دانشمندان با الگوبرداری از دلیجه، راهی برای پرواز پایدار پهپادها در باد پیدا کردند

وزش بادهای شدید معمولاً به معنای پایان مأموریت پهپادهاست؛ چه در حال تصویربرداری باشند، چه بسته‌ای را جابه‌جا کنند و چه مأموریتی نظامی انجام دهند. دلیل این موضوع تنها دشوار شدن کنترل پهپاد نیست، بلکه یکی از محدودیت‌های بنیادی آیرودینامیکی این پرنده‌های بدون سرنشین است.

پژوهشگران مؤسسه فناوری سلطنتی ملبورن و دانشگاه بریستول بریتانیا با الگوبرداری از دلیجه استرالیایی بررسی کرده‌اند که این پرنده چگونه در بادهای متلاطم تقریباً بدون زحمت در هوا معلق می‌ماند.

نتایج پژوهش نشان می‌دهد اگر شدت تندباد عمودی با تندباد افقی برابر باشد، باد عمودی می‌تواند بسته به شکل بال، ۲۵ تا ۱۰۰ برابر تغییر بیشتری در نیروی برآ ایجاد کند. این نوع آشفتگی دقیقاً همان چیزی است که در ارتفاع پایین، یعنی محل پرواز بیشتر پهپادهای کوچک رخ می‌دهد و انتظار می‌رود با تغییرات اقلیمی در دهه‌های آینده شدیدتر نیز شود. اما طبیعت میلیون‌ها سال است که راه‌حل این مشکل را پیدا کرده است.

دلیجه استرالیایی استاد پرواز ایستا در هوای متلاطم است. به گزارش نیواطلس، پژوهشگران با استفاده از سامانه ثبت حرکت در تونل باد مؤسسه فناوری سلطنتی ملبورن حرکات این پرنده را هنگام مواجهه با آشفتگی‌های واقعی هوا با دقت ثبت کردند. نتایج نشان داد فاصله میان توانایی‌های پرندگان و ماشین‌ها بسیار زیاد است.

مت پن، پژوهشگر مؤسسه فناوری سلطنتی ملبورن، می‌گوید: «پرندگان برای مقابله با تندبادها به راهکار واحدی متکی نیستند. آن‌ها به‌طور مداوم بال‌ها و دم خود را تنظیم می‌کنند تا تعادلشان حفظ شود. انعطاف طبیعی پرها و مفصل‌ها نیز بخشی از تغییرات ناگهانی جریان هوا را جذب می‌کند. علاوه‌براین، پرندگان اختلال‌های جریان هوا را بسیار سریع تشخیص می‌دهند و تقریباً بلافاصله واکنش نشان می‌دهند.»

پژوهشگران برای اندازه‌گیری دقیق نیروهای وارد بر پرنده، نسخه رباتیک بسیار دقیقی از دلیجه ساختند. این مدل بر اساس اسکن‌های سی‌تی از نمونه‌های واقعی ساخته شد و حرکات پرنده را شبیه‌سازی می‌کرد. سپس این ربات در تونل باد با سرعت ۷ متر بر ثانیه آزمایش شد.

نتایج نشان داد راز موفقیت دلیجه در همکاری هماهنگ بال‌ها و دم آن نهفته است. زمانی که هر دو هم‌زمان باز می‌شوند، نیروی برآ بیش از مجموع اثر هر کدام به‌تنهایی افزایش می‌یابد، اما گشتاورهایی که باعث بالا یا پایین رفتن دماغه پرنده می‌شوند، یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین پرنده بدون تغییر وضعیت بدن خود، نیروی برآی لازم برای مقابله با تندباد عمودی را تولید می‌کند.

درمقابل، پهپادهای معمولی برای افزایش نیروی برآ ناچارند توان موتور یا زاویه سطوح کنترلی را تغییر دهند و همین موضوع هم‌زمان باعث کج شدن بدنه آن‌ها نیز می‌شود.

دم پرنده نیز مانند تنظیم‌کننده پایداری عمل می‌کند. وقتی کاملاً باز باشد، در برابر تندبادهایی که می‌توانند دماغه پرنده را بالا یا پایین ببرند مقاومت زیادی ایجاد می‌کند. اما وقتی جمع شود، پرنده چابک‌تر شده و تغییر مسیرهای سریع را آسان‌تر انجام می‌دهد. دلیجه می‌تواند در کسری از ثانیه بین این دو حالت جابه‌جا شود؛ قابلیتی که هیچ‌کدام از پهپادهای امروزی از آن برخوردار نیستند.

برتری دلیجه تنها به حرکات مکانیکی محدود نمی‌شود. پرهای آن هنگام افزایش فشار هوا به‌طور خودکار باز می‌شوند تا از جدا شدن جریان هوا از سطح بال جلوگیری کنند. همچنین پرهای مویی‌شکل ویژه‌ای به نام فیلوپلوم، ارتعاشات و تغییرات جریان هوا را در لحظه تشخیص می‌دهند و گیرنده‌های مکانیکی موجود در مفصل‌ها نیز به‌طور پیوسته فشارهای وارد بر بدن را پایش می‌کنند. هیچ پهپاد کوچکی در حال حاضر سامانه‌ای با چنین شبکه گسترده حسگرهای طبیعی ندارد.

گام بعدی تیم، بررسی نحوه درک محیط توسط دلیجه است؛ ازجمله اینکه این پرنده چگونه نشانه‌های بسیار ظریف آشفتگی هوا را پیش از رسیدن تندباد تشخیص می‌دهد. این توانایی می‌تواند به ساخت سامانه‌های کنترل پیش‌بینی‌کننده برای پهپادها منجر شود.

گرچه تمرکز فعلی پژوهش روی پهپادهای کوچک است، محققان امیدوارند در آینده بتوانند این فناوری را برای هواپیماهای بزرگ‌تر نیز به کار بگیرند. مؤسسه فناوری سلطنتی ملبورن هم‌اکنون به دنبال شرکای صنعتی برای ادامه این پروژه است. اگر این تلاش‌ها موفقیت‌آمیز باشد، نسل آینده هواگردهای کوچک دیگر با باد مبارزه نخواهند کرد؛ بلکه مانند شاهین، از آن برای پرواز بهتر بهره خواهند برد.