Летательные аппараты с махающими крыльями (ЛАМК) представляют собой тип летательных аппаратов, имитирующих методы полёта насекомых и птиц.Исследования в области бионики и аэродинамики показали, что микро-летательные аппараты, размером с птиц или насекомых, наиболее эффективны при использовании методов полёта с махающими крыльями.Проекты, связанные с бионическими летательными аппаратами с махающими крыльями, существуют с времён Леонардо да Винчи, но систематические исследования начались только после 1970-х годов.Бионические летательные аппараты с махающими крыльями интегрируют мультидисциплинарные технологии, такие как бионика, аэродинамический анализ, анализ механических структур, энергетика, коммуникации и управление.Развитие этих аппаратов продвинулось от ранних орнитоптеров с медленным маханием крыльев большого размера до орнитоптеров средней частоты маха, похожих на птиц, и орнитоптеров с высокой частотой маха, похожих на насекомых (в условиях низкого числа Рейнольдса), при этом теоретическое моделирование эволюционировало от начального прямого синусоидального движения фиксированных крыльев к более сложным схемам движения составных крыльев.

Преимущества летающего летательного аппарата.

В настоящее время основными типами воздушных судов являются самолеты с неподвижным крылом, вертолеты и летательные аппараты с маховым крылом.Самолеты с неподвижным крылом имеют ограничения по минимальной скорости и размаху крыльев, а также не обладают маневренностью и гибкостью, что затрудняет их миниатюризацию.Вертолеты зависят от вращения пропеллеров для получения мощности, что требует определенных размеров и прочности роторов, и им приходится справляться с такими проблемами, как крутящий момент, вызванный балансом вращения, делая их использование относительно сложным.В отличие от этого, биомиметический полет с маховым крылом позволяет регулировать движение крыльев для использования вихревого эффекта воздуха, обладая тем самым высокой маневренностью, а также более высоким соотношением подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению и эффективностью полета, что позволяет достигать крайней миниатюризации.

Полет с маховым крылом одновременно создает подъемную силу и тягу, объединяя функции подъема, зависания и пропульсии в одной системе. Это обеспечивает высокую маневренность и гибкость.Путем регулировки параметров маха в системе махового крыла, состояние полета может быть гибко изменено, что позволяет исключить некоторые управляющие структуры, значительно упрощая конструкцию и снижая вес летательного аппарата.Кроме того, крылья биомиметического летательного аппарата с маховыми крыльями могут фиксироваться в горизонтальном положении, позволяя ему парить на больших высотах, используя потенциальную энергию, что экономит больше энергии по сравнению с непрерывным вращением роторов вертолета.Более того, теоретические исследования показывают, что эффективность пропульсии маховых крыльев выше, чем у традиционных систем пропульсии, достигая до 85%.

Биомиметические летательные аппараты с махолетными крыльями, обладающие многими преимуществами биологического махового полёта, способны к быстрому взлёту, ускорению, зависанию и посадке с места.Они напоминают птиц или насекомых по форме и паттернам полёта, обеспечивая хорошую скрытность, высокую степень камуфляжа, низкий уровень шума и отличную маневренность.Эти характеристики имеют широкие перспективы как в военной, так и в гражданской сферах.В военном применении биомиметические летательные аппараты с махолетными крыльями могут использоваться для разведки противника, слежения за целями, электронного вмешательства, оценки ущерба, отбора проб в условиях ядерного, биологического и химического загрязнения, развёртывания сенсоров, ретрансляционной связи, а также для активной атаки и защиты.В гражданских приложениях они могут использоваться для мониторинга окружающей среды, наблюдения за чрезвычайными ситуациями, мониторинга дорожного движения и контроля за птицами в аэропортах.

<span style=">The "Killer Bee" swarm in the American TV series "Black Mirror"

Разработка бионического летательного аппарата с махолетными крыльями, имеющего разумную конструкцию и превосходные характеристики, требует междисциплинарного подхода, включая бионику, биологию, аэродинамику, машиностроение, проектирование систем управления и энергетическое проектирование.Текущие исследования сосредоточены на динамике полёта, управлении полётом и энергетике полёта.

Механика бионического махового полёта

Птицы и насекомые приобрели сложные навыки полёта в результате эволюции, продолжавшейся более 150 миллионов лет, что позволяет им совершать длительные полёты или выполнять сложные маневры быстро. Поэтому изучение траекторий взмахов крыльев птиц и насекомых, их частоты взмахов, структуры воздушного потока вокруг крыльев, а также размеров крыльев и энергозатрат является ключевым для раскрытия аэродинамических принципов полёта. Эти исследования имеют значительное значение для разработки микро летательных аппаратов.

Биомиметические летательные аппараты с маховым крылом дополнительно классифицируются на основе методов полёта их биологических моделей на орнитоптеры (подобные птицам) и энтомоптеры (подобные насекомым). Полёт птиц можно разделить на три типа в зависимости от характеристик полёта: планирование, парение и маховой полёт, причём первые два типа не требуют энергии сокращения мышц. Маховой полёт является основным способом полёта летающих животных, где группы мышц заставляют крылья махать для генерации энергии, создавая подъёмную силу для преодоления гравитации и тягу для преодоления сопротивления воздуха. Для птиц основные движения крыльев, форма крыла, размах крыльев, нагрузка, изгиб крыла, угол стреловидности и положение в полёте значительно различаются с каждым взмахом крыльев. Частота взмахов и амплитуда также изменяются в зависимости от угла атаки крыла и скорости полёта. Основные движения крыльев птиц могут быть разделены на взмахивание, скручивание, качание и складывание.

Когда птицы периодически взмахивают крыльями, они создают серию завихрений в воздушном потоке (уличные вихри).Если группа вихрей над центральной плоскостью следа вращается против часовой стрелки, а те, что ниже - по часовой стрелке, то вблизи центральной плоскости следа формируется область потока с большей величиной и направлением, согласующимся с набегающим потоком, в этой точке завихрения в хвостовой части индуцируют тягу.В ходе своей эволюции птицы разработали два существенно различных режима взмаха крыльев для эффективной генерации подъемной силы: режим кольцевого вихря и режим непрерывной вихревой линии.

Для насекомых взмахи крыльями являются необходимым способом полета, даже при парении, главным образом из-за различия чисел Рейнольдса между птицами и насекомыми во время парения.Кроме того, структура жил крыльев насекомых определяет отсутствие складывания в процессе взмаха.Однако амплитуда движений взмаха, кручения и качания у насекомых значительно больше, чем у птиц, а их схемы движений также гораздо сложнее.Это в основном проявляется в большей амплитуде кручения крыльев насекомых, изменчивости кривизны крыла, способности насекомых изменять площадь крыльев, испытывающих нагрузку, и использовании наклонных плоскостей взмаха крыльев.

В прошлом люди использовали квазистационарную теорию для оценки и объяснения принципов взмахового полета насекомых, которая не соответствовала экспериментальным результатам.Поэтому начался поиск механизмов, обеспечивающих высокую подъемную силу.В настоящее время к механизмам, обеспечивающим высокую подъемную силу у насекомых, относятся механизм Вайса-Фога, переднекрайние вихри с задержанным срывом и ротационная циркуляция с захватом следа, последние два из которых были выведены из экспериментальных данных.

Кинематический анализ бионического взмаха с использованием технологии захвата движения

Птицы часто изменяют форму и размер своих крыльев во время полета, чтобы адаптироваться к различным скоростям полета.Для извлечения форм крыльев в различных состояниях для кинематического анализа может быть использована 3D система захвата движения, позволяющая получить связь между углами суставов крыльев и временем полета у птиц.На крылья и тело птицы устанавливаются отражающие маркеры, и путем отслеживания траектории движения этих отражающих точек получаются кинематические данные полета птиц.Эти данные предоставляют информацию о симметрии взмаха крыльев, диапазоне углов взмаха, частоте движений и углах суставов.

Существуют широкие перспективы применения в таких областях, как изучение поведенческих действий.Мобильные роботы в основном делятся на колесные роботы, гусеничные роботы и биомиметические роботы на ногах.

Разработка бионических летательных аппаратов с машущими крыльями с использованием технологии захвата движения

При проектировании конструкции биомиметического летательного аппарата с маховыми крыльями первым шагом является определение приводного механизма. Приводные механизмы для биомиметического махания можно разделить на две основные категории: первая - это механизм махания с одной степенью свободы, который выполняет только взмахи вверх и вниз; вторая - это механизм махания с несколькими степенями свободы, который реализует сложные формы движений, такие как скручивание, складывание и другие действия. Распространенные механизмы с одной степенью свободы включают механизм кривошипно-ползунный, механизм кулачково-пружинный, механизм двойного кривошипа двойной качалки и механизм одинарного кривошипа двойной качалки. Для создания математической модели и модели многотельной динамики выбранного механизма следует сравнить рассчитанные кривые углов махания левого и правого крыла из математической модели с кривыми, полученными в симуляциях ADAMS, чтобы проверить точность математической модели. После завершения физической сборки летательного аппарата с маховыми крыльями можно использовать оптическую систему захвата движения для крепления маркеров к внутреннему и внешнему крылу, а также к кривошипу в соответствующих позициях. Зафиксированные реальные угловые кривые затем можно сравнить с предыдущими двумя, чтобы подтвердить правильность уравнений движения и моделирования симуляции.

Биомиметические летательные аппараты с маховым крылом являются сложными системами, характеризующимися нелинейностью и нестационарностью, часто использующими гибкие конструкции, легко подверженные возмущениям. Кроме того, с уменьшением размера летательного аппарата резко снижается производительность датчиков реакции и актуаторов, что требует более совершенных контроллеров для обеспечения стабильности системы. Наиболее критическим и широко изучаемым аспектом управления полетом с маховым крылом является контроль полетного отношения, который включает разработку контроллеров для управления углами отношения (тангаж, рыскание и крен) и углом взмаха для корректировки позы летательного аппарата.

Университет Гарварда разработал первый в мире микро-летательный аппарат (МЛА) с маховым крылом размером с насекомое, способный к полету, получивший название FMAV. Каждое крыло летательного аппарата управляется независимо с помощью пьезоэлектрического актуатора через сферический четырехзвенный механизм. Используя принцип "разделенного сигнала", устройство успешно генерирует крутящие моменты крена, тангажа и рыскания. В ходе экспериментов система захвата движения отслеживает движение и положение в пространстве летательного аппарата, обеспечивая обратную связь в реальном времени. С адаптивным управлением система достигает стабильного взлета и посадки МЛА, подобного насекомому.

Помимо контроля положения, контроль вибраций летательного аппарата также является важным аспектом, определяющим его производительность. Во время полета крылья и фюзеляж легко подвергаются внешним возмущениям и вибрациям, вызванным собственными двигателями и структурными движениями, что требует разработки контроллеров для подавления этих вибраций с целью обеспечения стабильности системы. Общие методы включают активное управление вибрацией и граничное управление, например, применение теории смешанной чувствительности робастного управления H∞ для решения проблем активного управления вибрацией хвостовой части воздушного судна или использование прямого метода Ляпунова для проектирования граничных контроллеров для управления крыльями.

Участие NOKOV в отечественной разработке бионических летательных аппаратов с маховым крылом

NOKOV является ведущим поставщиком систем оптического захвата движения, на данный момент активно сотрудничающим с несколькими университетами в области многоногих роботов.

Шаньдунский университет

Размер пространства: 3м x 3м

Команда бионического летательного аппарата с маховыми крыльями в Университете Шаньдун разместила восьмь инфракрасных оптических камер Mars 2H на штативах в лаборатории. На крылья и корпус бионического летательного аппарата с маховыми крыльями были установлены отражающие маркеры. Захватывая пространственное положение и ориентацию крыльев и корпуса аппарата, они смогли получить данные о различных частотах и режимах махов крыльев, о моделях вибрации корпуса, а также предложили метод активного подавления вредных вибраций в гибкой структуре бионического летательного аппарата с маховыми крыльями.

Университет науки и технологий Пекина

Пространственный размер: 6 м х 6 м х 3 м

Команда бионического летательного аппарата с маховыми крыльями из Пекинского университета науки и технологий закрепила три маркера на голове и хвостовых плавниках бионического летательного аппарата, рассматривая его как жёсткое тело. Используя инфракрасные оптические камеры NOKOV, расположенные вокруг площадки, они зафиксировали вращательную траекторию полёта и изменения ориентации бионического летательного аппарата при различных условиях угла и частоты махов крыльев.

Харбинский технологический институт (Шэньчжэнь)

Размеры помещения: 15м x 20м x 8м (лаборатория захвата движения NOKOV Yanjiao)

Команда профессора Вендзу Сю из Харбинского технологического института (Шэньчжэнь) проводила эксперименты с бионическим махолетом в лаборатории по захвату движений NOKOV в Яньцзяо, чтобы получить данные о положении и ориентации крупномасштабного бионического летательного аппарата с маховым крылом. Учитывая большое пространство для проведения экспериментов и высокие требования к точности, на махолет были установлены активные маркеры (маркеры, излучающие инфракрасный свет).