هواپیماهای بدون سرنشین بال زن

تصویر: پرواز پرندگان با مهندسی معکوس به محققان کمک کرد تا نوع جدید و قدرتمندی از هواپیماهای بدون سرنشین ایجاد کنند. شاتر استوک
 
ما روبات های شبه پرنده چهار بالی را تولید کرده ایم که هواپیمای بال زن یا اورنیتوپتر (Ornithopter) نامیده می شوند و می توانند به چابکی سریعِ مرغ مگس خوار و حشرات از زمین بلند شوند و پرواز کنند. ما این کار را با مهندسی معکوس آیرودینامیک و بیومکانیک این موجودات انجام دادیم.
 
اورنیتوپترهای ما این توانایی را دارد که از پیکربندی های موجود در هواپیماهای بدون سرنشین دارای بال های ساکن یا دارای ملخ بهتر عمل کند و از آنها پیشی بگیرد.
هزینه اصلی پروازهای بزرگ، به طور کلی، انرژی مورد نیاز برای پرواز است.  

اورنیتوپتر (Ornithopter) چیست؟

اورنیتوپترها ماشین های پرنده ای هستند که بر اساس طراحی پرندگان ساخته شده اند. تنظیمات موجود هواپیماهای بدون سرنشین به پروانه ها و بال های ساکن متکی هستند. اورنیتوپترها برای تولید رانش به جلو، بال می زنند. رابطه پیچیده موجود بین آیرودینامیک و حرکات بال، به پرندگان و حشرات اجازه می دهد تا از راه هایی پرواز کنند که برای هواپیماهای بدون سرنشین معمولی غیرممکن است.
 

چرا اورنیتوپترها را می خواهیم؟

اورنیتوپترها به گونه ای متفاوت با هواپیماهای بدون سرنشین مرسوم پرواز می کنند. آنها می توانند سُر بخورند، در هوا معلق بمانند، و عملیات آکروباتیک هوایی انجام دهند. در موقعیت های مختلف، آنها می توانند با پرواز کردن مانند یک هواپیمای معمولی، در مصرف انرژی صرفه جویی کنند یا این که معلق بمانند. آنها می توانند در فضاهای تنگ به آرامی بلند شوند و به زمین بنشینند، و همچنان ممکن است به سرعت اوج بگیرند و سپس مانند پرندگان فرود آیند.
 
هواپیماهای بدون سرنشین فعلی چند موتوره بسیار زیبا در جا معلق می مانند، اما حتی در پرواز رو به جلو، بیش از پرواز شناور معلق، از انرژی استفاده می کنند، بنابراین در واقع نمی توانند سفری طولانی داشته باشند. هواپیماهای بدون سرنشین با بال ثابت می توانند به طور مؤثر با سرعت بالا حرکت کنند، اما شناور کردن آنها به طور معمول، بدون به خطر انداختن کل طراحی، امکان پذیر نیست. مفاهیمی ترکیبی وجود دارد که معمولاً دارای بال و روتور هستند. هواپیماهای هیبریدی یا ترکیبی، به خاطر داشتنِ قطعات بیشتر، به دلیل وزن اضافی و مقاومت جبهه ای هوا، هنگام شناوری و حرکت با سرعت بهینه، در مقایسه با سایر طراحی ها عملکرد ضعیف تری دارند.
 
بال زدن، راه حل اصلی طبیعت برای رفع نیازهای پرواز، هم در حالت سریع و هم در حالت آهسته، و همچنین فرود و برخاست از هر نقطه است. برای یک پرنده یا حشره، برای انجام پرواز معلق در هوا و نیز پرواز ثابت با سرعت بهینه، بدون نیاز به حمل پیش ران های اضافی یا بال های اضافی، از هر قسمت از سیستم بدن آنها، استفاده می شود.
 
هواپیماهای بدون سرنشین موجود با بال ثابت و بال چرخان به قدری خوب شناخته شده اند که اکنون طراحی های آنها به حداکثر حدود کارآیی آنها نزدیک شده است. افزودن هر چیز جدیدی به سایر جنبه های عملکردی آنها هزینه های توجیه نشده در بر دارد.
 
اصولاً اورنیتوپتر ها، در مقایسه با هواپیماهای معمولی، قادر به انجام مأموریت های پیچیده تری هستند، مانند پرواز در مسافت های طولانی، ماندن به حالت تعلیق در هوا به صورت طولانی مدت، و مانور در فضاهای تنگ. استفاده از اورنیتوپترها در اطراف انسان ها، به علت سطح بزرگ بال های آنها و ضربات کند بال زدن آنها، کم سر و صداتر و ایمن تر است.
 

چگونه یک اورنیتوپترِ کاری می سازیم؟

 
تصویر: طرح یک اورنیتوپتر،  Chin et al, Science Robotics ، نویسنده ارائه داده است.
 
اورنیتوپتر یک سیستم کاملاً پیچیده است. در حال حاضر هواپیماهای بدون سرنشین بال دار به آرامی پرواز می کنند اما توانایی دستیابی به سرعت و قدرت مورد نیاز برای ایروباتیک های عمودی یا معلق پرواز در هوا را ندارند.
 75٪ از بال زدن های مشاهده شده در پروازهای جستجوگرانه پرنده، مربوط به زمان بلند شدن از زمین بود.تنها تعداد کمی از اورنیتوپترهای موجود در بازار برای پرواز به جلو طراحی شده اند. آنها مانند یک هواپیمای کم قدرت به آرامی بالا می روند و نمی توانند به صورت عمودی معلق بمانند یا صعود کنند.
 
طراحی ما از چند جهت متفاوت است.
 
یک تفاوت در این است که اورنیتوپترهای ما از اثر "ضربه با کف دست و پراندن" استفاده می کنند. دو جفت بال به گونه ای بال می زنند که مانند کف زدن دست ها، به هم می رسند. این باعث می شود رانش اضافی کافی برای غلبه بر وزن و بالا بردن بدن آنها هنگام معلق ماندن در هوا ایجاد شود.
 
ما با تنظیم لولای بال / بدنه برای ذخیره و باز یابی انرژی بال متحرک در هنگام تغییر جهت بال ها، شبیه کاری که یک فنر انجام می دهد، کارایی را بهبود بخشیدیم. ما همچنین کشف کردیم که بیشترین اتلاف انرژی به دلیل خم شدن گیرها در زیر بار هدایت بال ها اتفاق می افتد. ما این مسئله را با تعبیه یاتاقانهای دقیق و با مرتب سازی مجدد شافت ها در انتقال قدرت جعبه دنده به منظور فاصله گذاری مناسب بین چرخ دنده ها حل کردیم.
 
دُم بزرگ، که متشکل از یک سکان و بالابر است، نیروی چرخشی زیادی ایجاد می کند. این، به انجام مانورهای تهاجمی هوایی و سوئیچ سریع از پرواز افقی به پرواز عمودی، اجازه می دهد.
 
این سیستم به گونه ای طراحی شده است که می تواند دماغه را به سمت بالا حرکت دهد و به سرعت زاویه حمله خود را تا جایی افزایش دهد که بال، در پدیده ای به نام "ماندنِ دینامیک"، تولید بالابری نکند. ماندنِ دینامیک، مقاومت جبهه ای هوایی زیادی ایجاد می کند و بال را به یک چتر نجات کاهنده سرعت هواپیما تبدیل می کند. این در بسیاری از هواپیماهای بدون سرنشین نامطلوب است، اما توانایی ورود به این حالت و بازیابی سریع، به قدرت مانور می افزاید. این امر، در هنگام کار در محیط های در هم و بر هم یا نشستن روی یک نشیمن گاه، مفید است.
 

همگام شدن با تکامل

یکی از مهمترین یافته های کار ما این بود که یک اورنیتوپتر عملیاتی ممکن است یک بازدهی مشابه با هواپیمای ملخی به دست آورد. با آزاد شدن مقداری قدرت اضافی، رفتارهای مختلفی برای اورنیتوپتر امکان پذیر شد.
 
این به طور واقعی نشان داد که بهینه سازی دستگاه پرواز، کلیدی برای زنده ماندن این طرح های جدید هواپیمایی است. ما اکنون در تلاش هستیم تا از طرح های بال کپی شده از طبیعت استفاده کنیم. ما امیدواریم که پیشرفت هایی به همان اندازه بزرگ داشته باشیم.
 
از برخی جهات، حصول چنین دستاوردهای قابل توجهی در افزایش بهره وری، ناشی از تغییرات اعمال شده طراحی در این سیستم های جدید، نباید تعجب آور باشد. ارگانیسم های بالدار طی صدها میلیون سال توسط تکامل بهینه شده اند. ما انسان ها کمتر از 200 سال است که در صنعت هواپیمایی حضور داریم.
 

پرندگان بزرگ چگونه بدون بال زدن پرواز می کنند

کرکس های امریکایی آند با وزنی تا 10 کیلوگرم یا بیشتر ، از سنگین ترین پرندگان پروازی جهان هستند. هنگامی که بزرگی پرندگان به این حد برسد، هزینه های انرژی بال زدن آن قدر زیاد است که در عوض، آنها به جریان های در حال صعود هوا برای طی مسافت های طولانی متکی می شوند.
 
ما و همکارانمان، در زمینه پرواز پرندگان متخصص هستیم، و از ما پرسیده می شود که با بال زدن هایی این قدر کم، چگونه کرکس های امریکایی و سایر پرندگان بلند پرواز، به ویژه اگر محیط های خاص یا شرایط آب و هوایی‌ای وجود داشته باشد که پرواز در آنها هزینه بیشتری برای آنها در بر داشته باشد، می توانند این قدر دور شوند. در واقع این پرندگان این کار را می کنند و فقط اخیراً ما توانسته ایم از فناوری برچسب گذاری برای جاسوسی آنها در آسمان استفاده کنیم.
 
یک از همکاران  با استعداد ما در دانشگاه سوانزی، یک دستگاه "ضبط کننده پرواز" با فناوری بالا را برای تیم ما ایجاد کرد تا به کرکس های امریکایی متصل نماییم تا هر ضرب بال آنها را هنگام جستجوی غذا ضبط کند. نتایج پروژه پنج ساله ما در آرژانتین، اکنون در مجله PNAS منتشر شده است.
 ارگانیسم های بال دار طی صدها میلیون سال توسط تکامل بهینه شده اند. ما انسان ها کمتر از 200 سال است که در صنعت هواپیمایی حضور داریم.چگونه می توان یک کرکس امریکایی را گرفت؟ این کار، زمانبر است، و زمان زیادی می گیرد. ما به صورت یک تیم صحرایی، روزها را در استپ Patagonian می نشستیم، و منتظر می ماندیم تا کرکس های امریکایی بر روی لاشه گوسفندان یا استخوان های باقی مانده از کشتارگاه که به طور ویژه برای انجام آزمایش در محل قرار داده شده بودند، فرود آیند.
   
تصویر: این، قسمتِ آسان کار بود. توسط نویسنده ارائه شده است
 
به نظر می رسد که قرار دادن برچسب ها بسیار آسان تر از بازگرداندن برچسب ها باشد. برچسب های ما در هر ثانیه 320 نقطه داده مختلف را ثبت می کنند، که داده های چندان زیاد است که امکان ارسال آنها  از طریق تلفن یا شبکه ماهواره ای وجود ندارد. در عوض، ما سیستمی را طراحی کردیم تا برچسب ها، هنگام استراحت شبانه پرندگان بر روی صخره های محل زندگیشان، از روی پرندگان کنده شده و بریزند. با استفاده از مکان یابیGPS ، متوجه شدیم که آنها شب را در کجا سپری کرده اند و از یک سیگنال VHF برای پیدا کردن برچسب های ریخته شده در پایین صخره استفاده کردیم.
 
ساده به نظر می رسد اما جاده های بسیار کمی در پاتاگونیا وجود دارد و برای دستیابی به محل بیتوته کرکس های امریکایی، تیم مجبور شد ده ها کیلومتر را پیاده روی کند، با اسب حرکت کند، از چنگک ها استفاده کند، و از رودخانه ها عبور نماید، در حالی که اعضای گروه با طناب به هم گره خورده و متصل بودند. به ازای هر برچسبی که پیدا کردیم، حداقل هفت تا را پیدا نکرده و از دست دادیم. دستیابی به موفقیتِ مهم هنگامی آغاز شد که پرندگان نابالغ را برچسب گذاری کردیم، زیرا آنها وقت خود را بیشتر در نشیمنگاه های اشتراکی می گذرانند، که بیشتر واقع در تپه های با شیب آرام استپ هستند، نه در ارتفاعات بلند و غیرقابل دسترس رشته کوه های آند که کرکس های مسن تر در آنها لانه می کنند.
   
تصویر: استپ وسیع و خشک پاتاگونیا با کوه های آند در فاصله دور. الکساندر ووروبف / شاتر استوک
 
نتایج ما نشان داد که به طور متوسط​​، کرکس های امریکایی سه ساعت در روز پرواز می کنند، اما کمتر از دو دقیقه از این مدت را بال می زنند - که فقط 1٪ از زمان پرواز آنها محسوب می شود. یک پرنده حتی بیش از 5 ساعت بدون حتی یک بار بال زدن پرواز کرد و 172 کیلومتر مسافت را در این مدت طی کرد. در کمال تعجب، میزانی که آنها بال می زدند، چه در آند و چه در استپ باشد یا این که چه باد باشد یا نباشد، به سختی تغییر می کرد.
 اصولاً اورنیتوپتر ها، در مقایسه با هواپیماهای معمولی، قادر به انجام مأموریت های پیچیده تری هستند، مانند پرواز در مسافت های طولانی، ماندن به حالت تعلیق در هوا به صورت طولانی مدت، و مانور در فضاهای تنگ. هنگامی که پرندگان به سمت انتهای سُر خوردن پرواز می کنند، زمانی که احتمالاً نزدیک به زمین هستند، حرکت بین لایه های گرمایی ضعیف تر هوا چالش برانگزتر به نظر می رسد. این، زمان مهمی است زیرا پرندگان برای جلو گیری از فرود آمدن بدون برنامه ریزی، باید به دنبال پیدا کردن هوای در حال صعود باشند.
 
لایه های گرمایی می توانند مانند لامپ های گدازه ای رفتار کنند، با حباب هایی از هوا، که هنگامی که هوا به اندازه کافی گرم است، به طور متناوب از زمین بالا می روند. بنابراین، پرندگان ممکن است به یک مکان که از نظر گرمایی مکانی درست است، وارد شوند، اما زمان این ورود اشتباه باشد. و در این حال مدتی که حباب ها با سرعتی به اندازه کافی زیاد، بالا می روند تا برای استفاده توسط یک کرکس مفید باشند، در صورتی که گرمای لایه ها ضعیف تر باشد، طولانی تر می شود.
   
تصویر:Orlando Mastrantuoni ، محقق پرندگان، یک برچسب کرکس امریکایی را در کوه های آند بازیابی می کند. Orlando Mastrantuoni ، نویسنده ارائه داده است.
 
با این وجود، حتی در شرایط حرارتی ضعیف، که ممکن است در زمستان رخ دهد، نتایج ما نشان می دهد کرکس ها ممکن است فقط برای حدود دو ثانیه در هر کیلومتر بال بزنند. این صرفه جوی بسیار چشمگیر در بال زدن هم تراز با وضعیت پرواز آلباتروس ها است. در حقیقت، به نظر می رسد که آلباتروس ها بیش از کرکس های امریکای - بین1٪ و 15٪ از زمان پرواز خود در خارج از زمان بلند شدن از زمین - بال می زنند، هر چند مشخص نیست که مصرف کل انرژی آنها چگونه با هم مقایسه می شود.
 
آن چه به ویژه در مورد یافته های ما قابل توجه است این است که تمام پرندگان مورد مطالعه نابالغ بودند. برخی از پیشنهادهای مبتنی بر بهبود عملکرد پرواز با افزایش سن وجود داشت، اما اثبات این که همه کرکس های امریکایی به ندرت بال می زنند، نشان می دهد که حتی برای کرکس های جوان نیز می توان مصرف انرژی کمی در پرواز را فرض کرد.
 
کرکس های امریکایی، از نظر استاندارد امروز بزرگ محسوب می شوند، اما 6 میلیون سال پیش، آرژانتویس با شکوه، پرنده ای با طول بال های باز به اندازه دو برابر مال کرکس های امریکایی، بر آسمان های آرژانتین تسلط داشت. همیشه فرض بر این بوده است که این غول های هوایی و سایر غول های هوایی از جریان هوا برای پرواز بدون بال زدن استفاده می کنند. داده های جدید از کرکس های امریکایی این فرضیه را تأیید می کند و نشان می دهد که پرندگان خشکی بدون نیاز به روشن کردن موتور خود تا چه حد می توانند پرواز کنند.
 بال زدن، راه حل اصلی طبیعت برای رفع نیازهای پرواز، هم در حالت سریع و هم در حالت آهسته، و همچنین فرود و برخاست از هر نقطه است.به نظر می رسد هزینه اصلی پروازهای بزرگ، به طور کلی، انرژی مورد نیاز برای پرواز است. در مطالعه ما، 75٪ از بال زدن های مشاهده شده در پروازهای جستجوگرانه پرنده، مربوط به زمان بلند شدن از زمین بود. این مسأله، اهمیت تصمیمات درباره زمان و مکان فرود را برجسته می کند. از نظر بال، کرکس ها از اعتماد به نفس بالایی برخوردار هستند و برای جستجوی طعمه از بالای سر شما، اغلب با سرِ پایین پرواز می کنند. بر روی زمین، آنها به گونه ای بوقلمون صفت پرندگانی ناموفقند، زیرا به درستی محتاط هستند. اندازه عظیم آنها به این معنی است که برخاستنشان از زمین سخت و پرهزینه است. اما با یک بار بالا آمدن - حداقل در مناطقی که معمولاً پرواز می کنند - به نظر می رسد می توانند ساعت ها اوج بگیرند.
 
منبع: جوان چاهی، امیلی شپارد، University of South Australia، Swansea University