С тех пор, как братья Райт, инженеры работали над разработкой более крупных и лучших летательных аппаратов, которые максимизируют подъем и минимизируют сопротивление. Всегда приходилось эффективно переносить больше людей и больше грузов. И поэтому наука и техника получения больших самолетов с земли очень хорошо понятны.
Но как насчет полета в небольших масштабах? Скажите масштаб стрекозы, птицы или летучей мыши?
Хуэй Ху, адъюнкт-профессор аэрокосмической техники штата Айова, сказал, что не нужно понимать воздушный поток, вихри и вращающиеся вихри, созданные взмахивающими крыльями, и поэтому не было много инженерных исследований маломасштабных рейс. Но это меняется.
Например, военно-воздушные силы США заинтересованы в нано-воздушных транспортных средствах с насекомыми или микроавтобусах размером с птицу. Транспортные средства могли летать на микрофонах, камерах, датчиках, передатчиках и даже крошечном оружии прямо через дверцу террориста.
Итак, как вы разрабатываете маленький летчик, который быстро и проворно, как дом летать?
Ху говорит, что хорошим местом для начала является сама природа.
И вот уже несколько лет он использует тесты аэродинамической трубы и технологии визуализации, чтобы узнать, почему стрекозы и летучие мыши являются такими эффективными летчиками. Как, например, частота взлома, скорость полета и угол крыла влияют на подъем и тягу взмахивающего крыла?
Исследования Ху в области аэродинамических проектов с биоиндустрии начались в 2008 году, когда он провел лето на факультете в исследовательской лаборатории ВВС на военно-воздушной базе Эглин во Флориде. За эти годы он опубликовал статьи, описывающие аэродинамические характеристики различных видов взмахивающих крыльев.
Например, исследование, основанное на стрекозе, показало, что неравномерная пилообразная поверхность крыла насекомого выполнена лучше, чем гладкая аэродинамическая поверхность в условиях медленного маневрирования с малым полетом. Используя велоциметрию изображений частиц – метод визуализации, который использует лазеры и камеры для измерения и записи потоков, – Ху обнаружил, что гофрированное крыло создало крошечные воздушные подушки, которые препятствовали встречному воздушному потоку, прикрепленному к поверхности крыла. Этот стабильный воздушный поток помог повысить производительность в сложных условиях полета. Описывая основную физику полета стрекозы, Ху и Джеффри Мерфи, бывший аспирант штата Айова, выиграли премию «Лучшая бумага» за 2009 год в прикладной аэродинамике Американского института аэронавтики и астронавтики.
Еще одно исследование крыльев, похожих на летучие мыши, показало, что встроенная гибкость крышек, покрытых мембраной, помогла уменьшить сопротивление и улучшить летные характеристики.
А как насчет строительства крошечных летательных аппаратов, которые используют взмахивающие крылья? Могут ли инженеры придумать надежный способ сделать эту работу?
Ху тоже это изучил.
Он использует пьезоэлектрики, материалы, которые изгибаются при воздействии электрического тока, для создания откидных движений. Таким образом, хлопанье зависит от тока подачи материала, а не от двигателя, передач и других движущихся частей.
Ху также использовал свою аэродинамическую трубу и визуализацию, чтобы изучить, как пары взмахивающих крыльев работают вместе – как и на стрекозе. Он узнал, что крылья не выходят из строя (одно крыло вверх, а второе – вниз) создало больше тяги. И тандемные крылья, работающие бок о бок, а не сверху вниз, максимизируют тягу и подъем.
Ху сказал, что эти уроки физики и аэродинамики – и многое другое – нужно изучать, прежде чем инженеры смогут проектировать эффективные нано- и микромасштабные транспортные средства.
И поэтому он собирает студентов, погруженных в учебу.
Ху выиграл грант в размере 150 000 долларов США, грант Национального научного фонда, который отправляет до 12 студентов из штата Айова в Шанхайский университет Китая Цзяотун в течение восьми недель интенсивных летних исследований. Студенты работают в Университете J.C. Wu Aerodynamics Research Center для изучения биоиндуцированных аэродинамических и инженерных проблем.
«Мы только сейчас изучаем, что заставляет стрекозу работать, – сказал Ху. «В этих небольших масштабах не было необходимости понимать полет. Но сейчас Агентство перспективных исследовательских проектов обороны и ВВС заявляют, что есть необходимость, и поэтому есть усилия по ее работе. Мы выясняем много и много интересного, чего мы раньше не знали ».