Инженеры, которые создают летающие микробеспилотники с машущим крылом, постоянно бьются над одной задачей: как заставить аппарат лучше держаться в воздухе, развивать большую подъемную силу и при этом тратить меньше энергии. Существующие решения далеки от идеала. Те модели, где крылья приводятся в движение умными материалами, пока не могут нормально управляться в полете — у них слишком слабая тяга и жесткие ограничения по самим материалам. Аппараты с обычными электромоторами, наоборот, летают довольно грубо, их механика плохо копирует живой взмах крыла, и повторить ювелирные кульбиты колибри у них не выходит. К тому же остаются проблемы с материалами, источниками энергии, общей компоновкой и приводами. Все это не дает сделать маленький, но мощный летающий аппарат по-настоящему совершенным.

Эту планку попытались взять исследователи из Пекинского университета аэронавтики и астронавтики (кафедра машиностроения и автоматизации), а также из двух подразделений Университета Цинхуа — департамента машиностроения и Шэньчжэньской международной аспирантской школы. Они провели работу и назвали её «Оптимизация подъемной системы для машущего микробеспилотника с возможностью висения в воздухе». Подробности опубликованы в издании Frontiers of Mechanical Engineering.

Ученые предложили необычную схему подъемной системы. Они взяли за образец колибри и добавили в основание крыла упругие элементы, которые накапливают энергию — прямо как мышцы и связки у птицы. Во время взмаха эти запасы энергии отдаются обратно в движение. Механизм взмаха собрали на основе кривошипно-коромыслового узла и зубчатой передачи, подобрали параметры так, чтобы крыло отклонялось аж на 154 градуса.

Дальше началось самое интересное: подбор самого крыла. Перебирали материалы, размах, длину хорды и расположение жилок. В итоге получили оптимизированный вариант с названием 80-455. Крыло сделали из материала Icarex PC31, размах — 80 миллиметров, хорда — 45 миллиметров, угол слака (свободного хода) — 5 градусов. Такое крыло даёт максимальный подъем.

Корпус тоже доработали. Провели расчеты на прочность методом конечных элементов и облегчили конструкцию. Пробовали материалы 8000 Resin и 7500 Nylon, пересмотрели форму деталей. В итоге масса фюзеляжа упала с 2,3 грамма до 1,6 грамма — то есть на 30,4 процента. При этом жесткость сохранили нужную, и вредных вибраций, совпадающих с собственной частотой, удалось избежать.

Что получилось в сухом остатке? Размах крыла готового аппарата — 175 миллиметров, вес — всего 10,5 грамма. При этом он создает устойчивую подъемную силу в 31,98 грамма. Максимальная чистая подъемная сила составляет 17,6 процента от веса самого беспилотника. Расход энергии на ту же подъемную силу снизился на 4,5 процента. В реальных полетах прототип зависал на месте около минуты при 50 процентах газа, легко делал резкий набор высоты — словом, показал отличную аэродинамику и надежность.

Для науки эта работа ценна тем, что соединяет бионику с инженерной механикой не на словах, а на деле. Исследователи не просто скопировали форму крыла, а перенесли принцип работы живой мышцы в виде упругого элемента, который запасает энергию. Это открывает новую главу в проектировании машущих крыльев — теперь конструкторы будут думать не только о форме, но и о динамическом цикле «накопление-отдача». Плюс методика облегчения корпуса на треть при сохранении прочности — готовый рецепт для других разработчиков.

В реальной жизни такие аппараты могут найти десятки применений. Представьте маленького робота-колибри, который залетает в разрушенное здание в поисках людей, виснет в воздухе перед щелью и передает картинку. Или наблюдает за посевами с близкого расстояния, не распугивая птиц и насекомых. Или работает в цехе, где обычный дрон шумом и ветром от винтов мешает оборудованию. Аппарат способен зависать, резко ускоряться и экономить энергию — значит, его хватит на более долгую миссию, чем у других микробеспилотников такого же веса.

Исследование выглядит убедительно, но есть один практический нюанс: все эксперименты и замеры, судя по тексту, проводились в лабораторных или близких к идеальным условиям. В реальной среде появляются боковой ветер, порывы, турбулентность от стен или листвы. Устойчивость машущего крыла при внешних возмущениях — это отдельная сложная задача. Авторы не сообщают, как их прототип ведет себя при порыве ветра, скажем, 2-3 метра в секунду, или при необходимости лететь не в неподвижном воздухе, а с постоянной боковой коррекцией. Без этих данных сложно сказать, насколько система готова к выходу из лаборатории. Кроме того, время полета всего около минуты при 50% газа — для реального применения маловато. Хорошо бы увидеть, как меняется подъемная сила по мере разряда батареи, и есть ли у прототипа резерв для установки полезной нагрузки (камеры, датчика).

Ранее мы разбирались, на что способны дроны в охране правопорядка.