پهپاد یا شاهین؟ / پرندههایی که از باد نمیترسند
پژوهشگران با مهندسی معکوس شاهین استرالیایی و ساخت یک نمونه رباتیک، راز پرواز پایدار در بادهای متلاطم را کشف کردهاند، دستاوردی که میتواند نسل آینده پهپادها را قادر سازد بدون از دست دادن تعادل در شرایط بادی مأموریت خود را ادامه دهند.
به گزارش خبرآنلاین، یکی از بزرگترین نقاط ضعف پهپادهای کوچک امروزی، ناتوانی آنها در پرواز ایمن هنگام وزش بادهای شدید و تندبادهای ناگهانی است. این محدودیت تنها به پهپادهای فیلمبرداری یا حمل مرسوله مربوط نمیشود، بلکه تمامی پهپادهای کوچک با این مشکل روبهرو هستند.
اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه RMIT استرالیا و دانشگاه بریستول بریتانیا با مطالعه دقیق شاهین استرالیایی (Australian Kestrel / Falco cenchroides) موفق شدهاند سازوکارهایی را شناسایی کنند که به این پرنده اجازه میدهد حتی در جریانهای هوایی آشفته نیز تقریباً بدون حرکت در یک نقطه معلق بماند.
چرا باد برای پهپادها مشکل بزرگی است؟
بر اساس یافتههای این پژوهش، تندبادهای عمودی برای بالهای کوچک بسیار خطرناکتر از بادهای افقی هستند. محققان نشان دادند که یک جریان عمودی هماندازه با جریان افقی میتواند بسته به شکل بال، بین ۲۵ تا ۱۰۰ برابر تغییرات بیشتری در نیروی برا ایجاد کند.
این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا پهپادهای کوچک معمولاً در ارتفاع پایین پرواز میکنند، جایی که چنین آشفتگیهای عمودی بسیار رایج هستند.
طبیعت میلیونها سال زودتر راهحل را پیدا کرده است
شاهین استرالیایی یکی از ماهرترین پرندگان در پرواز ایستا محسوب میشود. این پرنده میتواند در مقابل باد بایستد و بدون از دست دادن تعادل، موقعیت خود را حفظ کند.
تیم تحقیقاتی با استفاده از فناوری Motion Capture در تونل باد دانشگاه RMIT، حرکات یک شاهین زنده را هنگام قرار گرفتن در شرایط واقعی آشفتگی هوا ثبت و تحلیل کرد. نتایج نشان داد اختلاف میان یک پرنده و یک پهپاد بسیار بیشتر از چیزی است که تصور میشد.
شاهین استرالیایی بیش از ۲۲ درجه آزادی حرکتی برای تنظیم وضعیت بدن خود در حین پرواز دارد در حالی که یک پهپاد معمولی تنها حدود چهار درجه آزادی در اختیار دارد.
علاوه بر این، توزیع جرم بدن پرنده نیز نقش مهمی ایفا میکند. بیشتر وزن شاهین در بخش مرکزی بدن متمرکز است و همین موضوع باعث میشود بتواند تقریباً دو برابر سریعتر از پهپادی هماندازه به تندبادها واکنش نشان دهد.
برای اندازهگیری دقیق نیروهای آیرودینامیکی، پژوهشگران تنها به مشاهده رفتار پرنده اکتفا نکردند. آنها با استفاده از تصاویر سیتیاسکن نمونههای واقعی، یک شاهین رباتیک بسیار دقیق ساختند که حرکات مفاصل بال، مچ، آرنج و دم را شبیهسازی میکند.
این ربات در تونل باد و با سرعت ۷ متر بر ثانیه آزمایش شد. نتایج نشان داد مهمترین ویژگی شاهین، همکاری همزمان بالها و دم است.
در مقابل، پهپادهای متداول برای تولید نیروی برا بیشتر معمولاً باید توان موتور یا زاویه سطوح کنترلی را تغییر دهند اقدامی که اغلب باعث کج شدن بدنه و کاهش پایداری پرواز میشود.
دم شاهین مانند یک پیچ تنظیم پایداری عمل میکند
پژوهشگران دریافتند دم شاهین نقش مهمی در تنظیم میزان پایداری پرواز دارد. وقتی دم کاملاً باز میشود، مقاومت پرنده در برابر تندبادهایی که قصد دارند دماغه را به بالا یا پایین منحرف کنند، بهطور چشمگیری افزایش مییابد و بخش زیادی از اصلاح وضعیت بهصورت طبیعی انجام میشود.
اما زمانی که دم جمع میشود، پرنده پایداری خودکار کمتری دارد و در عوض میتواند مانورهای سریعتر و تندتری انجام دهد. شاهین قادر است در لحظه بین این دو حالت جابهجا شود. هنگام معلق ماندن در باد، پایداری را افزایش دهد و هنگام تغییر مسیر، آن را کاهش دهد. پژوهشگران میگویند هیچ پهپاد کوچک امروزی چنین قابلیتی ندارد.
البته برتری شاهین تنها به نحوه حرکت بالها محدود نمیشود. پرهای این پرنده هنگام افزایش فشار هوا بهصورت خودکار باز میشوند و از جدا شدن جریان هوا روی سطح بال جلوگیری میکنند. همچنین شاهین دارای پرهای بسیار ظریفی به نام Filoplumes است که با پایانههای عصبی خود، ارتعاشات و تغییرات جریان هوا را تقریباً بهصورت آنی تشخیص میدهند. گیرندههای مکانیکی موجود در مفاصل نیز بهطور مداوم بارهای وارد بر ساختار بدن را پایش میکنند.
پژوهشگران تأکید میکنند که هیچ پهپاد کوچک امروزی از سامانه حسگری توزیعشدهای با چنین پیچیدگی برخوردار نیست.
به گفته محققان، انتقال این فناوری از آزمایشگاه به محصولات تجاری کار سادهای نخواهد بود، زیرا پایداری شاهین حاصل یک ویژگی واحد نیست، بلکه نتیجه همکاری همزمان ساختار بدن، مفاصل، بالها، دم، پرها و سامانههای حسی است.
اگر این سازوکارها به سامانههای کنترلی پهپادها منتقل شوند، نسل آینده وسایل پرنده بدون سرنشین میتواند بهجای واکنش نشان دادن پس از وقوع آشفتگی، آن را از قبل پیشبینی کرده و برایش آماده شود.
هدف فعلی این تحقیقات توسعه پهپادهای کوچک مقاوم در برابر باد است، اما پژوهشگران امیدوارند در آینده بتوان نسخه سادهشده این فناوری را در هواپیماهای بزرگ نیز به کار گرفت.
۵۸۵۸
