отклонений. Еще одно улучшение заключается в том, что на стыках крыльев и центральной части корпуса нет петель. Вместо этого все три детали объединены в одну монолитную, в которой на месте петель просто уменьшена толщина. Это позволяет использовать упругость полимера, особенно при возврате крыльев назад после того, как они разошлись на максимальный угол после взмаха.

Разработчики решили показать эффективность своего орнитоптера, проведя прямое сравнение. Они сравнили мощность и тягу орнитоптера с пропеллерами разного размера, закрепленных на тот же двигатель. Максимальная удельная тяга одного из пропеллеров составила 4,8 грамм-сил на ватт потребляемой мощности при тяге примерно 50 процентов и 4,6 при максимальной тяге. Для орнитоптера этот показатель на максимальной тяге составил 6,4 грамм-сил на ватт.

Инженеры также показали, что сочетание высокой мощности и подвижного хвостового оперения позволяет использовать больше режимов полета. Орнитоптер может летать и зависать на месте вертикально, планировать, летать горизонтально и резко разворачиваться. Для последнего режима он наклоняется наверх и задействует большую площадь крыльев для аэродинамического торможения.

В области орнитоптеров есть и другие интересные разработки, задействующие особенности этой конструкции. Например, в 2019 году американские инженеры научили двукрылый орнитоптер обнаруживать пол или препятствия недалеко от себя благодаря изменению подъемной силы.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.